小议钢结构的稳定设计

小议钢结构的稳定设计

程伟光

沈阳远大铝业工程有限公司，辽宁沈阳110027

摘要：钢结构自重轻、强度高、工业化程度高等优点，在建筑工程中得到了广泛的应用，同时钢结构建筑还符合国家的可持续发展战略、发展钢结构建筑对提高城市建设水平有很大作用、在钢结构设计中要充分考虑材料的优缺点，综合考虑各方面的因素加强对结构的整体稳定、局部稳定以及平面外稳定的设计，克服结构设计缺陷，避免出现失稳事故，加快钢结构应用领域的发展。本文对钢结构的稳定设计进行了探讨。

关键词：钢结构；稳定设计；要点

稳定性是钢结构的一个突出问题。在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题。对于这个问题处理不好，将会造成不应有的损失。钢结构中的稳定问题是钢结构设计中以待解决的主要问题，一旦出现了钢结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡，所以我们在钢结构设计中，一定要把握好这一关。

1钢结构稳定性设计的相关原则

1.1计算方法与结构简图保持一致性阶段

在进行框架结构分析的时候，通常是不会采用框架稳定性分析的，而是直接进行框架柱的稳定计算，在采用这种方法的时候，一定要确保框架结构计算所给出的基本假定，然后根据结构简图确定实际的结构尺寸，再根据相应的计算方法进行稳定计算。此外若结构简图和计算方法不一致时，需要调整所使用的计算方法，而不能去修改结构简图，这样才能确保钢结构稳定性分析的要求和设计的实效性。

1.2钢结构布置达到稳定性要求

在进行钢结构布置的时候，一定要确保每一个环节的稳定性要求，不能够为了简单，只是注重容易出现问题的环节。在出现平面失稳的情况时，不能置之不理，需要设计必要的支撑构件来消除平面失稳的现象。此外还需要注意杆件的稳定和平面横隔设置之间的关系，确保两者都满足稳定性设计的要求。

1.3细部构造与构件稳定性计算方法相符合

在钢结构稳定性设计中，细部构造一定要和构件的稳定性计算的方法相符合，像在进行梁的稳定性计算时，不能够用计算梁刚度的方法去计算梁的强度，这样的计算是不科学的、不合理的，为此需要保持构件与细部构造稳定性计算方法的相符性，这样才能确保稳定性计算的实际效用。

2钢结构稳定设计的要点

2.1柱子的整体稳定

柱子可分为轴心受压柱和偏心受压柱，理想的轴心受压柱的整体稳定压柱属于第一类稳定，即存在平衡状态的分枝现象。偏心受压柱的稳定属于第二类稳定，在荷载开始作用时就立即产生挠曲变形，在受压柱最终屈曲破坏前只存在曲线平衡的一种稳定状态，不存在平衡分枝现象，在受压柱的整体稳定设计中，我们通过介入长细比及稳定系数来确定构件是否达到临界状态，对于偏心受压柱我们同时要考虑偏心弯矩作用平面内的稳定和偏心弯矩作用平面外的稳定，当受压柱的整体稳定不满足要求时可以通过加大构件截面或调整截面型式来解决。当弯矩作用平面外稳定应力超限时，调整截面是一种办法，有时还可以通过调整构件平面外的支撑间距来满足。梁可以看作是受压构件和受拉构件的组合体，在弯矩作用下，受压翼缘类似轴心受压构件，当荷载达到临界状态时，受压翼缘在其弱轴方向受到稳定的受拉翼缘的约束不会发生失稳，因此受压翼缘只能绕其自身强轴发生失稳，当其失稳后将会带动梁的整个截面一起发生位移并伴随扭转而导致整个梁在强度破坏之前失去承载能力。

影响钢梁的整体稳定因素有，荷载种类，荷载作用位置，截面的刚度及梁的侧向支撑点间距，例如，对于跨中弯矩相同的一根梁，均布荷载比跨中集中荷载更不利于梁的整体稳定，当荷载作用在梁的上翼缘时要比作用在下翼缘更不利于稳定。

