钢结构稳定设计心得

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钢结构稳定设计心得

河北省石油化工设计院有限公司天津分公司

摘要：稳定问题一直是钢结构设计的关键问题之一,钢结构体系的广泛应用凸显了稳定问题研究的重要性和紧迫性。由于钢结构体系设计、建造以及使用当中存在着许多不确定性因素，笔者结合工作中的设计经验对钢结构体系的稳定性问题进行了总结。关键词：钢结构，框架，稳定性，失稳。

钢结构稳定设计具有和强度问题不同的特点，在以往的设计中，遇到的问题多是小型钢平台，因荷载较小，高度较低，只要满足强度要求，一般不会失稳。在近几年的学习及工程设计实践中，认识到保证结构整体的稳定及其构件自身的稳定是钢结构设计中极其重要的内容。

经过查阅大量钢结构资料，对钢结构稳定性设计的特点建立起了明确概念，下面是学习后总结的几点体会。

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。

目前结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此。保证这些平面结构不致出现平面外失稳，需要通过结构整体布置来解决，亦即设置必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件的平面外稳定计算必须和结构布置相一致。例如，大跨度过路管架，一般需要做成桁架的型式，而用PKPM进行桁架的设计时，一般只是拿出桁架的一榀来进行平面内构件的强度和稳定计算，桁架的平面外稳定则需要通过在上下弦分别加设钢横梁及水平支撑来保证。

2．结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要。

《钢结构设计规范》中很大一部分条文都与稳定问题有关，遵循这些条文规定，对防止出现结构失稳，当然是必不可少的。然而，仅按规范条文来处理稳定问题还很不够，我们尚需对条文的规定有一定深度理解，并且各种因素对结构和构件稳定性能的影响也应进行考虑。结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要。在设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定性分析，而是代之以框架柱的稳定性计算。在采用这种方法时，计算框架柱稳定时，用到的柱计算长度系数μ，自应通过框架整体稳定分析得出，才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算，然而，实际框架多种多样，而设计中为

了简化计算工作，需要设定一些典型条件。《钢结构设计规范》对单层和多层框架给出的长度系数μ采用了五条基本假定，其中，包括：“框架中所有柱子是同时丧失稳定的，即各柱同时达到其临近荷载。”按照这条假定，框架各柱的稳定参数φhP/E应保持常数。对于最简单的单层单跨框架来说，就是以对称框架作为典型框架。如果结构不对称，或者荷载不对称，甚至二者都不对称，柱的实际计算长度将不同于典型框架。在非对称情况下，以单层单跨框架来说，左柱受力为P1，右柱受力为P2，当P1>P2时，左柱趋于先失稳。但是，左柱失稳而侧移时，必然要带动右柱一起侧移，而右柱这时还未达临界状态，必将对侧移起阻止作用，从而使左柱推迟失稳。这就是说，框架失稳是结构的总体问题。由于整体性，左柱得到右柱的支持，它的计算长度系数小于规范给出的数值。另一方面，右柱要对左柱提供约束，它的任务加重，计算长度系数大于规范给出的数值，其结果是两根相同的柱在不同荷载作用下，同时失稳。非对称的单层单跨框架的计算长度系数可以由把规范给出的μ系数乘以一个修正系数的办法来获得。

对单层多跨等高框架来说，φ为常数，相当于各柱的P/I相同，图1所示各柱的Pi/Ii不相同的框架，按规范算得的各柱的μ系数就不能完全反映框架失稳的实际情况，需要作出适当的修正。简化的修正方法是，对按规范得出的μi系数乘以修正系数β，从而得出各柱

