朱麗娟 祁紅梅

穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)的一個突出問題，在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)中都會遇到，對于這個問題處理不好，將會造成不應(yīng)有的損失。目前，鋼結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)過的失穩(wěn)事故都是由于設(shè)計本身的經(jīng)驗不足，對結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的穩(wěn)定性能不夠清楚，對如何保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定缺少明確概念，造成一般性結(jié)構(gòu)設(shè)計中不應(yīng)有的薄弱環(huán)節(jié)。

1 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的基本概念

1.1 強度與穩(wěn)定的區(qū)別

強度問題是指結(jié)構(gòu)或者單個構(gòu)件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載所引起的最大應(yīng)力(或內(nèi)力)是否超過建筑材料的極限強度，因此是一個應(yīng)力問題。

穩(wěn)定問題，主要是找出外荷載與結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力間的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，即變形開始急劇增長的狀態(tài)，從而設(shè)法避免進入該狀態(tài)，因此，它是一個變形問題。如軸壓柱，由于失穩(wěn)，側(cè)向撓度使柱中增加數(shù)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。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的分類

1)第一類穩(wěn)定問題或者具有平衡分岔的穩(wěn)定問題(也叫分支點失穩(wěn))。完善直桿軸心受壓時的屈曲和完善平板中面受壓時的屈曲都屬于這一類。2)第二類穩(wěn)定問題或無平衡分岔的穩(wěn)定問題(也叫極值點失穩(wěn))。由建筑鋼材做成的偏心受壓構(gòu)件，在塑性發(fā)展到一定程度時喪失穩(wěn)定的能力，屬于這一類。3)躍越失穩(wěn)不同于以上兩種類型，它既無平衡分岔點，又無極值點，它是在喪失穩(wěn)定平衡之后跳躍到另一個穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的原則

1)結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求。2)結(jié)構(gòu)計算簡圖和實用計算方法所依據(jù)的簡圖相一致，這對框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計算十分重要。3)設(shè)計結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計算必須相互配合，使二者有一致性。

2 鋼框架穩(wěn)定性計算方法

2.1 計算長度法

現(xiàn)行GB 50017-2002鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(以下簡稱《規(guī)范》)利用計算長度系數(shù)法對結(jié)構(gòu)中單個柱子穩(wěn)定性進行驗算，從而得出結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。規(guī)范將框架分為無支撐純框架和有支撐框架，當(dāng)采用一階彈性分析方法計算內(nèi)力時，框架柱計算長度系數(shù)μ按規(guī)范查表得出(《規(guī)范》5.3.3條)，也可以利用《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第6.3.2條近似公式計算。

1)有側(cè)移時:

2)無側(cè)移時:

其中，k1，k2分別為交于柱上下兩端的橫梁線剛度之和與柱線剛度之和的比值。

在有側(cè)移失穩(wěn)時，橫梁兩端的轉(zhuǎn)角大小相等、方向相反。缺點:在實際結(jié)構(gòu)中，梁、柱都存在彎矩和彎曲，并非都是理想的無初彎曲構(gòu)件，在查計算長度系數(shù)表時，只考慮直接與柱子相連的橫梁約束作用，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是整層甚至是整個結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，而不是單個柱子失穩(wěn)，而且，結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件在柱子計算長度的確定上經(jīng)常存在困難。

對于以上問題，現(xiàn)在已有成熟的改進方法:

《規(guī)范》5.3.6條規(guī)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(shù)應(yīng)乘以增大系數(shù)η:

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

《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中6.1.3條規(guī)定:當(dāng)多跨剛架中間柱為搖擺柱時，邊柱計算長度系數(shù)應(yīng)乘以增大系數(shù)η(同式(2))。

2.2 二階分析法

P—Δ效應(yīng)具有增大側(cè)移的作用，即不穩(wěn)定作用。這一效應(yīng)對層數(shù)多而側(cè)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(dāng)采用二階彈性分析方法計算內(nèi)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。

2.3 整體設(shè)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，而是將框架作為一個整體結(jié)構(gòu)直接計算其承載力，使其符合設(shè)計要求，因此在計算過程中只用到框架的幾何長度。

現(xiàn)在主要有以下幾種高等分析法:1)塑性區(qū)法或塑性分布法;2)彈塑性鉸法;3)改進彈塑性鉸法;4)等效假想荷載塑性鉸法;5)再折減切線模量法。

3 抗震設(shè)計的穩(wěn)定問題

鋼材具有良好的塑性功能，在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)時，可以考慮結(jié)構(gòu)或構(gòu)件發(fā)生一定的塑性變形。傳統(tǒng)的塑性設(shè)計方法用的是剛塑性設(shè)計，沒有計入P—Δ效應(yīng)，這就使得框架在形成剛塑性機構(gòu)前會在框架平面內(nèi)喪失整體穩(wěn)定，使框架的實際承載能力低于剛塑性機構(gòu)荷載。要解決這一問題有兩種方法:1)采用“簡化的二階矩彈塑性分析法”;2)采用柱穩(wěn)定計算來代替框架的整體穩(wěn)定計算。無論采用哪一種方法，局部屈曲和平面屈曲都須防止。

對于單層框架，如果柱腳是鉸接而非剛接，橫梁的線剛度比柱子的線剛度小，二階效應(yīng)的影響很小?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》用柱子穩(wěn)定計算來代替框架的整體穩(wěn)定計算，可以保證結(jié)構(gòu)的安全度。

塑性設(shè)計對于跨數(shù)較多的框架和單跨框架在穩(wěn)定問題上則有所不同。多跨框架中柱上端所連接的兩根橫梁的彎矩全部或大部分抵消，因此，柱所受的彎矩很小，柱所需的截面也就很小，但是，柱的軸力卻比單跨時大很多。柱的抗側(cè)移能力較弱，這也就是多跨框架必須作穩(wěn)定性驗算的原因。

在輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中也必須考慮抗震設(shè)防?？拐鹪O(shè)計中的穩(wěn)定問題和塑性設(shè)計有不少共同點。根據(jù)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設(shè)計原則，結(jié)構(gòu)在罕遇地震的作用下允許出現(xiàn)塑性變形。對框架結(jié)構(gòu)來說，也就意味著可出現(xiàn)一系列的塑性鉸。

4 結(jié)語

穩(wěn)定問題是很復(fù)雜的，尤其當(dāng)構(gòu)件存在初始缺陷、殘余應(yīng)力以及非線性因素的影響，就更增加了解決穩(wěn)定問題的難度。另外，在工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究領(lǐng)域中，還存在很多尚未解決好的問題。隨著新型鋼結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，我們工程設(shè)計人員應(yīng)該明確在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計中的一些基本概念，以及對新型鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究應(yīng)該了解的一些問題，并且應(yīng)該懂得如何解決這些問題。只有這樣，我們在設(shè)計中才能更好的處理鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題，從而減少經(jīng)濟損失和人員傷亡事故。

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