【摘 要】 隨著經(jīng)濟建設(shè)進程的加快，建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)的規(guī)模與體系也得到了迅速的發(fā)展。建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)的廣泛運用，對于使用鋼結(jié)構(gòu)理論的建筑設(shè)計也日趨科學化和體系化。鋼結(jié)構(gòu)和以前傳統(tǒng)的建筑材料相比，具有強度比較高、重量較輕、塑性和韌性較好、施工時間較短等特點，并且可以達到節(jié)能減排的作用。因此，建筑鋼材料被廣泛的應(yīng)用到建筑工程當中。雖然其優(yōu)點不少，然而其穩(wěn)定性的控制也是鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計中需要解決的重要問題。若不加以重視，一旦出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)事故，一方面會帶來嚴重的經(jīng)濟損失，另一方面也會造成人員的傷亡。因此，需要牢牢把握鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】 建筑工程；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計；穩(wěn)定性；設(shè)計要點

引言：

與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有減少工程成本、提高抗震強度、節(jié)省空間等優(yōu)點。高強度鋼材的使用，施工技術(shù)的發(fā)展以及電子計算機的應(yīng)用使鋼結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展和廣泛應(yīng)用成為可能。鋼結(jié)構(gòu)日益發(fā)展的同時鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題也日益增多，穩(wěn)定性是一個突出問題。本文主要就對建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定性與設(shè)計要點進行分析。

一、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的基本概念

（一）強度與穩(wěn)定的區(qū)別

強度問題指結(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，極限強度取決于材料的特性，對混凝土等脆性材料取它的最大強度，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(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)，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。

（二）鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的類型

1、穩(wěn)定分岔失穩(wěn)。按照結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析理論，結(jié)構(gòu)在達到臨界狀態(tài)時，從未屈曲的平衡位形過渡到無限臨近的屈曲平衡位形，即由直桿而出現(xiàn)微彎。此后，變形的進一步增大，要求荷載增加。直桿軸心受壓和平板在中面受壓，都屬于這種情況。板的屈曲后強度比較顯著，在工程設(shè)計中往往可以利用。

2、不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)屈曲后只能在遠比臨界荷載低的條件下才能維持平衡位形。屬于這種情況的有承受軸向荷載的圓柱殼和承受均勻外布壓力的外球殼，鋼結(jié)構(gòu)常用的綴條柱和圓柱殼很相似。薄壁型鋼方管壓桿也在一定條件下表現(xiàn)出類似特性。這種屈曲也叫做“有限干擾屈曲”，因為在有限干擾下，在達到分岔屈曲荷載前就可能由未屈曲平衡位形轉(zhuǎn)到非臨近的屈曲平衡位形。

3、極值點失穩(wěn)。極值點失穩(wěn)是指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了穩(wěn)定的能力，發(fā)生失穩(wěn)時的荷載值就是構(gòu)件的實際極限荷載，這類的平衡狀態(tài)是漸變的，與平衡分岔失穩(wěn)具有本質(zhì)的區(qū)別。

4、跨越失穩(wěn)?？缭绞Х€(wěn)不存在平衡分岔點，也沒有極值點，是失穩(wěn)發(fā)生后又跳躍到另一個穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。

二、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定性與設(shè)計原則

強度、剛度和穩(wěn)定性是三個不同的概念，強度表示結(jié)構(gòu)中的材料能夠承受的最大應(yīng)力，剛度表示其抵抗變形的能力，失穩(wěn)表示結(jié)構(gòu)不再能夠保持原來的平衡狀態(tài)繼續(xù)承受附加荷載（雖然此時最大應(yīng)力達不到材料的屈服強度）。強度和穩(wěn)定性代表結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，即結(jié)構(gòu)不再有繼續(xù)承受荷載、抵抗進一步變形的能力，剛度到了零的狀態(tài)。因此剛度這一概念對于描述結(jié)構(gòu)的狀態(tài)更為重要，剛度是結(jié)構(gòu)居第一位的性質(zhì)。借助剛度概念，強度和穩(wěn)定性的概念可以統(tǒng)一。

為了更好的保證鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計中構(gòu)件的穩(wěn)定性，實際設(shè)計時必須遵守以下三項原則。

