有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問(wèn)題設(shè)計(jì)方法探討

呂前程

摘 要：應(yīng)用在建筑物中的鋼結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到建筑物的質(zhì)量性問(wèn)題。本文章從鋼結(jié)構(gòu)的概念談起，闡述了鋼結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)特定和設(shè)計(jì)原則，并就鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)中遇到的幾個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)探討。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

概述

影響鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性有很多不確定的因素，基本變量是隨機(jī)的。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1、鋼結(jié)構(gòu)材料的彈性模量，屈服直力以及泊松比等因素是不確定的，桿件尺寸的長(zhǎng)短、截面積的大小、殘余應(yīng)力的有無(wú)、初始變形的程度等也是不確定的。2、物理幾何數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)有其隨機(jī)性。這是因?yàn)槿鄙傩畔⒍鴮?dǎo)致統(tǒng)計(jì)學(xué)的不確定性，鋼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和穩(wěn)定性相關(guān)，尤其是在物理和幾何數(shù)據(jù)計(jì)量時(shí)，它依據(jù)一定的經(jīng)驗(yàn)性用有限樣本采用概率密度分布函數(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。3、結(jié)構(gòu)建模具有隨機(jī)性。深入的、詳細(xì)的進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，需要建立假設(shè)的或者是數(shù)學(xué)的模型，再或者是當(dāng)今的技術(shù)水平以及邊界條件等因素，這些因素難以在詳細(xì)的計(jì)算中完全反映出來(lái)，通過(guò)計(jì)算得出的理論值和實(shí)際承載力之間存在很大的差異，這都是由于結(jié)構(gòu)建模的隨機(jī)性所造成的。

一、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中失穩(wěn)問(wèn)題闡述

要了解鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)就要會(huì)區(qū)分結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，只有失穩(wěn)區(qū)分后才能正確估計(jì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其承載力大小。并進(jìn)一步了解鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性定問(wèn)題深入地探究其內(nèi)涵。鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)情況主要有以下三類情況。

（1）第一類鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)：又叫分支點(diǎn)失穩(wěn)的鋼結(jié)構(gòu)，它是有關(guān)平衡分岔的穩(wěn)定問(wèn)題。屬于這第一類失穩(wěn)的出現(xiàn)在完善直桿時(shí)，其軸心受壓后屈曲；也會(huì)出現(xiàn)在完善平板時(shí)，其面受壓后屈曲。

（2）第二類鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)：又叫極值點(diǎn)失穩(wěn)的鋼結(jié)構(gòu)，它是有關(guān)無(wú)平衡分岔的穩(wěn)定問(wèn)題。屬于這第一類失穩(wěn)的出現(xiàn)在建筑材材的構(gòu)件做成的偏心受壓時(shí)，它塑性變化到—定程度時(shí)就會(huì)失穩(wěn)。

（3）第三類鋼結(jié)構(gòu)是躍越失穩(wěn)，它是不同于以上兩種失穩(wěn)的類型，它沒(méi)有平衡分岔點(diǎn)也沒(méi)有無(wú)極值點(diǎn)，它是由一種喪失穩(wěn)定平衡的狀態(tài)躍越到另—個(gè)穩(wěn)定平衡狀態(tài)的躍越失穩(wěn)。

二、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和原則

在失穩(wěn)與整體剛度的設(shè)計(jì)方法方面，軸心壓桿的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)法是采用臨界壓力求解法與折減系數(shù)法等。穩(wěn)定分析需要從整體著眼，主要是看其桿件能否保持穩(wěn)定牽涉到整體的結(jié)構(gòu)。

（1）鋼結(jié)構(gòu)彈性的穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，除了需要了解結(jié)構(gòu)的整體體系外，還有另一些特點(diǎn)要引起重視。①進(jìn)行二階分析，這種分析法對(duì)柔性構(gòu)件尤為適用，這是由于柔性鋼構(gòu)件，其變形量大，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生了很大的影響；②迭加原理的應(yīng)用，這樣有利于營(yíng)利，但是在彈性穩(wěn)定設(shè)計(jì)中，則不適合應(yīng)用。這是由于迭加原理的應(yīng)能滿足并服從鋼材的胡克定律，應(yīng)力與應(yīng)變成正比例關(guān)系；而彈性穩(wěn)定設(shè)計(jì)不適合結(jié)構(gòu)變形很小的鋼結(jié)構(gòu)，采用非彈性穩(wěn)定計(jì)算，那么這兩個(gè)條件都不適合。

