摘要：鋼結構是用鋼材經過加工、連接、安裝而建成的一種工程結構，它需要承受各種可能的自然環境和人為環境作用，并應滿足各種預定功能要求和具有足夠的可靠性及良好的社會經濟效益。在鋼結構設計中，穩定是較為重要的一個環節，本文分析了鋼結構穩定設計應遵循的原則以及鋼結構穩定設計特點，并提出鋼結構穩定性設計的計算方法。

　　關鍵詞：鋼結構  設計  穩定性

　　1 鋼結構穩定設計存在問題分析

　�。�1）強度與穩定的區別。強度問題是指結構或者單個構件在穩定平衡狀態下由荷載所引起地最大應力(或內力)是否超過建筑材料的極限強度，因此是一個應力問題。極限強度的取值取決于材料的特性。對混凝土等脆性材料，可取它的最大強度，對鋼材則常取它的屈服點。穩定問題則與強度問題不同，它主要是找出外荷載與結構內部抵抗力間的不穩定平衡狀態，即變形開始急劇增長的狀態。從而設法避免進入該狀態，因此，它是一個變形問題。如軸壓柱，由于失穩，側向撓度使柱中增加數量很大的彎矩，因而柱子的破壞荷載可以遠遠低于它的軸壓強度。顯然，軸壓強度不是柱子破壞的主要原因。

　　（2） 目前在網殼結構穩定性的研究中，梁一柱單元理論已成為主要的研究工具。但梁一柱單元是否能真實反映網殼結構的受力狀態還很難說，雖然有學者對梁一柱單元進行過修正，主要問題在于如何反映軸力和彎矩的耦合效應。

　�。�3）在大跨度結構設計中整體穩定與局部穩定的相互關系也是一個值得探討的問題。目前大跨度結構設計中取一個統一的穩定安全系數，未反映整體穩定與局部穩定的關聯性。

　�。�4）預張拉結構體系的穩定設計理論還很不完善。目前還沒有一個完整合理的理論體系來分析預張拉結構體系的穩定性。

　�。�5）鋼結構體系的穩定性研究中存在許多隨機因素的影響。目前結構隨機影響分析所處理的問題大部分局限于確定的結構參數、隨機荷載輸入這樣一個格局范圍，而在實際工程中，由于結構參數的不確定性，會引起結構響應的顯著差異。所以應著眼于考慮隨機參數的結構極值失穩、干擾型屈曲、跳躍型失穩問題的研究。

　　2 鋼結構穩定設計遵循的原則

　　根據鋼結構設計中的穩定性問題，在實際設計時，為了使鋼結構穩定設計中構件不發生失穩，以下的三項原則是必須遵守的。

　�。�1）鋼結構的整體設計必須兼顧各個組成部分以及整個體系對于穩定性的特定要求。當前，我國大部分鋼結構設計都是以平面體系為出發點，例如，在桁架設計與框架設計中均是如此。為了使這類平面結構避免發生平面失穩事件，必須從其結構的整體布局作為出發點，設計有針對性的支撐構件。即：必須保證平面結構構件的結構布置與平面穩定計算之間的一致性。例如，塔架由平面桁架組成，就需要在橫隔設置和桿件的穩定之間多加注意。

　　（2）在進行實用計算時，采取的簡圖必須與結構計算簡圖相符，這也是保證框架結構的穩定計算的重要條件。當前，在一些鋼結構設計中，對單層和多層框架結構設計之前，以框架柱的穩定計算來替代框架穩定分析，這種方式應通過框架整體穩定分析得出框架柱穩定時用到的柱計算長度系數，才能最終使框架穩定計算等效于柱穩定計算。但是隨著具體設計要求的不同，為了在設計時對設計對象進行簡化，一些典型條件的設置是必要的。在GBJl7-88規范中，針對框架給出的計算長度系數，有幾條基本的假定條件，比如"框架中所有柱子是同時失去穩定的，即各柱同時達到其臨界荷載"。在這個假定之下，在對鋼結構框架進行穩定參數桿件穩定計算時，通常會將經過了簡化的條件或者典型情況當作依據。這就需要設計者充分熟悉和了解所設計的鋼結構是否符合簡化標準或者典型條件。因此，在使用各種計算方法時，具體的設計對象與簡化計算的假定前提應該相符。

　　（3）必須滿足構件的穩定計算與設計結構的細部構造之間的一致性。在鋼結構的設計中，設計者都應注意使構造設計和結構計算互相匹配。對一些節點的連接，應區分其傳遞彎矩還是不傳遞彎矩，從而有針對性的賦予其它足夠的剛度和柔度，在桁架節點的設計中，應在減少桿件偏心上做足功夫，這些都屬于對構造細部的設計和處理，也是設計者應經�？紤]到的。但是具體到鋼結構的穩定性能時，具體的構造對于不同于強度的要求也有所不同，這些情況也要加以綜合考慮。

