淺談鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

楊冠三

摘 要：與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)因具有自重輕、強度高、工業(yè)化程度高等優(yōu)點在建筑工程中得到了廣泛的應用。鋼結(jié)構(gòu)日益發(fā)展的同時鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題也日益增多，穩(wěn)定性是一個突出問題。一旦出現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)事故，不但對經(jīng)濟造成嚴重的損失，而且會造成人員的傷亡，所以我們在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一定要把握好這一關(guān)。本文提出了設(shè)計中應該掌握的一些鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基本概念，以及鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究中存在的問題。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；鋼結(jié)構(gòu)特點；鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計；失穩(wěn)

1 鋼結(jié)構(gòu)的特點

鋼結(jié)構(gòu)施工時間短、用于施工的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以是工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場安裝，可以大大縮短施工的時間，節(jié)約時間；可循環(huán)利用：鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工材料可以實現(xiàn)再生利用，這樣就減少了大量的建筑垃圾；空間大：由于鋼材的抗壓、抗側(cè)彎強度均為混凝土的1.5倍，因此在等同強度的條件下可以縮小截面從而增大了有效的空間；耐腐蝕性差：由于鋼材表面的鐵原子與空氣中的氧化合會生成氧化鐵銹，銹蝕能夠引起應力集中，從而危害鋼結(jié)構(gòu)建筑的使用安全使鋼結(jié)構(gòu)建筑壽命減短，因此對鋼結(jié)構(gòu)建筑進行有效的防腐措施才能確保其使用時間；耐火性差：鋼材的導熱系數(shù)遠遠大于鋼筋混凝土的導熱系數(shù)，其耐火性能也遠遠差于混凝土結(jié)構(gòu)。因此在鋼結(jié)構(gòu)建筑中抗火被看做重要一環(huán)；抗震性能好，由于鋼結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)、自重輕，能有效地降低地震響應及災害的影響程度，有利于抗震。

2 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計特點

首先，穩(wěn)定性整體分析：桿件能否保持穩(wěn)定牽涉到結(jié)構(gòu)的整體。穩(wěn)定分析必須從整體著眼。再者，失穩(wěn)和整體剛度：現(xiàn)行規(guī)范通用的軸心壓桿的穩(wěn)定計算法是臨界壓力求解法和折減系數(shù)法。在彈性穩(wěn)定計算中，除了需要考慮結(jié)構(gòu)的整體性外，還有一些其他特點需要引起重視，首先要做的就是二階分析，這種分析對柔性構(gòu)件尤為重要，這是因為柔性構(gòu)件的大變形量對結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生了不能忽視的影響，其次，普遍用于應力問題的迭加原理。在彈性穩(wěn)定計算中不能應用。這是因為迭加原理的應用應以滿足以下條件為前提：

① 材料服從虎克定律變成正比；

② 結(jié)構(gòu)的變形很小。

而彈性穩(wěn)定計算一般均不能滿足第②個條件，非彈性穩(wěn)定計算則兩個前提都不符合。了解了一些在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中應該明確的一些基本概念，有助于我們在設(shè)計中更好地處理穩(wěn)定方面的問題，隨著新型鋼結(jié)構(gòu)體系地不斷發(fā)展，我們對穩(wěn)定問題的研究要求也不斷地提高，之所以在設(shè)計中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題，另一個重要原因就是我們對新型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定知之甚少，也就是目前鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定研究中存在的問題。

3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的原則

極限強度的取值因材料的特性不同而異，對鋼材是取它的屈服點。穩(wěn)定主要是找出外部荷載與結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力間不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，即變形開始急劇增長而需設(shè)法避免進入的狀態(tài)，因此它是一個變形問題。針對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的原則，首先，要求平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面穩(wěn)定計算需與結(jié)構(gòu)布置相一致。鋼結(jié)構(gòu)布置必須考慮整個體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求。目前，鋼結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計的，如桁架和框架。保證這些平面結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決，如增加必要的支撐構(gòu)件等。再者，結(jié)構(gòu)計算簡圖需與實用計算方法所依據(jù)的簡圖一致。當設(shè)計單層或多層框架結(jié)構(gòu)時，通常不做框架穩(wěn)定分析而只做框架柱的穩(wěn)定計算。采用這種方法計算框架柱穩(wěn)定時用到的柱計算長度系數(shù)，應通過框架整體穩(wěn)定分析得出，使柱穩(wěn)定計算等效于框架穩(wěn)定計算。嚴格遵循《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003）。

4 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究中存在的問題

鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性研究雖然取得了一定的進展，但也存在一些不容忽視的問題：

1）預張拉結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定設(shè)計理論還很不完善，目前還沒有一個完整合理的理論體系來分析預張拉結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性。

2）在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究中，梁-柱單元理論已成為主要的研究工具。但梁- 柱單元是否能真實反映網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)還很難說，雖然有學者對梁- 柱單元進行過修正。主要問題在于如何反映軸力和彎矩的耦合效應。

3）目前大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計中取一個統(tǒng)一的穩(wěn)定安全系數(shù)，未反映整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)性。在大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計中整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的相互關(guān)系也是一個值得探討的問題。

4）隨機因素的影響：目前結(jié)構(gòu)隨機影響分析所處理的問題大部分局限于確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)。隨機荷載輸入這樣一個格局范圍，而在實際工程中，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性，會引起結(jié)構(gòu)響應的顯著差異。所以應著眼于考慮隨機參數(shù)的結(jié)構(gòu)極值失穩(wěn)、干擾型屈曲、跳躍型失穩(wěn)問題的研究。

上邊這些都是鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計中存在的問題，只有我們進一步地深入研究這些穩(wěn)定，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論將會進一步完善，如對于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計中涉及到隨機因素的影響，國外已經(jīng)引入了鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的可靠度設(shè)計，這也表明了鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計理論也在不斷的完善。

5 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)因具有自重輕、強度高、工業(yè)化程度高等優(yōu)點，在建筑工程中應用很廣泛。但鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)也常有發(fā)生。鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題是很復雜的，尤其當構(gòu)件存在初始缺陷、殘余應力以及非線性因素的影響時，就更增加了解決穩(wěn)定問題的難度。另外，在工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究領(lǐng)域中，像大跨度橋梁、大跨度薄殼、大跨度大空間網(wǎng)殼、高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)的雙重非線性動力穩(wěn)定性等問題還沒有解決。但我們相信通過加強對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定以及平面外穩(wěn)定的設(shè)計，克服結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷，其應用的領(lǐng)域會越來越廣泛。

參考文獻

[1]陳驥.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計[M].第3 版.北京： 科學出版社，2006.

[2]陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計指南[M].第2 版.北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3]陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2004.

[4]GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].