钢结构稳定性分析综述

钢结构稳定性分析综述

王雪青1王雪峰2徐佳3

河北建筑工程学院河北张家口075000

摘要：钢结构由于其重量轻，塑形和韧性好等一系列的优点，被越来越多的工程所应用。现在的工程项目中，由于结构失稳造成的工程事故，人员伤亡越来越多。稳定性问题也受到了人们的高度重视。本文主要阐述了钢结构失稳的类别以及钢结构稳定性的设计原则，同时总结了目前关于钢结构稳定性设计过程中亟待解决的主要问题。

关键词：钢结构失稳；设计原则；主要问题

1前言

钢结构体系中的稳定性问题是钢结构设计中需要重点解决的问题之一。一旦出现钢结构失稳现象，除了会造成严重的经济损失之外，还会造成大量的人员伤亡。从钢结构广泛应用至今，由于钢结构失稳造成的工程事故屡见不鲜。例如，1978年，美国的哈特伏特体育馆的坠地事件，便是由于结构体系的压杆屈曲，使网架体系整体失稳坠地。在2010年，我国昆明新机场也同样由于失稳问题发生了重大的工程事故。以上一系列的工程事故发生的重要原因是钢结构设计的不合理，并且及存在一定的安全缺陷。为了防止此类事故的再次发生，必须要充分重视钢结构稳定性的问题。

2钢结构的失稳

2.1钢结构的稳定性

结构的稳定性是指结构在外荷载作用下，维持其原有的平衡形式的能力。稳定性问题是一个变形问题。钢结构的稳定性可以分为结构整体的稳定性和构件本身的稳定性两种情况。

结构整体的稳定性，主要通过结构的支撑系统来保证结构纵向的稳定性；在结构的横向，主要是通过结构自身的刚度来保证。构件本身的稳定主要由构件组成部分的自身刚度来保证。

2.2钢结构的失稳类型

为了正确的估计结构的稳定承载力，一定要准确的区分结构的失稳类型。钢结构的失稳类型主要有平衡分岔失稳、极值点失稳以及跃越失稳三类。

2.2.1平衡分岔失稳（第一类失稳）

理想的轴心受压构件，理想的在中面内受压的平板的失稳，理想的受弯构件以及受压的圆柱壳等的失稳问题都属于平衡分岔失稳问题。平衡分岔失稳分为稳定平衡分岔失稳和不稳定平衡分岔失稳两种。

2.2.1.1稳定平衡分岔失稳

（1）对于两端铰接的理想的轴心受压直杆，按照大挠度理论分析，轴心受压构件屈曲之后，此时构件的平衡状态仍然是稳定的。这种类型的失稳属于稳定平衡分岔失稳。

（2）对于四边支承的理想中面内受压平板，其中面在均匀的压力作用下达到屈曲荷载后平板发生屈曲，平板侧边产生的薄膜力对平板的变形起到了牵制的作用，导致平板屈曲后其平衡状态也是稳定的。此时的失稳也属于稳定平衡分岔失稳。

2.2.1.2不稳定平衡分岔失稳

另外还有一类结构，在构件屈曲之后，只能在远小于屈曲荷载的条件下维持平衡状态。例如，承受均匀压力的圆柱壳等，属于不稳定平衡分岔失稳。

2.2.2极值点失稳（第二类失稳）

第二类稳定问题或无平衡分岔的稳定问题，又叫做极值点失稳。由于初弯曲和初偏心的存在，实际的轴心受压构件会呈现极值点失稳。极值点失稳的现象是十分普遍的，例如，双向受弯构件和双向弯曲压弯构件发生弹塑性失稳都属于极值点失稳。

2.2.3跃越失稳

不同于平衡分岔失稳和极值点失稳，跃越失稳不存在平衡分岔点和极值点，在构件丧失平衡的瞬间跳跃到另一个稳定的平衡状态。例如，坦拱的失稳，拱结构在瞬间下垂，在新的平衡状态保持稳定，但是实际的结构在此时已经破坏。

3钢结构稳定性的设计原则

3.1结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求

上面提到，结构的稳定性分为整体稳定性和构件自身的稳定性。在设计过程中，要兼顾整体稳定性和构件自身稳定性的要求。

目前，钢结构的设计大部分是关于平面体系的设计，例如，桁架和框架等等。为了保证平面体系结构不会出现结构失稳的现象，就需要从结构整体布置来考虑，要设计必要的支撑构件，即要求平面结构构件的平面稳定性计算必须要和结构布置保持一致。

