钢结构失稳原因分析及稳定性设计探讨

钢结构失稳原因分析及稳定性设计探讨

梁春红

梁春红

（昆钢集团设计院有限公司，云南，安宁，650302）

【摘要】钢结构建筑因其自身较强的优势而被广泛应用，但是就应用实际来看，一些钢结构往往由于这样或那样的原因导致其稳定性较差，甚至因此失去稳定性，而带来严重的后果。针对这一现状，笔者认为，我们应对其失稳的原因进行分析，并在一定的原则下，切实加强其稳定性设计。本文正是基于这一思路，主要就钢结构失稳原因分析及稳定性设计策略进行探讨。

【关键词】钢结构；失稳；原因分析；稳定性；设计

钢结构的稳定性主要取决于外界荷载作用下给钢结构是否带来屈曲和失稳的现象，所以我们只有切实掌握其失稳的类型，才能更好地在设计中予以优化和完善。以下笔者就此展开探讨。

1．钢结构失稳的表现及其原因的分析

1.1钢结构失稳的表现

钢结构失稳的表现主要体现在三个方面：

一是平衡分岔失稳，也就是在分支点失去了稳定，主要是直杆轴心在荷载作用下出现的屈曲，以及中面受压平板在荷载的作用下出现的屈曲。当轴心受压构件在荷载压力作用没有达到限值时，可以确保其挺直、平衡、稳定的状态，此时截面受压均匀，但是若超过压力限值，那么构件就会出现弯曲，出现平衡分岔失稳的情况。

二是无平衡分岔失稳，由于很多建筑中采用钢材做成的构件属于偏心受压，而当其塑性在发展到一定程度时，其稳定性能力就会逐渐的丧失。

三是跃越失稳，即钢结构在失去稳定平衡后跳跃到另一个状态下稳定和平衡状态。

1.2原因分析

一是原材料方面的问题。由于所选的钢结构材料自身存在质量问题，导致其难以满足实际需要。二是在设计过程中所设计的钢结构材料与实际需求不符，所设计的参数较多，在设计时存在设计不合理的情况，加上其影响因素较多，所以导致其稳定性受到影响。三是在使用中对其的维护不当，导致其出现断裂等质量问题[1]。

2．钢结构稳定性设计的基本原则

2.1稳定第一

在钢结构稳定设计中，主要是根据平面体系进行设计，所以为了确保其稳定性，首先就必须在结构整体设计中始终坚持稳定第一的原则。

2.2依据相同

由于在对钢结构设置为框架结构时，主要是对框架柱稳定性进行计算，而这势必涉及到柱的长度计算系数，这就需要对整个框架的稳定性进行分析，从而确保柱的稳定性计算与框架的稳定性计算依据相同，从而确保整个稳定性计算的科学性。

2.3相互匹配

在对钢结构进行设计时，除了需要坚持以上几点原则外，还应确保构造设计与结构计算之间互相匹配，这就需要强化细节处理，充分考虑分接点的强度，才能尽可能地预防出现杆件偏心问题[2]。

3．强化钢结构稳定性设计的几点措施

3.1明确设计思路

任何工作的开展均需要具有一定的思路。因而为了更好地对钢结构的稳定性进行设计，就需要我们切实掌握其设计思路：一是充分考虑钢结构体系与组成部分之间的稳定性。二是计算钢结构所需的简图应与实际计算时规定的简图相符。三是整个钢结构的稳定性设计应以现行设计规范为指导，切实加强稳定性的计算，并对钢结构进行加固设计，才能更好地确保其稳定性。尤其是应针对构件破坏、局部失稳、整体失稳等失稳现象的控制和预防，才能更好地确保整个稳定性设计的科学合理性。

3.2掌握稳定性计算方法

在明确设计思路的基础上，为了更好地加强钢结构稳定的设计，有效的控制和预防失稳的情况，首先就必须对稳定性计算的方法有一个明确的认识。就笔者自身的浅见来看，在稳定性计算过程中，主要应掌握以下方法：