（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。目前結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決，亦即設(shè)計必要的支撐構(gòu)件。這就是說，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計算必須和結(jié)構(gòu)布置相一致。

（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。目前設(shè)計單層和多層框架結(jié)構(gòu)時，經(jīng)常不作框架穩(wěn)定分析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(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出，才能使柱穩(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(shè)計中為了簡化計算工作，需要設(shè)定一些典型條件。

（3）滿足構(gòu)件的穩(wěn)定計算必須與設(shè)計結(jié)構(gòu)的細部構(gòu)造保持一致，在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，要使得構(gòu)造設(shè)計和結(jié)構(gòu)計算相互匹配。設(shè)計者要區(qū)分某些節(jié)點的連接是否傳遞彎矩，從而針對性的賦予其足夠的柔度和強度。設(shè)計者注意構(gòu)件細部的設(shè)計與處理，如設(shè)計桁架節(jié)點時，要注意減少桿件偏心的問題等。

三、建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定性與設(shè)計要點

（一）建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的特點

建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的特點主要表現(xiàn)為：

（1）鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，在形式上具有多樣化特點。有時，某一部位從表面上看并不受壓或不是主要受壓，但仍然會出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)問題。例如在簡支鋼板梁的端部復(fù)板處，一般情況下彎曲正應(yīng)力較小，比較大的是剪應(yīng)力。然而，縱橫兩個方向的剪應(yīng)力相結(jié)合，就可能形成較大的斜向壓應(yīng)力，并導(dǎo)致復(fù)板局部失穩(wěn)。此外，結(jié)構(gòu)的某些部位也有可能隨結(jié)構(gòu)變形由不受壓變?yōu)槭軌憾鴮?dǎo)致失穩(wěn)。

（2）對于結(jié)構(gòu)來說，它是由各個桿件組成為一個整體的。當一個桿件發(fā)生失穩(wěn)變形后，它必然牽動和它剛性連接的其他桿件。因此，桿件的穩(wěn)定性不能就某一根桿件去孤立地分析，應(yīng)當考慮其他桿件對它的約束作用。這種約束作用是要從結(jié)構(gòu)的整體分析來確定的，這就是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的整體性問題。

（3）穩(wěn)定的相關(guān)性，指不同失穩(wěn)模式的偶合作用。例如，單軸對稱的軸心受壓構(gòu)件，當在對稱平面外失穩(wěn)時，呈現(xiàn)既彎又扭的變形，它是彎曲和扭轉(zhuǎn)的相關(guān)屈曲。另外，局部和整體穩(wěn)定的相關(guān)，還常見于冷彎薄避型鋼構(gòu)件。其壁板的局部屈曲一般并不立刻導(dǎo)致整體構(gòu)件喪失承載能力，但它對整體穩(wěn)定臨界力卻有影響。對于存在缺陷的桿件來說，局部和整體之間相互影響更具有復(fù)雜性。

（4）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(jié)構(gòu)的整體性外，還要做二階分析，這種分析對柔性構(gòu)件尤為重要，這是因為柔性構(gòu)件的大變形量對結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生了不能忽視的影響，其次，普遍用于應(yīng)力問題的迭加原理，在彈性穩(wěn)定計算中不能應(yīng)用。

（二）鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的計算方法

（1）整體剛度計算。在現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)計算規(guī)范中，通用的計算方法是軸心壓桿穩(wěn)定計算方法，其主要采用是折減系數(shù)方法和臨界壓力求解法。其中，臨界壓力由歐拉公式給出。（2）整體穩(wěn)定性分析。鋼結(jié)構(gòu)建筑是由多種構(gòu)件共同組成的一個整體，其整體穩(wěn)定性受各種構(gòu)件的制約較大，各構(gòu)件之間是否具有良好的穩(wěn)定性，是確保鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的前提基礎(chǔ)。所以，應(yīng)對其整體穩(wěn)定性進行分析。（3）其他特點的穩(wěn)定計算。鋼結(jié)構(gòu)的各種組成構(gòu)件又能分為兩大類，為彈性構(gòu)件和柔性構(gòu)件，因而，在進行鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性時應(yīng)重視這一特點。由于柔性構(gòu)件容易發(fā)生變形，進而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部也發(fā)生變化，最終對鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴重的影響，所以，必須重視柔性構(gòu)件的分析。

