1、浅谈土木工程钢结构稳定性设计摘要：钢结构是指在建筑物结构中钢材起着主导作用的结构，它具有强度高、抗震性能好、结构自重小、建筑施工周期短等优点，在土木工程工程中得到了广泛的应用。另一方面，因其结构失稳破坏造成事故的案例也时有发生，因此在土木工程施工中，保证钢结构的稳定性是异常重要的。下文通过对钢结构稳定性设计的概念和设计要点，论述钢结构稳定性的分析方法，供土木工程设计人员参考。 关键词：土木工程；工程施工；钢结构稳定性 中图分类号：S969.1 文献标识码：A 文章编号： 引言： 钢结构是指在建筑物结构中钢材起着主导作用的结构，是一个很宽泛的概念。大部分的钢结构都包括建筑设计，工程技术、工艺。通
2、常还包括以主梁、次梁、杆件，板等形式存在的钢的热轧加工工艺。上个世纪七十年代，除了对其他材料的需求在增长，钢结构仍然保持着对于来自美国、英国、日本、西德、法国等国家的钢材厂钢材的大量需求。 稳定性是钢结构工程设计中需要重点考虑的内容之一，现实生活中因钢结构失稳造成的工程事故案例也较多，如美国哈特福特城的体育馆平面 92m110m 的网架结构，突然于 1978 年坠落地面，原因是由于压杆屈曲失稳；1988 年我国也曾发生 13.2m18.0m 钢网架因腹杆稳定不足在施工过程中塌落的事故； 2010 年 1 月 3 日下午，昆明新机场 38m 钢结构桥跨突然垮塌，造成 7 人死亡、8 人重伤、26
3、 人轻伤，原因是桥下钢结构支撑体系突然失稳，8m 高的桥面随即垮塌下来。从上述案例可以看出，钢结构失稳破坏的原因通常是其结构设计不合理，存在结构设计缺陷所致，要从根本上杜绝此类事故的发生，钢结构稳定性设计是关键。 1.土木工程钢结构的稳定性设计 1.1 钢结构稳定性的概念 1.1.1 强度与稳定的区别 强度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，因此它是一个应力问题，即指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载引起的最大应力(或内力)是否超过建筑材料的极限强度。极限强度的取值因材料的特性不同而异，对钢材是取它的屈服点。稳定主要是找出外部荷载
4、与结构内部抵抗力间不稳定的平衡状态，即变形开始急剧增长而需设法避免进入的状态，因此它是一个变形问题。例如轴压柱，当失稳时柱的侧向挠度使柱中增加，从而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度，此时，失稳是柱子破坏的主要原因。 1.2 钢结构失稳情况 钢结构稳定是一个变形问题，构件所受外部荷载与结构内部抵抗力间是不稳定的，关键是找出这一不稳定的平衡状态，避免变形急剧增长而发生失稳破坏。由于钢材的强度高，所做构件多数壁薄且截面较小，受压时为了在强度与稳定之间取得最优，往往满足了稳定的要求，而使得强度不能充分发挥。因此，设计时必须分清强度与稳定的界限与关系，充分考虑可能发生破坏的本质原因。 钢结构失稳的
5、分类有： （1）有平衡分岔的稳定问题(分支点失稳)。完善直杆轴心受压时的屈曲和平板中面受压时的屈曲均属于这一类。 （2）无平衡分岔的稳定问题(极值点失稳)。由建筑钢材做成的偏心受压构件，在塑性发展到一定程度时丧失稳定的能力，属于这一类。 （3）跳跃失稳是一种不同于以上两种类型的稳定问题，它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态。 1.3 钢结构稳定性设计要点 在符合钢结构设计的一般原则前提下，要保证钢结构的稳定性，还需满足以下条件： （1）钢结构布置必须从体系和各组成部分的稳定性要求整体考虑目前钢结构大多是按照平面体系进行设计，如桁架和框架。保证平面结构不出现平面外失稳，要求平面结构构件
6、的平面稳定计算需与结构布置相一致，如增加必要的支撑构件等。 （2）实用计算方法所依据的简图与结构计算简图保持一致单层或多层框架结构设计框架稳定分析通常是省略了的，只进行框架柱的稳定计算。由于框架各柱的杆件稳定计算的常用方法、稳定参数等是依据一定的简化典型情况或假设者得出的，因此设计者要能保证所有的条件符合假设时才能应用。 2.钢结构稳定性的分析方法 钢结构稳定问题的分析都是针对在外荷载作用下结构存在变形的条件下进行的，此变形应该与所研究的结构或构件失稳时出现的变形相对应。结构变形与荷载之间呈非线性关系，稳定计算属于非线性几何问题，采用的是二阶分析方法。稳定计算所确定的不论是屈曲荷载还是极限荷载