IiPiTPi的计算长度系数μimβμi式中TIi/Mi

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图1参数Φ不同的单层框架

P1P2P3

I1I2I3P1/I1P2/I2P3/I

多层框架在柱φ不相等时也有μ系数修正问题，框架计算简图和实用方法所依据的简图不一致的情况，还有摇摆柱的框架，这种情况若按规范μ系数计算都会导致不安全的后果。

摇摆柱是指上下端均为铰接，且用铰支横梁连于刚性节点的框架如图2所示。摇摆柱和

框架ABCD连成一体后，并没有给框架增加新的侧向刚度，但是整个体系却增加了新荷载P1.。因此，框架ABCD的侧向刚度不仅要能抵抗本身荷载P1和P2的失稳作用，还要加上摇摆柱上的荷载P1的作用。如果在确定AB柱的计算长度系数μ时仍用一般方法，则柱的截面将偏小，解决的办法是把按不考虑摇摆柱影响的μ系数修正为μ=μ1+n。式中nP1/P1P2为摇摆柱的荷载和刚接框架的总荷载之比。

P1IbP2P3

BC

IcIc

AD

图2附有摇摆柱的框架

3.设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者有一致性。结构计算和构造设计应相符，对要求传递弯矩和不要求传递弯矩的节点连接，应分别赋予它足够的刚度和柔度，当涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。对简支粱就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移，同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需能够阻止粱绕纵轴扭转，同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲，以符合稳定分析所采取的边界条件。支座采用端板式，上翼缘有窄板连于支承结构，从而有效防止扭转。为了使梁端在自身平面内少受约束，可以把窄板的螺栓孔做成长圆型。梁端虽有端板，对该截面翘曲的约束作用不大。高度不大的梁端加劲肋能够有效防止梁端的扭转，可以省去上翼缘的连接板。但是，既无上翼连接板又无端加劲肋，梁产生侧移和扭转时，梁端不能保持不扭，则梁的整体稳定承载能力要比按规范φb系数算地要低。《钢结构设计规范》规范在第4.2.1和第4.2.2条都注明“应采取措施以防止梁端截面的扭转”。

正确进行梁整体稳定计算，涉及的构造问题很多。《钢结构设计规范》规范所规定的整

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体稳定系数φb适用于等截面的梁包括简支梁和悬臂梁。因此，凡截面变化的梁和端部（或其他部位）有削弱的梁规范的系数φb系数都不适用。从梁的抗弯强度来说，当弯矩图变化时梁截面可以相应变化，但是，如果设计时是梁整体稳定控制截面，则梁截面不宜变化。

在梁格系中，当次梁和主梁表面平齐时，次梁端部需要切去一部分上翼缘和腹板。这种端部削弱的连接方式不仅使梁端一段内截面积减小，并且还造成上翼缘端部可以侧向移动的局面。如果次梁跨度小而削弱范围相对较长，则次梁整体稳定承载力下降相当多。虽然，工程中常见的情况是梁格上面铺有钢筋混凝土板并与梁牢固连接，使梁整体稳定得到保证，但有时遇到不设钢性铺板的梁格的可能性。有时，端部削弱的次梁整体稳定性即需专门计算。

在实际设计中，我们设计人员应该明确知道结构构件的稳定性能，以免在设计过程中发生不必要的失稳损失。总之，熟悉这些特点对于我们设计人员来说是十分有益的，深入理解这些特点有助于设计出既能保证稳定而又经济合理的结构。

参考文献

[1]陈绍蕃.钢结构设计原理.科学出版社.201*.23-25.

[2]陈绍蕃.钢结构稳定设计指南.中国建筑工业出版社.1995.

