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【摘 要】钢结构稳定问题是钢结构设计中的突出问题。本文从钢结构失稳的类型入手，阐述了钢结构稳定性的分析方法，最后结合实践经验，提出稳定设计需要注意的问题，并在论述中分析了设计规范中的相关条文的根据及其合理性，对设计人员加深对规范的理解和正确应用具有一定借鉴意义。
【关键词】钢结构；稳定性；设计
钢材是优良的建筑结构材料，当前，随着我国国民经济的快速发展和建筑结构技术的不断创新与应用，出现了许多大跨度和高层高耸的建筑物或构筑物，在这些建筑结构中大量采用了钢结构设计。由于钢材的造价较高，为节省用钢量，在满足要求的前提下，钢构件越来越趋于截面尺寸小、细长和壁薄。而细长且壁薄的杆件很容易发生失稳，若失稳区域扩大则会导致整体结构坍塌。所以，深入研究钢结构的稳定问题和改进设计方法，在工程建设中有重要的现实意义。
１．钢结构失稳类型
区分结构失稳类型的性质极为重要，如此才有可能正确估量结构的稳定承载力。钢结构失稳类型主要如下：一是平衡分岔失稳。完善的(即无缺陷的、挺直的)轴心受压构件和完善的在中面内受压的平板的失稳都属于平衡分岔失稳，理想的受弯构件及受压的圆柱壳的失稳也属于此类失稳形式。二是极值点失稳。由建筑钢材做成的偏心受压构件，在塑性发展到一定程度时丧失稳定的能力，属于这一类。三是跃越失稳。它不同予以上两种类型，既无平衡分岔点，又无极值点，是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态，但和不稳定分岔失稳又有某些相似的现象，都在丧失平衡之后又跳跃到另一个稳定平衡状态。当前，随着稳定问题研究的逐步深入，上述分类看起来已不够了。设计为轴心受压的构件，实际上总不免有一点初弯曲，荷载的作用点也难免有偏心。一方面要真正掌握这种构件的性能，就必须了解缺陷对它的影响，其他构件也都有个缺陷影响问题；另一方面就是深入构件屈曲后性能的研究。
2.钢结构稳定性的分析方法
结构稳定问题的分析方法都是针对在外荷载作用下结构存在变形的条件下进行的，属于几何非线性问题，采用的是二阶分析方法。稳定计算涉及构件或结构的一系列初始条件，如结构体系、构件的几何长度、连接条件、截面的组成、形状、尺寸和残余应力分布，以及钢材性能和外荷载作用等，计算方法主要如下：
2.1平衡法
该法是求解结构稳定极限荷载的最基本方法。是根据已发生了微小变形后结构的受力条件建立平衡微分方程，然后解出临界荷载。在建立平衡微分方程时遵循如下基本假定：(1)构件是等截面直杆。(2)压力始终沿构件原来轴线作用。(3)材料符合胡克定律，即应力与应变成线性关系。(4)构件符合平截面假定，即构件变形前的平截面在形后仍为平截面。(5)构件的弯曲变形是微小的，曲率可以近似地用挠度函数的二阶导数表示。根据以上假定条件，建立平衡微分方程，代人相应的边界条件，即可解得轴压构件的临界荷载。
2.2 能量法
能量法是求解稳定承载力的一种近似方法，通过能量守恒原理和势能驻值原理求解临界荷载。(1)能量守恒原理求解临界荷载。保守体系处在平衡状态时，贮存在结构体系中的应变能等于外力所做的功，即能量守恒原理。其临界状态的能量关系为：△W=△U，式中△U指应变能的增量；△W指外力功的增量。由能量守恒原理可建立平衡微分方程。(2)势能驻值原理求解临界荷载。势能驻值原理指：受外力作用的结构，当位移有微小变化而总势能不变，即总势能有驻值时，结构处于平衡状态。表达式为：d?蒹=dU—dW=0。式中，dU指虚位移引起的结构内应变能的变化，它总是正值；dW指外力在虚位移上作的功。
2.3 动力法
处于平衡状态的结构体系，若施加微小干扰使其发生振动，这时结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关。当荷载小于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相反，因此干扰撤去后，运动趋于静止，结构的平衡状态是稳定的；当荷载大于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相同，即使撤去干扰，运动仍是发散的。因此结构的平衡状态是不稳定的。临界状态的荷载即为结构的屈曲荷载，可由结构的振动频率为零的条件解得。
3.钢结构稳定设计中需注意的问题