2.2柱的局部稳定

以工字形截面为例，在荷载作用下，受压的腹板和翼缘需要满足局部稳定，不能在构件丧失整体稳定前出现局部失稳，通常在工程设计中都采用一定的板厚来保证腹板的局部稳定。当有时钢柱的截面非常大腹板非常大，这时用腹板的厚度来保证稳定时，腹板太厚，很不经济，这时设计中往往采用较薄腹板，而在计算时认为腹板不全部参加受力，只考虑两侧各靠近翼缘20倍的板厚部分参加工作[2]，工字形截面变成两个T型截面。对于钢柱翼缘的局部稳定工程设计中通常采用一定厚度的板来保证。

3钢结构稳定设计应注意的问题

3.1稳定设计与强度设计的区别

强度问题是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力(或内力)是否超过建筑材料的极限强度，因此是一个应力问题。稳定问题则与强度问题不同，它主要是找出外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，从而设法避免进入该状态，因此，它是一个变形问题如轴压柱，由于失稳，侧向挠度使柱中增加数量很大的弯矩，因而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度。显然，轴压强度不是柱子破坏的主要原因。强度是构件上某一个截面的应力问题，而稳定则是构件的整体问题，因此，处理稳定问题时，应具有结构整体观点。

3.2充分考虑缺陷对稳定承载力的影响

（1）构件几何缺陷的影响。杆件并非是完善直杆，在制造、安装过程中难免有初始弯曲;构件由于施工和加载等方面的原因，使荷载作用线偏离杆件轴线形成初始偏心。初始弯曲和初始偏心统称为几何缺陷有几何缺陷的钢压杆在承受轴向压力后，其侧向挠度从加载开始就不断增加，从而使二阶弯矩不断增大，失稳时不是以平衡形式由直变弯，而是以变形发展导致承载力达到极限，因此降低了其稳定承载力。

（2）力学缺陷的影响。包括屈服点在整个构件截面上的非均匀分布，存在残余应力。残余应力使压杆的部分提前屈服，而按照钢材为理想弹塑性体的简化假定，已屈服的塑性区刚度将消失，不能继续有效地承载当继续加载时，有效截面只剩下弹性部分，塑性部分不再分担增加的荷载，压杆的稳定承载力只取决于剩余强度，杆件的刚度大大削弱，导致了构件屈曲时稳定承载力降低。

（3）充分认识稳定问题，进行钢结构稳定设计。保证结构和构件的稳定性，是钢结构设计中极其重要的部分。《钢结构设计规范》中很大的一部分条文都和结构的稳定性有关。这些条文的规定对防止结构出现失稳事故是必不可少的然而，仅仅按照《规范》的条文来处理结构的稳定问题还不够，设计者需要对条文的规定有一定深度的理解，并且通晓各种因素对结构和构件稳定性的影响，从而对钢结构稳定问题进行全面的把握，进而灵活的运用各种措施来增强结构稳定性。在实际工程设计中，设计者常无法确定荷载的种类和作用位置，为了提高梁的整体稳定性，在设计时需选择梁弱轴截面惯性矩大的截面，但钢梁太宽经济性往往较差，当有条件设置侧向支撑点是提高钢梁整体稳定最有效的方法。

总之，钢结构稳定设计是一项综合的系统工程，具有长期性和复杂性。对建筑结构设计人员而言，在进行钢结构稳定设计时，应了解钢结构稳定设计的基本内涵，并遵循钢结构稳定设计的相关原则，充分考虑受弯构建的整体稳定、轴心压杆的稳定计算、压弯构建的稳定计算、板件的稳定和框架的稳定等影响钢结构稳定设计的因素，才能不断提高钢结构稳定设计水平，以便于帮助我们在设计中更好地完成稳定设计。

参考文献：

[1]江辉.关于钢结构设计中稳定性的研究[J].中国高新区.2017(21)

[2]李奕宽.浅谈钢结构稳定性设计[J].建材与装饰.2018(29)