鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的心得

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的心得

【摘要】鋼結(jié)構(gòu)因具有自重輕、強(qiáng)度高、工業(yè)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用，另一方面，因其結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞造成的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失的事故案例也常有耳聞，而失穩(wěn)破壞的原因通常是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷所致。論文通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的概念、原則及分析方法的總結(jié)，結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)踐談?wù)剬?duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的體會(huì)。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性設(shè)計(jì)；細(xì)部構(gòu)造

穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容之一，現(xiàn)實(shí)生活中因鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成的工程事故案例也較多，如美國哈特福特城的體育館平面92m×110m的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，突然于1978年墜落地面，原因是由于壓桿屈曲失穩(wěn)；1988年我國也曾發(fā)生132m×180m鋼網(wǎng)架因腹桿穩(wěn)定不足在施工過程中塌落的事故；201*年1月3日下午，昆明新機(jī)場(chǎng)38m鋼結(jié)構(gòu)橋跨突然垮塌，造成7人死亡、8人重傷、26人輕傷，原因是橋下鋼結(jié)構(gòu)支撐體系突然失穩(wěn)，8m高的橋面隨即垮塌下來。從上述案例可以看出，鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的原因通常是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷所致，要從根本上杜絕此類事故的發(fā)生，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。1、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的概念

1.1強(qiáng)度與穩(wěn)定的區(qū)別強(qiáng)度是指結(jié)構(gòu)或者單個(gè)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(qiáng)度，因此它是一個(gè)應(yīng)力問題。極限強(qiáng)度的取值因材料的特性不

同而異，對(duì)鋼材是取它的屈服點(diǎn)。穩(wěn)定主要是找出外部荷載與結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力間不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，即變形開始急劇增長而需設(shè)法避免進(jìn)入的狀態(tài)，因此它是一個(gè)變形問題。例如軸壓柱，當(dāng)失穩(wěn)時(shí)柱的側(cè)向撓度使柱中增加很大的附加彎矩，從而柱子的破壞荷載可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它的軸壓強(qiáng)度，此時(shí)，失穩(wěn)是柱子破壞的主要原因。1.2鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的分類1）有平衡分岔的穩(wěn)定問題（分支點(diǎn)失穩(wěn)）。完善直桿軸心受壓時(shí)的屈曲和平板中面受壓時(shí)的屈曲均屬于這一類。2）無平衡分岔的穩(wěn)定問題（極值點(diǎn)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(shí)喪失穩(wěn)定的能力，屬于這一類。3）跳躍失穩(wěn)是一種不同于以上兩種類型的穩(wěn)定問題，它是在喪失穩(wěn)定平衡之后跳躍到另一個(gè)穩(wěn)定平衡狀態(tài)。2、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的原則

2.1鋼結(jié)構(gòu)布置必須考慮整個(gè)體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求目前鋼結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計(jì)的，如桁架和框架。保證這些平面結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決，如增加必要的支撐構(gòu)件等。要求平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面穩(wěn)定計(jì)算需與結(jié)構(gòu)布置相一致。

2.2結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖需與實(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡(jiǎn)圖一致當(dāng)設(shè)計(jì)單層或多層框架結(jié)構(gòu)時(shí)，通常不做框架穩(wěn)定分析而只做框架柱的穩(wěn)定計(jì)算。采用這種方法計(jì)算框架柱穩(wěn)定時(shí)用到的柱計(jì)算長度系數(shù)，應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出，使柱穩(wěn)定計(jì)算等效于框架穩(wěn)定計(jì)算�！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（gb50017-201*）對(duì)單層或多層框架給出的

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鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)心得

河北省石油化工設(shè)計(jì)院有限公司天津分公司

摘要：穩(wěn)定問題一直是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一,鋼結(jié)構(gòu)體系的廣泛應(yīng)用凸顯了穩(wěn)定問題研究的重要性和緊迫性。由于鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)、建造以及使用當(dāng)中存在著許多不確定性因素，筆者結(jié)合工作中的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了總結(jié)。關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)，框架，穩(wěn)定性，失穩(wěn)。

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)具有和強(qiáng)度問題不同的特點(diǎn)，在以往的設(shè)計(jì)中，遇到的問題多是小型鋼平臺(tái)，因荷載較小，高度較低，只要滿足強(qiáng)度要求，一般不會(huì)失穩(wěn)。在近幾年的學(xué)習(xí)及工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，認(rèn)識(shí)到保證結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定及其構(gòu)件自身的穩(wěn)定是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中極其重要的內(nèi)容。