关于钢结构稳定设计的特点及原则，已有太多文献资料可供参考，本文不再重复，下面，笔者主要结合设计体会，就稳定设计中需注意的相关问题进行探讨。
3.1 正确选择轴心压受构件的截面类型
一般，钢结构的稳定设计多采用长度系数计算法，该法方便简单，但关键是如何确定构建的截面类型，从而根据构建的长细来确定稳定系数?渍。《钢结构设计规范》中把轴心受压构件的截面分成a、b、c、d四类。设计人员应该明确截面的分类主要是几何缺陷和残余应力对不同截面影响程度不同，其中残余应力起主要作用。不同形状的截面会有不同的残余应力分布，相同形状的截面因成型的方法不同(轧制或焊接)和尺寸比例的不同也使残余应力有很大的不同。对于H形和工字型截面来说，腹板上的残余应力没有翼缘上的影响重要，设计人员应注意翼缘中的残余应力的分布特点和数值(尤其是残余压应力)。
对于轧制H形钢翼缘上的残余压应力很大，对截面绕y轴的刚度削弱很多，对稳定不利，且残余应力大小随着宽高比b/h而异。宽高比越大，翼缘上的残余压应力也越大，因此就轧制H形钢而言，当b/h≤0.8时，对x轴是A类截面，对y轴是B类截面。当b/h≥O.8时，对x轴和y轴都是B类截面；而对于焊接的H形截面来说，焊缝附近有很高的残余拉应力。对于焊接构件，若翼缘板是轧制而成的宽扁钢或是经剪切机剪切时，翼缘两边有很高的残余压应力带，对于y轴的稳定不利，故该截面类型对于x轴和y轴分别属于B、c类；而若翼缘板是火焰切割而成，且未经过刨边，翼缘边缘为残余拉应力，对于y轴稳定就有利得多，故该类型的截面对于x轴和y轴均属B类截面。对于轧制工字钢，因翼缘较厚，故翼缘残余应力全为拉应力，稳定性能良好。但是考虑到轧制工字钢翼缘宽度较小，故对x轴和y轴的稳定计算分别属A和B类。对于钢管残余压应力很小，稳定性能良好，故对x轴和y轴的稳定计算均属A类。对于焊接箱形截面残余压应力的大小主要是和壁板的宽厚比b/t有关，b/t越大，残余应力就越小，故规范按照壁板的宽厚比b/t>20和b/t<20分别属于B和c类截面。截面残余应力主要是因为在轧制过程中不均匀冷却造成的。宽翼缘的H形钢翼缘和腹板交接处的材料最厚，冷却最慢，其翼缘的残余应力分布和板类似，但腹板两端受拉。普通的工字形钢翼缘厚而窄，冷却得慢，最后呈现残余拉应力，而腹板上大部分是残余压应力。另外，一般来说，板件的厚度越大，残余应力就越大，且有沿着厚度变化的特点，导致其抗压性能有别于一般的压杆。这主要是钢材在轧制过程中可以破坏钢锭的铸造组织，细化钢材的晶粒，并消除显微组织的缺陷。经过热轧后，钢材组织密实，力学性能得到改善。所以规范中把板件的厚度大于或等于40 mm的厚壁构件用表列出来，且其中有两种情况属于D类。
3.2结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致
杆件稳定计算的常用计算方法，往往是根据一定的简化和假设或是典型情况得到的，设计者须明确所设计的结构符合这些假设才能正确使用。当计算的对象和实用计算方法的简图有差别时，设计人员应对简图的差异造成的后果作到心中有数。如：框架柱稳定计算所用的计算长度系数是针对横梁不承受轴力的情况得出的。若横梁承受比较大的轴压力时，采用这些数据就会得出不安全的后果。所以规范附录(规范P13-P135)说明：“当与柱刚性连接的横梁所受轴心压力N比较大时，横梁线刚度应该乘以折减系数。”
对于无侧移框架柱：当与柱子刚性连接的横梁所受轴心压力N较大时： =1-N/N;横梁远端嵌固时：=1-N/(2N)。
对于有侧移框架柱：横梁远端与柱刚接时：=1-N/(4N)；横梁远端铰支时：=1-N/N；横梁远端嵌固时：=1-N/(2N)。
式中，N =EI/l；I为横梁截面的惯性矩；L为横梁的长度。
3.3 设计结构的细部构造和构件的稳定计算相一致，使两者有很好的一致性
例如：按照简支梁计算其稳定性，就要求在细部构造上确保梁端不发生扭转。如果梁端支座不能有效地阻止扭转，则稳定性能将在一定程度上有所降低。
3.4 设置必要的支撑构件确保框架等的杆件不出现出平面失稳现象
平面结构构件的平面稳定计算必须和结构布置相一致。
【参考文献】
［１］陈绍蕃.钢结构设计原理[M].科学出版社，2000.
［２］夏志斌，潘有昌.结构稳定理论[M].高等教育出版社,1988．
［３］刁建华.钢结构稳定性分析[J].科技信息，2009，(10)：65.