扩展阅读：钢结构课程专题报告论文：浅析钢结构稳定问题及其研究

钢结构基本原理及设计课程专题报告

浅析钢结构稳定问题及其研究

1绪论

本文站在如何提高钢结构稳定设计角度，结合钢结构设计和钢结构体系，通过对钢结构体系的优势和劣势、钢结构体系稳定性研究现状、钢结构体系稳定性研究中存在的问题的阐述分析，提出了在建筑结构中提高钢结构稳定的设计三原则。

2课题背景

随着我国经济的高速发展，各种钢体工程建筑相继建设而成。钢体建筑已成为推动我国建筑行业快速发展的新型坐标。而在钢结构体系中，稳定性设计就成为了钢结构设计中的突出问题，稳定设计这个问题把握不好，将会造成严重的损失。在现代工程史上不乏因失稳而造成的钢结构事故，给社会带来了巨大的经济损失。日本爱知县的东河文化馆网架结构，平面72m×90m,突然于1994年破坏而落地，破坏起因可能是压杆屈曲。1998年澳大利亚一商务平台的屋盖结构塌落，1996年韩国某体育场看台屋盖塌落，这两次事故都和没有设置适当的文撑有直接因素。从以上发生的事故可以得出，钢结构体系中的稳定性是钢结构设计中需要重点解决的问题，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。

3钢结构体系的优势和劣势

3.1钢结构体系的优势

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3.1.1钢结构重量轻、抗震性强的优势

钢结构是以工厂化生产的钢梁、钢柱为骨架，它与同面积的建筑楼层相比，钢结构楼的重量可减轻近30％。同时，由于钢材具有较强的延展性，能较好地消除地震波力，防震性能好，尤其适用于高层建筑。

3.1.2钢结构建筑占地面积小，具有良好的空间感

钢结构建筑在设计中可以具有更好的空间灵活性、开放性、使在施工中占居面积小，楼内空间的灵活性和自由度为建筑师和结构师提供更多设计思维。

3.2钢结构体系的劣势

3.2.1钢结构中的失稳性

钢结构的失稳主要是指支撑问题，支撑问题往往被设计者或施工者所忽视，这也是造成整体失稳的原因之一。在吊装中由于吊点位置的不同，桁架或网架的杆件受力可能变号，造成失稳；脚手架倾覆、坍塌或变形大多是因为连杆不足、没有支撑造成的。

3.2.2钢结构中的腐蚀性

钢结构中钢材的抗腐蚀性能较差，同样是直接影响钢结构劣势之一。室内外环境的湿度较大、有侵蚀性介质中，会较快地生锈腐蚀，削弱了构件的承载力。

我国对钢筋混凝土屋架、木屋架、钢木屋架和钢屋架等的事故统计中发现，钢屋架出现倒塌事故占38．62％，而由于腐蚀并缺乏维修的原因占比重很大。

4钢结构体系稳定性研究现状

近二三十年来,高强度钢材的使用,施工技术的发展以及电子计算机的应用使钢结构体系的发展和广泛应用成为可能。钢结构体系的稳定性一直是国内外学者们关注的研究领域。经过几十年的研究,已取得不少研究成果。

迄今为止,对钢结构基本构件的理论问题的研究已较多,基于各种数值分析的稳定分析已较成熟。但对构件整体稳定和局部稳定的相互作用的理论和设计应用上还有待进行深入的研究。

由于结构失稳是网壳结构破坏的重要原因,所以网壳结构的稳定性是一个非常重要的问题,正确的进行网壳结构尤其是单层网壳结构的稳定性分析与设计是保证网壳的安全性的关键。自六十年代以来,网壳结构的非线性稳定性分析一直是国内外学者们努力研究的领域。国内外的许多研究人员对此进行了多方面的理论分析和研究,各种方法的研究如牛顿-拉斐逊迭代法、弧长法、广义逆法、人工弹簧法、自动求解技术、能量平衡技术等,使得跟踪屈服问题全过程,得到结构的下降段曲线成为可能。国内学者关于网壳结构稳定性也进行了大量研究。在国外研究的基础上,通过精确化的理论表达式、合理的路径平衡跟踪技术及迭代策略,实现了复杂结构体系的几何非线性全过程分析,取得了规律性的成果。同时利用随机缺陷模态法和一致缺陷模态法两种方法,对网壳结构各种初始缺陷的影响进行研究,较好地描述了结构的实际承载过程。也有一些学者进行了实验方面的研究,对不同分析方法的有效性和精确性进行了说明,对网壳结构的动力失稳机理、稳定准则、动力后屈曲等问题进行了研究。对于象网壳结构这类缺陷性