經(jīng)過查閱大量鋼結(jié)構(gòu)資料，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)建立起了明確概念，下面是學(xué)習(xí)后總結(jié)的幾點(diǎn)體會(huì)。

1.結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個(gè)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(jì)的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，需要通過結(jié)構(gòu)整體布置來解決，亦即設(shè)置必要的支撐構(gòu)件。這就是說，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面外穩(wěn)定計(jì)算必須和結(jié)構(gòu)布置相一致。例如，大跨度過路管架，一般需要做成桁架的型式，而用PKPM進(jìn)行桁架的設(shè)計(jì)時(shí)，一般只是拿出桁架的一榀來進(jìn)行平面內(nèi)構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算，桁架的平面外穩(wěn)定則需要通過在上下弦分別加設(shè)鋼橫梁及水平支撐來保證。

2．結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖和實(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡(jiǎn)圖相一致，這對(duì)框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算十分重要。

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中很大一部分條文都與穩(wěn)定問題有關(guān)，遵循這些條文規(guī)定，對(duì)防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，當(dāng)然是必不可少的。然而，僅按規(guī)范條文來處理穩(wěn)定問題還很不夠，我們尚需對(duì)條文的規(guī)定有一定深度理解，并且各種因素對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件穩(wěn)定性能的影響也應(yīng)進(jìn)行考慮。結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖和實(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡(jiǎn)圖相一致，這對(duì)框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算十分重要。在設(shè)計(jì)單層和多層框架結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)常不作框架穩(wěn)定性分析，而是代之以框架柱的穩(wěn)定性計(jì)算。在采用這種方法時(shí)，計(jì)算框架柱穩(wěn)定時(shí)，用到的柱計(jì)算長度系數(shù)μ，自應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出，才能使柱穩(wěn)定計(jì)算等效于框架穩(wěn)定計(jì)算，然而，實(shí)際框架多種多樣，而設(shè)計(jì)中為

了簡(jiǎn)化計(jì)算工作，需要設(shè)定一些典型條件。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)單層和多層框架給出的長度系數(shù)μ采用了五條基本假定，其中，包括：“框架中所有柱子是同時(shí)喪失穩(wěn)定的，即各柱同時(shí)達(dá)到其臨近荷載�！卑凑者@條假定，框架各柱的穩(wěn)定參數(shù)φhP/E應(yīng)保持常數(shù)。對(duì)于最簡(jiǎn)單的單層單跨框架來說，就是以對(duì)稱框架作為典型框架。如果結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，或者荷載不對(duì)稱，甚至二者都不對(duì)稱，柱的實(shí)際計(jì)算長度將不同于典型框架。在非對(duì)稱情況下，以單層單跨框架來說，左柱受力為P1，右柱受力為P2，當(dāng)P1>P2時(shí)，左柱趨于先失穩(wěn)。但是，左柱失穩(wěn)而側(cè)移時(shí)，必然要帶動(dòng)右柱一起側(cè)移，而右柱這時(shí)還未達(dá)臨界狀態(tài)，必將對(duì)側(cè)移起阻止作用，從而使左柱推遲失穩(wěn)。這就是說，框架失穩(wěn)是結(jié)構(gòu)的總體問題。由于整體性，左柱得到右柱的支持，它的計(jì)算長度系數(shù)小于規(guī)范給出的數(shù)值。另一方面，右柱要對(duì)左柱提供約束，它的任務(wù)加重，計(jì)算長度系數(shù)大于規(guī)范給出的數(shù)值，其結(jié)果是兩根相同的柱在不同荷載作用下，同時(shí)失穩(wěn)。非對(duì)稱的單層單跨框架的計(jì)算長度系數(shù)可以由把規(guī)范給出的μ系數(shù)乘以一個(gè)修正系數(shù)的辦法來獲得。

對(duì)單層多跨等高框架來說，φ為常數(shù)，相當(dāng)于各柱的P/I相同，圖1所示各柱的Pi/Ii不相同的框架，按規(guī)范算得的各柱的μ系數(shù)就不能完全反映框架失穩(wěn)的實(shí)際情況，需要作出適當(dāng)?shù)男拚�。�?jiǎn)化的修正方法是，對(duì)按規(guī)范得出的μi系數(shù)乘以修正系數(shù)β，從而得出各柱

IiPiTPi的計(jì)算長度系數(shù)μimβμi式中TIi/Mi

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圖1參數(shù)Φ不同的單層框架

P1P2P3

I1I2I3P1/I1P2/I2P3/I

多層框架在柱φ不相等時(shí)也有μ系數(shù)修正問題，框架計(jì)算簡(jiǎn)圖和實(shí)用方法所依據(jù)的簡(jiǎn)圖不一致的情況，還有搖擺柱的框架，這種情況若按規(guī)范μ系數(shù)計(jì)算都會(huì)導(dǎo)致不安全的后果。