［４］孙普,张娜.钢结构稳定设计心得[J].建设科技，2009，(4)：49-50.
【关键词】钢结构；稳定性；设计
钢材是优良的建筑结构材料，当前，随着我国国民经济的快速发展和建筑结构技术的不断创新与应用，出现了许多大跨度和高层高耸的建筑物或构筑物，在这些建筑结构中大量采用了钢结构设计。由于钢材的造价较高，为节省用钢量，在满足要求的前提下，钢构件越来越趋于截面尺寸小、细长和壁薄。而细长且壁薄的杆件很容易发生失稳，若失稳区域扩大则会导致整体结构坍塌。所以，深入研究钢结构的稳定问题和改进设计方法，在工程建设中有重要的现实意义。
１．钢结构失稳类型
区分结构失稳类型的性质极为重要，如此才有可能正确估量结构的稳定承载力。钢结构失稳类型主要如下：一是平衡分岔失稳。完善的(即无缺陷的、挺直的)轴心受压构件和完善的在中面内受压的平板的失稳都属于平衡分岔失稳，理想的受弯构件及受压的圆柱壳的失稳也属于此类失稳形式。二是极值点失稳。由建筑钢材做成的偏心受压构件，在塑性发展到一定程度时丧失稳定的能力，属于这一类。三是跃越失稳。它不同予以上两种类型，既无平衡分岔点，又无极值点，是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态，但和不稳定分岔失稳又有某些相似的现象，都在丧失平衡之后又跳跃到另一个稳定平衡状态。当前，随着稳定问题研究的逐步深入，上述分类看起来已不够了。设计为轴心受压的构件，实际上总不免有一点初弯曲，荷载的作用点也难免有偏心。一方面要真正掌握这种构件的性能，就必须了解缺陷对它的影响，其他构件也都有个缺陷影响问题；另一方面就是深入构件屈曲后性能的研究。
2.钢结构稳定性的分析方法
结构稳定问题的分析方法都是针对在外荷载作用下结构存在变形的条件下进行的，属于几何非线性问题，采用的是二阶分析方法。稳定计算涉及构件或结构的一系列初始条件，如结构体系、构件的几何长度、连接条件、截面的组成、形状、尺寸和残余应力分布，以及钢材性能和外荷载作用等，计算方法主要如下：
2.1平衡法
该法是求解结构稳定极限荷载的最基本方法。是根据已发生了微小变形后结构的受力条件建立平衡微分方程，然后解出临界荷载。在建立平衡微分方程时遵循如下基本假定：(1)构件是等截面直杆。(2)压力始终沿构件原来轴线作用。(3)材料符合胡克定律，即应力与应变成线性关系。(4)构件符合平截面假定，即构件变形前的平截面在形后仍为平截面。(5)构件的弯曲变形是微小的，曲率可以近似地用挠度函数的二阶导数表示。根据以上假定条件，建立平衡微分方程，代人相应的边界条件，即可解得轴压构件的临界荷载。
2.2 能量法
能量法是求解稳定承载力的一种近似方法，通过能量守恒原理和势能驻值原理求解临界荷载。(1)能量守恒原理求解临界荷载。保守体系处在平衡状态时，贮存在结构体系中的应变能等于外力所做的功，即能量守恒原理。其临界状态的能量关系为：△W=△U，式中△U指应变能的增量；△W指外力功的增量。由能量守恒原理可建立平衡微分方程。(2)势能驻值原理求解临界荷载。势能驻值原理指：受外力作用的结构，当位移有微小变化而总势能不变，即总势能有驻值时，结构处于平衡状态。表达式为：d?蒹=dU—dW=0。式中，dU指虚位移引起的结构内应变能的变化，它总是正值；dW指外力在虚位移上作的功。
2.3 动力法
处于平衡状态的结构体系，若施加微小干扰使其发生振动，这时结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关。当荷载小于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相反，因此干扰撤去后，运动趋于静止，结构的平衡状态是稳定的；当荷载大于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相同，即使撤去干扰，运动仍是发散的。因此结构的平衡状态是不稳定的。临界状态的荷载即为结构的屈曲荷载，可由结构的振动频率为零的条件解得。
3.钢结构稳定设计中需注意的问题
关于钢结构稳定设计的特点及原则，已有太多文献资料可供参考，本文不再重复，下面，笔者主要结合设计体会，就稳定设计中需注意的相关问题进行探讨。
3.1 正确选择轴心压受构件的截面类型
