李紅英

（甘肅省建材科研設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730020）

0 引言

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動(dòng)下，人們對(duì)住宅的要求越來(lái)越嚴(yán)格，建筑施工技術(shù)也正在穩(wěn)步提升，確保滿足人們對(duì)住宅的舒適性需求。就目前的情況看，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用較廣，主要是因?yàn)槠渥灾剌p、抗震性能好、施工速度快的顯著特征，同時(shí)采用鋼結(jié)構(gòu)，空間的利用率可以顯著提升，有效控制工程施工成本。在這樣的背景下，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究越來(lái)越多，提高穩(wěn)定性設(shè)計(jì)也是推動(dòng)施工技術(shù)進(jìn)步的重要保障。

1 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的重要性

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性需要有一個(gè)清晰的認(rèn)知，穩(wěn)定性主要是指在外界擾動(dòng)的影響下原始結(jié)構(gòu)能否恢復(fù)如初的良好性能。房屋建筑事關(guān)人民生命財(cái)產(chǎn)的安全性，并且生命周期較長(zhǎng)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)還有可能遭受地震等災(zāi)害的考驗(yàn)，所以鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是非常重要的。鋼結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中，很容易受到本身因素或者是外界環(huán)境的影響，導(dǎo)致穩(wěn)定性降低，因此，在進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮自身因素，又要將其他外界干擾因素考慮進(jìn)去，只有這樣，才能徹底消除安全隱患。

2 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響因素

首先，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性存在較多的影響因素，比如材料的力學(xué)性能、幾何變形、截面特征和初始變形等，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有一定的影響。其次，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和目前穩(wěn)定性的研究成果可以得出結(jié)論，在穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中，支撐體系以及耦合效應(yīng)也是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。通常情況下，針對(duì)一些跨度較大的結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定安全系數(shù)并不能真實(shí)反映出結(jié)構(gòu)的受力情況，存在一定的片面性，并且在預(yù)張拉結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)理論還沒(méi)有完全確定的前提下，無(wú)論是整體穩(wěn)定性還是局部穩(wěn)定性都存在明顯的相互作用關(guān)系，這是鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究需要考慮的問(wèn)題。

3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)需要遵循的原則

首先，在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理選擇鋼結(jié)構(gòu)體系。其次，鋼結(jié)構(gòu)布置要掌握科學(xué)的方法，滿足整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基本要求，做到豎向和水平荷載傳遞途徑。再次，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，盡可能增加結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和構(gòu)件穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有冗余度，避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)體系喪失承載能力。最后，施工過(guò)程中，對(duì)主體結(jié)構(gòu)的受力和變形影響較大的施工環(huán)節(jié)應(yīng)進(jìn)行施工階段驗(yàn)算并進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)研究，避免構(gòu)件在施工過(guò)程產(chǎn)生撓度變形。

4 鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)類(lèi)型

鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)可能是由多種因素引起的，失穩(wěn)現(xiàn)象也是多種多樣的，如果從失穩(wěn)性質(zhì)角度進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)類(lèi)型可以歸納為以下三類(lèi)。

4.1 平衡分岔失穩(wěn)

平衡分岔失穩(wěn)也叫分支點(diǎn)失穩(wěn)，軸心受壓構(gòu)件受壓屈曲以及受彎構(gòu)件屈曲均屬于這一類(lèi)。平衡分岔失穩(wěn)又分為穩(wěn)定分岔失穩(wěn)和不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)。①穩(wěn)定分岔失穩(wěn)，當(dāng)處于臨界狀態(tài)時(shí)，直桿會(huì)逐漸出現(xiàn)微彎的趨勢(shì)，在此之后，形變將會(huì)進(jìn)一步加?。虎诓环€(wěn)定分岔失穩(wěn)。這種失穩(wěn)情況主要表現(xiàn)為當(dāng)結(jié)構(gòu)屈曲后，平衡位形才能得到較好的維持。平衡分岔失穩(wěn)見(jiàn)圖1。

4.2 極值點(diǎn)的失穩(wěn)

在鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問(wèn)題中，極值點(diǎn)失穩(wěn)也稱(chēng)無(wú)平衡分岔穩(wěn)定問(wèn)題。極值點(diǎn)失穩(wěn)是指鋼結(jié)構(gòu)的偏心受壓構(gòu)件在荷載開(kāi)始作用時(shí)保持彎曲形式平衡直到臨界狀態(tài)終止。極值點(diǎn)失穩(wěn)的現(xiàn)象是比較常見(jiàn)的，例如一些軸壓構(gòu)件由于初曲折或初偏疼等問(wèn)題而呈現(xiàn)失穩(wěn)狀況。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)平面內(nèi)失穩(wěn)特征

4.3 躍越失穩(wěn)