　　3 鋼結構穩定設計的特點

　�。�1）臨界壓力求解算法和折減系數法是計算軸心壓桿的主要兩種算法。

　　（2）必須從整體結構分析各個桿件的穩定，因為桿件的穩定涉及結構的整體。

　�。�3）鋼結構設計規范中提出一階彈性分析法和二階彈性分析法，但由于研究結構穩定問題時涉及到二階效應，即結構和位移對內力產生的影響。因此分析鋼結構的穩定問題理論上應該用二階分析法，尤其是柔性結構，因為柔性結構的側移和豎向荷載較大。目前還提出了一種三階分析法，是針對大變形、大撓度的問題，此時曲率和位移導數之間不再存在線性關系。

　�。�4）迭加原理不能在彈性計算中應用，因為迭加原理的應用要求結構的變形小，彈性穩定計算一般都不能滿足這個條件。非彈性計算由于不滿足此條件也不能運用迭加原理。

　�。�5）穩定分析不需要分析結構的超靜定特性，因為穩定分析只是針對位移進行判斷。

　　4 鋼結構穩定性計算方法

　�。�1）計算長度法

　　現行GB 50017-2002 鋼結構設計規范（以下簡稱《規范》）利用計算長度系數法對結構中單個柱子穩定性進行驗算，從而得出結構的穩定性。規范將框架分為無支撐純框架和有支撐框架，當采用一階彈性分析方法計算內力時，框架柱計算長度系數μ 按規范查表得出（《規范》5.3.3 條），也可以利用《高層民用建筑鋼結構技術規程》第6.3.2 條近似公式計算。

　　1）有側移時：

　　2）無側移時：

　　其中，k1，k2 分別為交于柱上下兩端的橫梁線剛度之和的比值。

　　在有側移失穩時，橫梁兩端的轉角大小相等、方向相反。缺點：在實際結構中，梁、柱都存在彎矩和彎曲，并非都是理想的無初彎曲構件，在查計算長度系數表時，只考慮直接與柱子相連的橫梁約束作用，結構失穩是整層甚至是整個結構的失穩，而不是單個柱子失穩。而且，結構設計軟件在柱子計算長度的確定上經常存在困難。

　　對于以上問題，現在已有成熟的改進方法：

　　《規范》5.3.6 條規定：附有搖擺柱的無支撐框架柱和弱支撐框架柱計算長度系數應乘以增大系數η ：

　　其中，Σ（Nf/Hf）為各框架軸心壓力設計值與柱子高度比值之和；Σ（N1/H1)）為搖擺柱軸心壓力設計值與柱子高度比值之和。

　　《門式鋼架輕型房屋鋼結構技術規程》中6.1.3 條規定：當多跨剛架中間柱為搖擺柱時，邊柱計算長度系數應乘以增大系數η。

　�。�2）二階分析法

　　《規范》3.2.8 條規定，對于 的框架結構，需要較精確的考慮框架整體的二階效應，宜采用二階彈性分析，此時應在每層柱頂增加一水平荷載Hni：

　　其中，Qi 為第i 層樓重力荷載設計值； ns 為框架總層數，當 時，取1；αγ為鋼材強度影響系數。

　　當柱軸線壓力設計大于 時，還應在其中央施加水平力0.01N，以考慮P- Δ 效應。

　　P- Δ 效應具有增大側移的作用，即不穩定作用。這一效應對層數多而側向剛度不大的框架影響十分明顯，對一、二層框架影響不大。當采用二階彈性分析方法計算內力，并在每層柱頂考慮假想水平力時，框架計算長度取幾何長度。

　　（3）整體設計法--高等分析法

　　高等分析法在計算過程中不再需要將框架拆卸成為許多柱和橫梁，而是將框架作為一力，使其符合設計要求，因此在計算過程中只用到框架的幾何長度。

　　現在主要有以下幾種高等分析法：1）塑性區法或塑性分布法；2）彈塑性鉸法；3）改進載塑性鉸法；5）再折減切線模量法。

　　5 結語

　　鋼結構在整個設計過程中都應該強調"概念設計"，只有熟練掌握穩定性相關的概念，才能熟知設計中薄弱環節，正確分析和設計。隨著鋼結構的發展，對設計者的要求也越來越高，及時了解鋼結構設計中出現的新問題，有助于提高設計的質量�？傊�，只有深入了解鋼結構設計的相關知識和相關問題才能使鋼結構穩定理論設計不斷完善。

　　參考文獻

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