一般，钢结构的稳定设计多采用长度系数计算法，该法方便简单，但关键是如何确定构建的截面类型，从而根据构建的长细来确定稳定系数?渍。《钢结构设计规范》中把轴心受压构件的截面分成a、b、c、d四类。设计人员应该明确截面的分类主要是几何缺陷和残余应力对不同截面影响程度不同，其中残余应力起主要作用。不同形状的截面会有不同的残余应力分布，相同形状的截面因成型的方法不同(轧制或焊接)和尺寸比例的不同也使残余应力有很大的不同。对于H形和工字型截面来说，腹板上的残余应力没有翼缘上的影响重要，设计人员应注意翼缘中的残余应力的分布特点和数值(尤其是残余压应力)。
对于轧制H形钢翼缘上的残余压应力很大，对截面绕y轴的刚度削弱很多，对稳定不利，且残余应力大小随着宽高比b/h而异。宽高比越大，翼缘上的残余压应力也越大，因此就轧制H形钢而言，当b/h≤0.8时，对x轴是A类截面，对y轴是B类截面。当b/h≥O.8时，对x轴和y轴都是B类截面；而对于焊接的H形截面来说，焊缝附近有很高的残余拉应力。对于焊接构件，若翼缘板是轧制而成的宽扁钢或是经剪切机剪切时，翼缘两边有很高的残余压应力带，对于y轴的稳定不利，故该截面类型对于x轴和y轴分别属于B、c类；而若翼缘板是火焰切割而成，且未经过刨边，翼缘边缘为残余拉应力，对于y轴稳定就有利得多，故该类型的截面对于x轴和y轴均属B类截面。对于轧制工字钢，因翼缘较厚，故翼缘残余应力全为拉应力，稳定性能良好。但是考虑到轧制工字钢翼缘宽度较小，故对x轴和y轴的稳定计算分别属A和B类。对于钢管残余压应力很小，稳定性能良好，故对x轴和y轴的稳定计算均属A类。对于焊接箱形截面残余压应力的大小主要是和壁板的宽厚比b/t有关，b/t越大，残余应力就越小，故规范按照壁板的宽厚比b/t>20和b/t<20分别属于B和c类截面。截面残余应力主要是因为在轧制过程中不均匀冷却造成的。宽翼缘的H形钢翼缘和腹板交接处的材料最厚，冷却最慢，其翼缘的残余应力分布和板类似，但腹板两端受拉。普通的工字形钢翼缘厚而窄，冷却得慢，最后呈现残余拉应力，而腹板上大部分是残余压应力。另外，一般来说，板件的厚度越大，残余应力就越大，且有沿着厚度变化的特点，导致其抗压性能有别于一般的压杆。这主要是钢材在轧制过程中可以破坏钢锭的铸造组织，细化钢材的晶粒，并消除显微组织的缺陷。经过热轧后，钢材组织密实，力学性能得到改善。所以规范中把板件的厚度大于或等于40 mm的厚壁构件用表列出来，且其中有两种情况属于D类。
3.2结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致
杆件稳定计算的常用计算方法，往往是根据一定的简化和假设或是典型情况得到的，设计者须明确所设计的结构符合这些假设才能正确使用。当计算的对象和实用计算方法的简图有差别时，设计人员应对简图的差异造成的后果作到心中有数。如：框架柱稳定计算所用的计算长度系数是针对横梁不承受轴力的情况得出的。若横梁承受比较大的轴压力时，采用这些数据就会得出不安全的后果。所以规范附录(规范P13-P135)说明：“当与柱刚性连接的横梁所受轴心压力N比较大时，横梁线刚度应该乘以折减系数。”
对于无侧移框架柱：当与柱子刚性连接的横梁所受轴心压力N较大时： =1-N/N;横梁远端嵌固时：=1-N/(2N)。
对于有侧移框架柱：横梁远端与柱刚接时：=1-N/(4N)；横梁远端铰支时：=1-N/N；横梁远端嵌固时：=1-N/(2N)。
式中，N =EI/l；I为横梁截面的惯性矩；L为横梁的长度。
3.3 设计结构的细部构造和构件的稳定计算相一致，使两者有很好的一致性
例如：按照简支梁计算其稳定性，就要求在细部构造上确保梁端不发生扭转。如果梁端支座不能有效地阻止扭转，则稳定性能将在一定程度上有所降低。
3.4 设置必要的支撑构件确保框架等的杆件不出现出平面失稳现象
平面结构构件的平面稳定计算必须和结构布置相一致。
【参考文献】
［１］陈绍蕃.钢结构设计原理[M].科学出版社，2000.
［２］夏志斌，潘有昌.结构稳定理论[M].高等教育出版社,1988．
［３］刁建华.钢结构稳定性分析[J].科技信息，2009，(10)：65.
［４］孙普,张娜.钢结构稳定设计心得[J].建设科技，2009，(4)：49-50.