除以上兩種失穩(wěn)外，跨越失穩(wěn)也屬于常見(jiàn)的失穩(wěn)類(lèi)型，它既無(wú)平衡分岔點(diǎn)也無(wú)極值點(diǎn)，是一種跳躍式失穩(wěn)。如圖2 所示，結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到某種作用力的影響，會(huì)產(chǎn)生撓度w，這種撓度會(huì)導(dǎo)致發(fā)生形變[2]。這種失穩(wěn)狀態(tài)在業(yè)界被稱(chēng)為跨越失穩(wěn)，跨越失穩(wěn)具有顯著特征，既沒(méi)有分岔點(diǎn)，同時(shí)極值點(diǎn)也不存在，在平衡喪失之后，可以最快速度實(shí)現(xiàn)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)。一般網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)屬于跨越失穩(wěn)。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)跨越失穩(wěn)

5 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算方法

現(xiàn)階段，關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題都是圍繞外荷載作用展開(kāi)的，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算方法可以總結(jié)為以下兩種。

5.1 動(dòng)力法

動(dòng)力法也叫能量守恒法。在實(shí)際操作中，施加微小作用力就可以對(duì)其造成干擾，讓結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)，此時(shí)的變形和振動(dòng)是與結(jié)構(gòu)荷載有關(guān)的[3]。通過(guò)研究表明，當(dāng)荷載值從某種意義上來(lái)說(shuō)小于極限值時(shí)，加速度和變形兩者的方向是不一致的，基于這樣的前提，等干擾消失后，運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)會(huì)逐漸趨于靜止，并始終保持平穩(wěn)的狀態(tài)，可以從這一層面表明，結(jié)構(gòu)始終處于平衡狀態(tài)，并相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)荷載大于極限值就會(huì)出現(xiàn)相反的情況，加速度的方向?qū)?huì)與變形方向保持一致，當(dāng)處于這種狀態(tài)下，即使干擾撤去，也不會(huì)影響運(yùn)動(dòng)到持續(xù)發(fā)散，因此，此時(shí)的平衡狀態(tài)相對(duì)不平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性增大。

5.2 平衡法

除了上述方法外，平衡法也是比較常見(jiàn)的，可以細(xì)分為中性平衡法，在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)比較明顯，是最基本的求解方法，具有一定的針對(duì)性，可以有效解決彈性穩(wěn)定問(wèn)題（平衡分岔點(diǎn)），通常情況下，在分岔點(diǎn)附近會(huì)有兩個(gè)平衡狀態(tài)存在，通過(guò)建立平衡方程，最終得到理論數(shù)值。如果方程最終的解不止一個(gè)，就要選擇方程的解的最小數(shù)值，將其作為分岔屈曲荷載。

6 提高鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的措施

6.1 增加結(jié)構(gòu)冗余度

在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的相關(guān)設(shè)計(jì)工作中，需要掌握鋼結(jié)構(gòu)的整體框架理論，在此基礎(chǔ)上通過(guò)科學(xué)的穩(wěn)定性計(jì)算，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和加強(qiáng)：①增設(shè)柱間支撐、屋面支撐，以提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性；②增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接，做到強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件；③在依靠計(jì)算軟件的同時(shí)注重概念設(shè)計(jì)，必要時(shí)根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)；④合理選擇結(jié)構(gòu)體系，做到布局合理，避免結(jié)構(gòu)剛度突變。

6.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立完善的預(yù)張拉結(jié)構(gòu)理論體系

關(guān)于穩(wěn)定性的加固設(shè)計(jì)可以從多方面入手，例如：結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形優(yōu)化、減輕結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重等，確保建筑施工的安全性以及建筑工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其中鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)屬于一種比較常見(jiàn)的手段，主要是借助荷載分布的基本情況和邊界條件等，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定型設(shè)計(jì)中，充分考慮預(yù)張拉力結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，嚴(yán)格按照預(yù)張拉結(jié)構(gòu)理論體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，加強(qiáng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的測(cè)試，確保建筑鋼結(jié)構(gòu)符合穩(wěn)定性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

6.3 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和構(gòu)件的局部穩(wěn)定

建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性問(wèn)題逐漸呈現(xiàn)出來(lái)，為了提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要正確的理解穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法，掌握穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，重視建筑整體與局部穩(wěn)定性之間的關(guān)系，加強(qiáng)對(duì)不確定性因素的控制，完成穩(wěn)定性設(shè)計(jì)后，做好相關(guān)性、力學(xué)性能試驗(yàn)，降低不確定因素對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)目標(biāo)要求開(kāi)展設(shè)計(jì)活動(dòng)，進(jìn)而從根本上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的提升。

7 結(jié)語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題較為復(fù)雜，就目前情況看，在穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中，需要考慮多種因素，鋼結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性存在許多干擾因素，這給穩(wěn)定性設(shè)計(jì)增加了困難，因此，需要結(jié)構(gòu)工程師對(duì)影響穩(wěn)定性的因素以及設(shè)計(jì)原則深入分析，結(jié)合結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的各種情況，對(duì)失穩(wěn)問(wèn)題進(jìn)行規(guī)避，克服設(shè)計(jì)缺陷，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。