搖擺柱是指上下端均為鉸接，且用鉸支橫梁連于剛性節(jié)點(diǎn)的框架如圖2所示。搖擺柱和

框架ABCD連成一體后，并沒有給框架增加新的側(cè)向剛度，但是整個(gè)體系卻增加了新荷載P1.。因此，框架ABCD的側(cè)向剛度不僅要能抵抗本身荷載P1和P2的失穩(wěn)作用，還要加上搖擺柱上的荷載P1的作用。如果在確定AB柱的計(jì)算長度系數(shù)μ時(shí)仍用一般方法，則柱的截面將偏小，解決的辦法是把按不考慮搖擺柱影響的μ系數(shù)修正為μ=μ1+n。式中nP1/P1P2為搖擺柱的荷載和剛接框架的總荷載之比。

P1IbP2P3

BC

IcIc

AD

圖2附有搖擺柱的框架

3.設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算必須相互配合，使二者有一致性。結(jié)構(gòu)計(jì)算和構(gòu)造設(shè)計(jì)應(yīng)相符，對(duì)要求傳遞彎矩和不要求傳遞彎矩的節(jié)點(diǎn)連接，應(yīng)分別賦予它足夠的剛度和柔度，當(dāng)涉及穩(wěn)定性能時(shí)，構(gòu)造上時(shí)常有不同于強(qiáng)度的要求或特殊考慮。對(duì)簡(jiǎn)支粱就抗彎強(qiáng)度來說，對(duì)不動(dòng)鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時(shí)允許在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。然而在處理梁整體穩(wěn)定時(shí)上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止粱繞縱軸扭轉(zhuǎn)，同時(shí)允許梁在水平平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)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。支座采用端板式，上翼緣有窄板連于支承結(jié)構(gòu)，從而有效防止扭轉(zhuǎn)。為了使梁端在自身平面內(nèi)少受約束，可以把窄板的螺栓孔做成長圓型。梁端雖有端板，對(duì)該截面翹曲的約束作用不大。高度不大的梁端加勁肋能夠有效防止梁端的扭轉(zhuǎn)，可以省去上翼緣的連接板。但是，既無上翼連接板又無端加勁肋，梁產(chǎn)生側(cè)移和扭轉(zhuǎn)時(shí)，梁端不能保持不扭，則梁的整體穩(wěn)定承載能力要比按規(guī)范φb系數(shù)算地要低�！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范在第4.2.1和第4.2.2條都注明“應(yīng)采取措施以防止梁端截面的扭轉(zhuǎn)”。

正確進(jìn)行梁整體穩(wěn)定計(jì)算，涉及的構(gòu)造問題很多。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范所規(guī)定的整

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體穩(wěn)定系數(shù)φb適用于等截面的梁包括簡(jiǎn)支梁和懸臂梁。因此，凡截面變化的梁和端部（或其他部位）有削弱的梁規(guī)范的系數(shù)φb系數(shù)都不適用。從梁的抗彎強(qiáng)度來說，當(dāng)彎矩圖變化時(shí)梁截面可以相應(yīng)變化，但是，如果設(shè)計(jì)時(shí)是梁整體穩(wěn)定控制截面，則梁截面不宜變化。

在梁格系中，當(dāng)次梁和主梁表面平齊時(shí)，次梁端部需要切去一部分上翼緣和腹板。這種端部削弱的連接方式不僅使梁端一段內(nèi)截面積減小，并且還造成上翼緣端部可以側(cè)向移動(dòng)的局面。如果次梁跨度小而削弱范圍相對(duì)較長，則次梁整體穩(wěn)定承載力下降相當(dāng)多。雖然，工程中常見的情況是梁格上面鋪有鋼筋混凝土板并與梁牢固連接，使梁整體穩(wěn)定得到保證，但有時(shí)遇到不設(shè)鋼性鋪板的梁格的可能性。有時(shí)，端部削弱的次梁整體穩(wěn)定性即需專門計(jì)算。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們?cè)O(shè)計(jì)人員應(yīng)該明確知道結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性能，以免在設(shè)計(jì)過程中發(fā)生不必要的失穩(wěn)損失�？傊�，熟悉這些特點(diǎn)對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)人員來說是十分有益的，深入理解這些特點(diǎn)有助于設(shè)計(jì)出既能保證穩(wěn)定而又經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理.科學(xué)出版社.201*.23-25.

[2]陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)指南.中國建筑工業(yè)出版社.1995.

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