（2）依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題與實(shí)際的穩(wěn)定設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的特點(diǎn)，應(yīng)注意以下三個(gè)原則：①整體性原則：鋼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)需要考慮整個(gè)建造體系，以及整體與部分組成的穩(wěn)定性要求；②相一致原則：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的計(jì)算簡(jiǎn)圖與通過(guò)計(jì)算方法所依照的簡(jiǎn)圖是一致的，一致性在鋼結(jié)構(gòu)框架穩(wěn)定中起到十分重要作用；相互配合原則：尤其是在精細(xì)構(gòu)件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與其穩(wěn)定性計(jì)算必須相互配合，使二者的計(jì)算結(jié)果相—致。

三、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)問(wèn)題探討

鋼結(jié)構(gòu)的承載力是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定設(shè)計(jì)主要控制問(wèn)題，近些年，關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的細(xì)入研究，取得了一點(diǎn)的進(jìn)展，但在其過(guò)程中還是出現(xiàn)了一些問(wèn)題的。筆者以為，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）在結(jié)構(gòu)的整體性和相關(guān)性問(wèn)題上的穩(wěn)定中，在以往的很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，因?yàn)槭艿接?jì)算方法限制與計(jì)算方式的制約，而選用了把一個(gè)構(gòu)件或者是子結(jié)構(gòu)分出來(lái)，把他們作為對(duì)象進(jìn)行分析的方法。

（2）選用彈塑性材料為建設(shè)材料時(shí)，需要考慮多方面的問(wèn)題，現(xiàn)今多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)分析方法，把結(jié)構(gòu)做為完整的結(jié)構(gòu)體系考慮，完全依照彈性鋼材做一階分析計(jì)算，而其中忽略了存在的許多缺陷問(wèn)題，這就使得理論計(jì)算與現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)的承載能力出現(xiàn)了很大的差別。

（3）多個(gè)隨機(jī)變量因素也直接影響鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系研究中的穩(wěn)定性，根據(jù)以上的基本概念將影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的隨機(jī)變量因素可具體的分成三類：①物理、幾何等隨機(jī)變量：鋼材的彈性模量，屈服應(yīng)力與泊松比等因素，還有構(gòu)件尺寸的長(zhǎng)短，截面面積的大小等等。比如說(shuō)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)桿件它本身不是沒(méi)有缺陷的理想桿件鋼材，開(kāi)始變形是其殘余應(yīng)力等會(huì)有不利影響，尤其是對(duì)受壓構(gòu)件的穩(wěn)定；②物理幾何數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的隨機(jī)性：鋼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和穩(wěn)定性相關(guān)，尤其是在物理和幾何數(shù)據(jù)計(jì)量時(shí)，它依據(jù)一定的經(jīng)驗(yàn)性用有限樣本采用概率密度分布函數(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，這就受到經(jīng)驗(yàn)性的局限等；③結(jié)構(gòu)建模的隨機(jī)性：建立假設(shè)的或者是數(shù)學(xué)的模型，再或者是當(dāng)今的技術(shù)水平以及邊界條件等因素，這些因素難以在詳細(xì)的計(jì)算中完全反映出來(lái)，通過(guò)計(jì)算得出的理論值和實(shí)際承載力之間存在很大的差異，所以在地震時(shí)或是在高溫效應(yīng)時(shí)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有特殊影響力。但鋼材柱梁否能反映出鋼結(jié)構(gòu)的承載力的狀態(tài)還需要進(jìn)一步研究，尋找出不穩(wěn)定因素，使鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)理論得到進(jìn)一步改進(jìn)。

四、總論

在工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員必須深入地了解鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的穩(wěn)定問(wèn)題，避免在建設(shè)過(guò)程中發(fā)生不應(yīng)發(fā)生的事故。應(yīng)針對(duì)具體問(wèn)題不斷地完善鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)理論，盡量避免出現(xiàn)失穩(wěn)問(wèn)題，在不斷翻新的新結(jié)構(gòu)中才能發(fā)掘新的方法和手段。

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