龔海龍，侯舒蘭

中南大學土木建筑學院，湖南長沙 410075

鋼結構穩(wěn)定性設計的研究與分析

龔海龍，侯舒蘭

中南大學土木建筑學院，湖南長沙 410075

本文在分析鋼結構強度與穩(wěn)定的區(qū)別、鋼結構穩(wěn)定性研究中存在的問題、鋼結構設計的原則與特點的基礎上，進一步闡述了鋼結構穩(wěn)定性加固的方法和注意的問題。

鋼結構；結構穩(wěn)定；結構設計；加固

由于設計者的經驗不足及對結構整體和構件的穩(wěn)定性不夠清楚，鋼結構設計中易出現(xiàn)結構失穩(wěn)事故，對于這個問題處理不好，將會造成不應有的嚴重損失。

1 強度與穩(wěn)定的區(qū)別

強度問題是指結構或者單個構件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載所引起的最大應力是否超過建筑材料的極限強度，因此，這是一個應力問題。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(wěn)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(wěn)定平衡狀態(tài)，即變形開始急劇增長的狀態(tài),從而設法避免進入該狀態(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。

2 鋼結構穩(wěn)定性研究中存在的問題

1）目前，大跨度結構設計中取一個統(tǒng)一的穩(wěn)定安全系數(shù)，未反映整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的關聯(lián)性，梁-柱單元不一定能真實反映網殼結構的受力狀態(tài)，主要問題在于如何反映軸力和彎矩的耦合效應，在大跨度結構設計中整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的相互關系也是一個值得探討的問題，預張拉結構體系的穩(wěn)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(wěn)定性。

2）鋼結構體系的穩(wěn)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(shù)、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(shù)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(shù)的結構極值失穩(wěn)、干擾型屈曲、跳躍型失穩(wěn)問題的研究。

3）鋼結構穩(wěn)定理論的不完善，鋼結構設計中一般都是把鋼結構看成是完善的結構體系，在設計中我們沒有考慮一些隨機因素的影響，一般情況下把影響鋼結構穩(wěn)定性隨機因素分為3類：（1）物理、幾何不確定性：如材料(彈性模量，屈服應力，泊松比等)、桿件尺寸、截面積、殘余應力、初始變形等；（2）統(tǒng)計的不確定性：在統(tǒng)計與穩(wěn)定性有關的物理量和幾何量時，總是根據(jù)有限樣本來選擇概率密度分布函數(shù)。因此，帶來一定的經驗性。這種不確定性稱為統(tǒng)計的不確定性，是由于缺乏數(shù)據(jù)造成的；（3）模型的不確定性：為了對結構進行分析，所提的假設、數(shù)學模型、邊界條件以及目前技術水平難以在計算中反映的種種因素，所導致的理論值與實際承載力的差異，都歸結為模型的不確定性。

3 鋼結構設計的原則

1）結構整體布置必須考慮整個體系以及構件局部穩(wěn)定性的要求

保證平面結構不致出出平面失穩(wěn)，需要從結構整體布置來解決，亦即設計必要的支撐構件，平面結構構件的出平面穩(wěn)定計算必須和結構布置相一致，由平面桁架組成的塔架，需要注意桿件的穩(wěn)定和橫隔設置之間的關系。

2）結構計算簡圖和實用計算方法所依據(jù)的簡圖必須一致

目前，任設計單層和多層框架結構時，經常不作框架穩(wěn)定分折而是代之以框架柱的穩(wěn)定計算，在采用這種方法時，計算框架柱穩(wěn)定時用到的柱計算長度系數(shù),自應通過框架整體穩(wěn)定分析得出,才能使柱子的穩(wěn)定計算等效于框架穩(wěn)定計算。然而，實際框架多種多樣，而設計中為了簡化計算工作，需要設定一些不符合實際的典型條件。

3）細部構造結構的設計和構件的穩(wěn)定計算必須一致

對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點連接，應分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節(jié)點應盡量減少桿件偏心這些都是設計者處理構造細部時經?？紤]到的，但是，當涉及穩(wěn)定性能時，構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮，支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉，同時允許梁在水平平面內轉動和梁端截面自由翹曲，以符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。

4 鋼結構穩(wěn)定設計特點

1）失穩(wěn)和整體剛度：現(xiàn)行規(guī)范通用的軸心壓桿的穩(wěn)定計算法是臨界壓力求解法和折減系數(shù)法；2）穩(wěn)定性整體分析：桿件能否保持穩(wěn)定牽涉到結構的整體。穩(wěn)定分析必須從整體著眼；3）穩(wěn)定計算的其它特點：在彈性穩(wěn)定計算中，除了需要考慮結構的整體性外，還有一些其它特點需要引起重視，首先要做的就是二階分析，這種分析對柔性構件尤為重要，這是因為柔性構件的大變形量對結構內力產生了不能忽視的影響；其次，普遍用于應力問題的迭加原理。

5 鋼結構加固方法

鋼結構加固的主要方法有：減輕荷載、改變結構計算圖形、加大原結構構件截面和連接強度、阻止裂紋擴展等。當有成熟經驗時，亦可采用其它加固方法。

5.1 改變結構計算圖形

改變結構計算圖形的加固方法是指采用改變荷載分布狀況、傳力途徑、節(jié)點性質和邊界條件，增設附加桿件和支撐、施加預應力、考慮空間協(xié)同工作等措施對結構進行加固的方法，增加支撐形成空間結構并按空間結構驗算，加設支撐增加結構剛度,或者調整結構的自振頻率等以提高結構承載力和改善結構動力特性，增設支撐或輔助桿件使結構的長細比減少以提高其穩(wěn)定性，在排架結構中重點加強某一列柱的剛度，使之承受大部分水平力，以減輕其它柱列的負荷，在塔架等結構中設置拉桿或適度張緊的拉索以加強結構的剛度。

5.2 對受彎桿件可采用下列改變其截面內力的方法進行加固

改變荷載的分布，例如將一個集中荷載轉化為多個集中荷載，改變端部支承情況，例如變鉸接為剛結，增加中間支座或將簡支結構端部連接成為連續(xù)結構，調整連續(xù)結構的支座位置；將結構變?yōu)閾螚U式結構，施加預應力，加設預應力拉桿。加大構件截面的加固采用加大截面加固鋼構件時，所選截面形式應有利于加固技術要求并考慮已有缺陷和損傷的狀況。

5.3 連接的加固與加固件的連接

鋼結構連接方法,即焊縫、鉚釘、普通螺栓和高強度螺栓連接方法的選擇，應根據(jù)結構需要加固的原因、目的、受力狀況、構造及施工條件，并考慮結構原有的連接方法確定。鋼結構加固一般宜采用焊縫連接、摩擦型高強度螺栓連接,有依據(jù)時亦可采用焊縫和摩擦型高強度螺栓的混合連接。當采用焊縫連接時，應采用經評定認可的焊接工藝及連接材料。

6 結論

鋼結構穩(wěn)定問題是很復雜的，尤其當構件存在初始缺陷、殘余應力以及非線性因素的影響時，就更增加了解決穩(wěn)定問題的難度。另外，在工程結構穩(wěn)定性的研究領域中，還存在很多尚未解決的難題。比如：大跨度橋梁、大跨度薄殼、大跨度大空間網殼、高層與超高層建筑結構的雙重非線性動力穩(wěn)定性等問題，只有深入研究并解決這些難題，鋼結構穩(wěn)定設計理論才會不斷地完善。

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TU2

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1474-6708（2010）22-0024-02