3.2“两个简图”要保持一致

“两个简图”是指结构计算简图和实用计算方法所依据的简图。在进行钢结构稳定性设计时，要求这“两个简图”要保持一致。进行稳定性计算时，往往要对构件做一定的简化和假设。在结构设计过程中，设计者必须要明确所设计结构符合计算过程中所做的假设时，才可以使用，当计算的对象和实际使用的计算方法简图有所区别时，要明确两个简图的差异所造成的后果。因此，结构的计算简图和实际用的计算方法的计算简图应当保持一致。

3.3构件的稳定计算必须与设计结构的细部构造保持一致

在钢结构设计中，如何使结构计算和构造设计相符合，一直是大家所关注的问题。要注意区分部分节点的连接是否传递弯矩，针对相应的节点应该附加足够的刚度以及柔度。对于桁架节点在处理构造细部时，要尽可能的减少杆件的偏心问题。关系到稳定性能时，在构造上常常会有不同于强度的要求和一些特殊的考虑。

4钢结构稳定性设计中的主要问题

4.1钢结构稳定性的随机因素的影响

（1）物理、几何的不确定性：如材料的屈服应力、泊松比、弹性模量等，杆件的截面面积，尺寸，初始变形以及残余应力等。在进行钢结构稳定性设计的过程中，往往会忽略实际工程中由于物理、几何的不确定性对结构稳定性带来的影响，从而可能导致出现结构失稳的现象。

（2）统计的不确定性：在统计与稳定性有关的几何量和物理量时，带有一定的经验性。这种不确定性称为统计的不确定性。实际的设计过程中，对稳定性的有关物理量的确定，经验值往往不能很好的表述结构的实际情况，也因此会导致出现结构失稳的情况。

（3）模型的不确定性：为了对结构进行分析，所提出的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素，所导致的理论值与实际承载力的差异，都归结为模型的不确定性。实际设计过程中，提出的一系列数学模型、假设等，往往是在理想状态下的情况，与实际的情况不符。

在钢结构稳定性的设计过程中，应该重点考虑对随机因素的影响的研究。

4.2钢结构稳定性的理论不完善

4.2.1网壳结构

网壳结构是一种与平板网架类似的空间杆系结构，系以杆件为基础，按照一定的规律组成的网格，按照壳体结构布置的空间构件，它同时具有杆件结构和薄壳结构的特性。由于网架结构具有较大的刚度，结构变形小，稳定性高以及建筑造型美观等优点，在越来越多的工程中广泛的应用，其稳定性设计也成为了人们所关注的重点问题。

网壳结构的稳定性分析往往是依靠梁柱单元理论进行的。但是梁柱单元往往不能够真实的反映网架结构的受力状态。如何反映轴力和弯矩的耦合效应是网壳结构稳定性的重点关注问题。

4.2.2预应力张拉钢结构

预应力张拉钢结构体系，由于对构件自身施加了一定的预应力，使结构本身具有了一定量的应力储备，与普通的钢结构相比，预应力张拉钢结构的稳定性有很大的提高。也正因为如此，人们忽视了其稳定性的问题，从而也在一定程度上导致了结构的失稳。目前为止仍然没有完整的理论体系去分析预应力张拉钢结构的稳定性。

4.2.3局部与整体稳定性的关系

在实际的设计中，往往只是考虑最重要、最危险部位的稳定性，忽视了其他局部位置的稳定性。同时也没有考虑到局部稳定性与整体稳定性的关系。只有全面的关注这些方面，才能够更好的确保结构失稳的情况不会出现。

5结语

目前各种类型的钢结构在各个领域都得到了广泛的应用。钢结构的稳定性是钢结构设计中重要环节之一。在实际的结构工程中，要明确的把握结构失稳的类别，才能更加准确的估计结构的承载力；设计过程中，要遵照其设计原则，进行合理的结构设计。当前仍然需要进一步完善钢结构稳定性设计的理论体系，如网壳结构、预应力张拉钢结构等的稳定性问题。

参考文献

[1]雷丽颖.浅谈钢结构稳定性设计[J].煤炭工程.2010(02)

[2]沈兵.钢结构稳定性设计的研究[J].中国科技纵横.2014(14):110-110

[3]陈骥.钢结构稳定理论与设计[M].北京：科学出版社，2006