（三）鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析方法

（1）靜力法。靜力法的分析原理是結(jié)合已經(jīng)出現(xiàn)了微小變形后的一些結(jié)構(gòu)受力的條件，并根據(jù)這些條件來建立相對平衡的微分方程。通過建立的微分方程仔細的計算出構(gòu)件受力的臨界相關(guān)荷載。在實際中應(yīng)用靜力法構(gòu)件平衡微分方程時，應(yīng)遵循相關(guān)設(shè)定，具體表現(xiàn)為：直桿構(gòu)件應(yīng)該為截面，其壓力應(yīng)始終遵循之前的軸線進行作用。（2）動力法。當鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系處于平衡狀態(tài)下時，若是受到一定的干擾，那么整個結(jié)構(gòu)體系就會產(chǎn)生振動，這時應(yīng)采用動力法對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行分析。鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性與其所承受的荷載有著密切關(guān)聯(lián)，在鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形以及鋼結(jié)構(gòu)振動加速時，這種聯(lián)系更加緊密。若是鋼結(jié)構(gòu)所承受的荷載值低于鋼結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性的極限荷載值時，會出現(xiàn)加速度和之前的鋼結(jié)構(gòu)變形的具體方向相反的狀況。（3）能量法。若是在實際應(yīng)用中鋼結(jié)構(gòu)載著保守力并且已經(jīng)具備結(jié)構(gòu)變形的相關(guān)受力條件，那么就能以此條件構(gòu)建總體勢能。如果要計算鋼結(jié)構(gòu)的總體勢能，則必須滿足一個前提條件，即鋼結(jié)構(gòu)處于相對平衡的狀態(tài)下。

四、高層鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)具有承載力高、抗震性能好、施工周期短等特點，特別適用于高聳的高層建筑。在高層鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，節(jié)點連接良好的抗震設(shè)計是保證結(jié)構(gòu)安全的重要一環(huán)。連接節(jié)點應(yīng)滿足強度、延性和耗能能力三方面的要求，其連接強度應(yīng)高于相連構(gòu)件端部的屈服承載力，并且必須有較大的變形能力，用以彌補強度方面的缺陷。鋼材本身具有很好的延性，但這種延性在結(jié)構(gòu)中不一定能體現(xiàn)出來，這主要是由于節(jié)點局部壓曲和脆性破壞而造成的，因此在設(shè)計中應(yīng)采用合理的細部構(gòu)造，避免應(yīng)變集中而形成較大的約束應(yīng)力。在鋼材的選用上應(yīng)滿足強度、塑性、韌性及可焊性的要求。鋼材強度指的是抗拉強度和屈服強度，鋼材應(yīng)具有較高的強屈比，其屈服強度的上限值和下限值應(yīng)適當。鋼材的塑性表現(xiàn)在伸長率和冷彎性能兩項指標上，反映鋼材承受殘余變形量的程度及塑性變形能力。對抗震結(jié)構(gòu)還必須滿足沖擊韌性的要求。鋼材另一重要的基本要求是對化學成分含量的限制，它將直接影響結(jié)構(gòu)的可焊性，應(yīng)控制鋼材的碳當量。在高層鋼結(jié)構(gòu)中，厚鋼板的應(yīng)用較為廣泛，在梁一柱節(jié)點范圍，當節(jié)點約束較強，板厚等于或大于40mm時，應(yīng)附加要求板厚方向的斷面收縮率，以防發(fā)生平行于鋼材表面的層狀撕裂現(xiàn)象。

五、結(jié)語

總的來說，社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展帶動了建筑行業(yè)的前行，同時對于建筑工程本身結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性能提出了更高的要求。建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計對于建筑整體的安全穩(wěn)定性能起到支撐性的重要作用，與人民群眾的生命安全和建筑工程的經(jīng)濟收益有著緊密的關(guān)聯(lián)，因此需要建筑工程設(shè)計人員給予足夠的重視。

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