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敏感结构在强风和地震作用下的动力稳定性研究,由于涉及稳定理论和震动理论,所以难度较大,目前研究成果还很有限。

大跨度网架拱结构作为一种新的大跨度结构,其稳定性方面的研究成果很少。一些研究人员采用非线性有限元理论对大跨度网架拱结构的稳定性进行了全过程跟踪,得出一些具有实际应用价值的结论。斜拉空间网格结构是一种新型的杂交空间结构,目前对其研究的深度和广度还很有限。外斜拉单层网壳的稳定性也需要进一步研究。已有研究将网架结构对柱子的支撑作用及网架结构对斜拉索在网架结构平面的约束简化为等效弹簧,对柱子的稳定性进行了研究,得出了一些比较合理的结论。预张拉结构体系也是目前应用越来越多的一种新型结构体系,这种体系的系统理论研究在很大程度上滞后于实际应用,特别是预张拉结构体系的稳定性的研究未引起足够重视,研究成果还十分有限。预应力索结构体系在工作状态外荷载的作用下也可能发生失稳破坏。

一些研究人员对结构的体系性质和结构稳定性判定方法进行了研究并对实际设计计算提出了两种方法-直接验算法和稳定设计法,,为进一步研究提供了一些理论指导。

另外,也有学者从整体稳定的角度对钢框架结构的稳定问题进行了研究,并得出了一些不错的成果。

5钢结构体系稳定性研究中存在的问题

钢结构体系稳定性研究虽然取得了一定的进展,但也存在一些不容忽视的问题:(1)目前在网壳结构稳定性的研究中,梁-柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁-柱单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还很难说,虽然有学者对梁-柱单元进行过修正,但是还很不够,主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。

(2)在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题,目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数,未反映整体稳定与局部稳定的关联性。

(3)预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善,目前还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的稳定性。

(4)钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响,目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围,而在实际工程中,由于结构参数的不确定性,会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究。

6钢结构稳定设计原则

根据钢体实际稳定设计中的问题，针对性提出了结构设计的三项原则，以从更加深入的方面来阐明结构设计中稳定性原则。

6.1结构整体布置必须严把细节体系的稳定性规范

现今，钢结构是按照建筑平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此。保证这些平面结构不致出平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致。就如上述的19９8年澳

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大利亚商务平台屋盖结构塌落，1996年韩国某体育场看台屋盖塌落，这两次事故都和没有设置适当的支撑而造成出平面失稳。

6.2钢结构的细部构造和构件协调性的稳定计算要精确核实，保证两者的一致性。

结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中大家都注意的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋与它足够的刚度和柔度，对桁架节点应尽量减少杆件偏心这些都是设计者处理构造细部时必须认识到的。

6.3涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。

例如，简支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移，同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转，同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲，以符合稳定分析所采取的边界条件。

7结语

近年来，钢结构体系中稳定性设计已成为建筑结构行业的新型发展趋势。稳定问题一直是钢结构设计的关键问题之一,钢结构体系的广泛应用也使稳定问题的研究有了快速和全面的发展。对钢结构的稳定问题进行进一步的深入研究将极大地促进钢结构建筑行业的良性发展，从根本上减少安全隐患和经济损失。

8参考文献

[1]谭磊，钢结构稳定问题的可靠性研究探讨，陕西建筑，201*年1月[2]黄东升，建筑结构设计，东南大学出版社，201*

[3]林同炎，结构概念和体系，中国建筑工业出版社，1999[4]利伟忠，浅析钢体结构中稳定设计，科技资讯，201*[5]张耀春，钢结构设计原理，高等教育出版社，201*

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