7、，都可视为所计算的结构或构件的稳定承载力。 2.1 静力法 静力法即静力平衡法，是根据已发生了微小变形后结构的受力条件建立平衡微分方程，然后解出临界荷载。在建立平衡微分方程时遵循如下基本假定： （1）构件是等截面直杆； （2）压力始终沿构件原来轴线作用； （3）材料符合胡克定律，即应力与应变成线性关系； （4）构件符合平截面假定，即构件变形前的平截面在变形后仍为平截面； （5）构件的弯曲变形是微小的，曲率可以近似地用挠度函数的二阶导数表示。根据以上假定条件可建立平衡微分方程，代入相应的边界条件，即可解得两端铰支的轴压构件的临界荷载。 2.2 能量法 能量法是求解稳定承载力的一种近似方法，通过能
8、量守恒原理和势能驻值原理，求解临界荷载。 2.2.1 能量守恒原理求解临界荷载 保守体系处在平衡状态时，贮存在结构体系中的应变能等于外力所做的功，即能量守恒原理。其临界状态的能量关系为:U =W 式中 U指应变能的增量；W 指外力功的增量。由能量守恒原理可建立平衡微分方程。 2.2.2 势能驻值原理求解临界荷载 势能驻值原理指:受外力作用的结构，当位移有微小变化而总势能不变，即总势能有驻值时，结构处于平衡状态。表达式为:d=dU-dW =0 式中 dU 指虚位移引起的结构内应变能的变化，它总是正值；dW 指外力在虚位移上作的功。 2.3 动力法 处于平衡状态的结构体系，如果施加微小干扰使其发生
9、振动，这时结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关。当荷载小于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相反，因此干扰撤去后，运动趋于静止，结构的平衡状态是稳定的；当荷载大于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相同，即使撤去干扰，运动仍是发散的，因此结构的平衡状态是不稳定的。临界状态的荷载即为结构的屈曲荷载，可由结构的振动频率为零的条件解得。 3.关于钢结构稳定性设计的体会 3.1 进行结构体系的强度和稳定计算 目前钢结构设计多借助钢结构计算机软件进行结构受力计算，结构和构件的平面内强度及整体稳定计算可依靠程序自动完成，结构和构件的平面外强度及稳定计算，需要设计者另做分析、计算和设计
10、。此时可将整个结构按标高分解成多个不同布置形式的结构体系，在不同的水平荷载作用下，进行结构体系的强度和稳定计算。 3.2 受弯钢构件的板件局部稳定方式 受弯钢构件的板件局部稳定有两种方式： （1）以屈曲为承载能力的极限状态，并通过对板件宽厚比的限制，使之不在构件整体失效前屈曲； （2）允许板件在构件整体失效前屈曲，并利用其屈曲后强度，构件的承载能力由局部屈曲后的有效截面确定。对于不考虑屈曲后强度的梁局部稳定，可对梁设置横向或纵向加劲肋，以解决梁的局部稳定问题，加劲肋按钢结构设计规范(GB50017 -2003)规定设置；对于组合梁腹板考虑屈曲后强度的计算按钢结构设计规范(GB50017-200
11、3)第 4.4规定执行。 （3）轴心受压构件和压弯构件局部稳定有两种方式：一是控制翼缘板自由外伸宽度与其厚度之比；二是控制腹板计算高度与其厚度之比。对于圆管截面的受压构件，应控制外径与壁厚之比，加劲肋按钢结构设计规范(GB50017-2003)第 5.4 规定设置。 4.总结语 随着人们对钢结构建筑稳定性要求的不断提高，如何进一步完善和充实现有建筑稳定性规范成为每一个土木工程科研人员和土木工程设计人员必须正视和解决的课题。钢结构因具有自重轻、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，相信通过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，其应用的领域会越来越广泛。 参考文献： 1黄友江,钢结构的稳定设计分析J,黑龙江科技信息,2009. 2陈淑燕,提高钢结构设计稳定性的有效策略J,城市建设与商业网点,2009.