一是能量法。当结构承载保守力时，可以结合变形结构所处的受力条件，从而对总势能进行确定，而总势能主要是结构的外力势能和应变能组成，当结构属于平衡状态时，其总势能中的驻值就能结合势能驻值原理，即从总势能在位移一阶之后其变分成零，从而得出其平衡方程，并将这一方程输出之后对分岔屈曲的荷载进行计算。而如果是只结合小变形理论，那么采用该方法就只能得到大约的屈曲荷载。这就需要在计算之前掌握屈曲之后可能出现的变形形式，并以此进行计算，那么所得到的屈曲荷载就相对精确。由此可见，在利用能量法对结构的稳定性进行计算时，所采用的计算原理不同，那么其所服务的对象也有所不同。例如在总势驻值原理下，就能得出屈曲荷载，而如果是基于总势能最小的原则，那么只能对屈曲之后的稳定性平衡与否进行判定。

二是动力法，主要是考虑到钢结构处于平衡状态时，只要对其带来微小的干扰，其也会出现一定的振动。而这时钢结构出现的振动加速度以及变形的大小，主要是取决于作用于结构的荷载。若荷载较小，且趋于稳定极限值时，所以其此时可以忽略，那么加速度与变形方向之间就会成反向。而如果撤掉干扰，就会从运动逐渐静止，此时结构平衡状态也相对稳定。但是荷载比极限值要大时，那么其变形方向和加速度方向一致，即便撤掉干扰，其仍在运动。所以其状态不稳定，而这也就会使得临界荷载就是此时钢结构屈曲荷载，主要是在结构的振动频率为零时进行计算。所以这一方法在动力稳定性计算中得到了广泛的应用。

三是平衡法。该方法主要是对结构在极限荷载下对其稳定性进行计算的常用方法。若钢结构的平衡分岔点存在弹性方面的稳定问题，主要是结合已经形成的微小变形，结构受力的条件，通过平衡方程进行求解，若所得的与平衡方程的解存在多个，就需要取其中的最小值为其分岔屈曲荷载。

3.3优化钢结构加固设计

加固是整个钢结构稳定性设计最为主要的内容，所以在做好上述工作的基础上，还应切实注重钢结构加固设计工作的开展，具体来说，就是做好以下几点：

3.3.1优化结构计算图形

优化结构计算图形，主要是通过改变钢结构达到加固的目的。在实际设计中，主要是结合其荷载的分布情况，以及其所在的边界条件和节点的性质与传力的途径等为基础，设置具有辅助性的杆件亦或是支撑结构达到对其加固的目的。所以将辅助性的杆件或者支撑在结构图形中增加，既能增加结构的空间，又能促进其强度和刚度的提升，并对其自振的频率进行调节，最后通过验算来提高钢结构的承载性能，最终达到提高钢结构稳定性的目的。

3.3.2优化截面内力加固

优化截面内力加固主要是将受弯杆件荷载改变之后，将其独立的在端部集中支撑荷载，并将其转换成诸多端部支撑荷载而达到加固的目标。比如要把铰接转换成刚铰，就需要将支座内的中间单独连接结构转换为连续的连接结构，同时调整支座的位置，当然也可以卷起转换为撑杆结构，但是应施加预应力拉杆，并对截面的加固应针对性的选择，并考虑到截面的形式与实际固定的要求相符，也就是考虑其损伤的程度和所需要加固的缺陷，才能确保钢结构的稳定性。

3.3.3优化结构连接方式

钢结构连接方式的优化主要是采取焊缝、普通螺栓、以及高强螺栓和铆钉的方式加固钢结构。但是在实际应用中，需要结合实际而针对性的进行选择，才能更好地确保结构加固的稳定性[3]。

4．结语

综上所述，钢结构失稳的类型较多，作为设计人员，必须从设计的角度找出其存在的根源，在设计中应坚持稳定第一、依据相同、相互匹配的原则，并明确钢结构的稳定性设计思路，从而采取有效的措施，切实加强钢结构的稳定性设计，才能更好地确保其设计水平，确保钢结构建筑的稳定性要求。

参考文献：

[1]王炳宇.钢结构的失稳分析及稳定性设计探讨[J].门窗,2012,05:93-94.

[2]刘立辉.浅析钢结构稳定性设计[J].中国建筑金属结构,2013,12:33-34.

[3]王多祥,靳同良.钢结构设计中稳定性分析探讨[J].甘肃冶金,2014,03:142-144.