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【摘 要】钢结构的稳定性能是决定其承载力的一个重要因素，因此论文对钢结构稳定设计提出了在设计过程中设计人员应该明确知道的一些基本概念，以便帮助设计人员在设计中树立正确而完整的稳定分析和稳定设计的理念；随着新型结构不断地出现，在应用过程中，对其性能不够了解、设计经验有缺陷，导致发生失稳事故，因此论文介绍了钢结构设计中可能遇到的稳定问题，以便设计人员在钢结构设计过程中参考。
【关键词】钢结构；结构稳定；失稳结构设计
Experience of Stable Design of Steel Structures
Zhao Hong-yuan
（Shaanxi letter Long Construction Engineering Design Consulting Co.， Ltd Xi'an Shaanxi 710000）
【Abstract】The stability of the steel structure is an important factor in determining its bearing capacity. Therefore， the paper puts forward some basic concepts that the designers should know clearly in the design process in order to help the designers to establish a correct and complete design in the design of the steel structure. Stability analysis and stability of the design concept； with the new structure continues to appear in the application process， its performance is not enough understanding of the design experience is flawed， resulting in the occurrence of instability accidents， so the paper describes the steel structure design may encounter Stability issues， so that designers in the steel structure design process reference.
【Key words】Steel structure；Structural stability；Unstable structure design
1. 引言
鋼结构的稳定问题普遍存在于钢结构设计中，凡是结构的受压部位，在设计时都必须认真考虑其稳定性。每当一种新结构或构件出现时，在应用过程中，因对其性能了解不够或设计经验不足，均有可能发生失稳事故。现代工程史上钢结构失稳造成的事故案例也比较多，如1990年2月16日辽宁某重型机械厂新增会议室，屋盖塌落，造成42人死亡，原因是由于设计者误将宽度只有14.4m重型屋盖结构采用了梭形轻钢屋架，且错用了计算长度系数，造成屋架腹杆平面外出现半波屈曲，导致屋盖迅速塌落；美国Connecticut州Hartford城91.4mx109.7m的体育馆网架，在1978年1月大雪后倒塌，原因是由于设计者只考虑了压杆的弯曲屈曲，没有考虑弯扭屈曲；1957年前苏联古比雪夫列宁冶金厂锻压车间，7榀1200m2屋盖塌落，起因是一对尺寸相同的拉压杆装配颠倒；1974年苏联一个俱乐部观众厅24mx39m钢屋盖倒塌，起因是受力较大的钢屋架端斜杆失稳。从上述案例可以看出，钢结构失稳破坏的原因通常是其结构设计不合理及不确定因素所致，要从根本上杜绝此类事故的发生，钢结构稳定性设计是关键。因此设计者要了解各种情况下失稳的原理，掌握各种稳定设计的要领，以期在设计、施工和使用中能有效地避免失稳事故的发生。
2. 钢结构稳定设计的基本概念
2.1 强度与稳定的区别。
强度问题是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起地最大应力（或内力）是否超过材料的极限强度，因此是一个应力问题。极限强度的取值取决于材料的特性，对钢材则常取它的屈服点。稳定问题则与强度问题不同，它主要是找出外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，因此，它是一个变形问题。
2.2 钢结构失稳的分类。
钢结构的失稳是多种多样的，按其平衡状态，可以分为以下三类：（1）第一类稳定问题或平衡分岔失稳。完善的轴心受压构件和完善的在中面内受压的平板的失稳、理想的受弯构件及受压的圆柱壳等的失稳都属于这一类（2）第二类稳定问题或极值点失稳。非理想轴压或压弯构件塑性发展到一定程度时发生失稳，属于这一类。（3）跃越失稳是一种不同于以上两种类型，它既无分支点，又无极值点，它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态。区分结构失稳类型的性质十分重要，这样才有可能正确估量结构的稳定承载力。实际上这些失稳情况并不是完全独立的，在形式上具有多样化特点。因此，我们要真正掌握各种构件的性能，就必须了解缺陷对它的影响。另一方面就是深入对构件屈曲后性能的研究。
2.3 钢结构设计的原则。
保证结构及其构件的稳定，是钢结构设计的重要内容，在实际设计中处理稳定问题时应遵循以下三个原则：
（1）结构计算简图和实用计算方法（包括规范给出的方法）所依据的简图相一致
当前在设计钢框架时，并不去计算框架本身的稳定性，而是用计算柱子的稳定性来代替，这只是一种简化方法，这种简化只是在符合一定条件时才是精确的，设计者在应用规范时，应该细心谨慎，首先应在考察结构整体性的基础上，再来运用此法。 （2）结构稳定计算和结构布置方案相结合
这个问题是确定桁架、塔架等得杆件处平面稳定时应注意的。问题的核心是结构布置方案是否确实能够对桁架节点提供平面外位移约束。
（3）结构稳定计算和构造设计相符合
结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中大家都注意的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋与它足够的刚度和柔度，对桁架节点应尽量减少杆件偏心这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。但是，当涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。这三个原则说起来很简单，但是在结构设计中违反这三点很容易发生，因此需要加强理解。
2.4 钢结构稳定问题的分析方法。
稳定问题的分析方都是针对着外在荷载作用下结构存在变形的条件下进行的，此变形应该与所研究结构或构件失稳时出现的变形相对应。稳定问题的分析方法有以下三种：
（1）平衡法
平衡法是求解结构稳定极限荷载的最基本的方法。对于有平衡分岔点的弹性稳定问题，在分岔点存在两个极为邻近的平衡状态，一个是原结构的平衡状态，一个是已经有了微小变形的结构的平衡状态。平衡法只能得到临界荷载，不能判别结构平衡状态的稳定性。
（2）能量法
如果结构承受着保守力，可以根据有了变形的结构的受力条件建立总得势能，总的势能是结构的应变能和外力势能两项之和。能量法一般只能获得屈曲荷载的近似解，此方法用于大挠度理论分析，可以判断屈曲后的平衡是否稳定。
（3）动力法
处于平衡状态的结构体系，施加微小干扰使其发生振动，当荷载小于稳定的极限值时，干扰撤去以后，运动趋于静止，结构的平衡状态是稳定的；当荷载大于极限值时，即使将干扰撤去，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屈曲荷载，由结构振动频率为零的条件即可解得。此方法属于结构动力稳定问题。
3. 钢结构稳定性研究中存在的问题
3.1 钢结构体系稳定性研究虽然取得了一定的进展，但也存在一些不容忽视的问题：
（1）目前在网壳结构稳定性的研究中，梁——柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁——柱单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还很难说，主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。
（2）在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题，目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数，未反映整体稳定与局部稳定的关联性。
（3）预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善，目前还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的稳定性。
（4）钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响，目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围，而在实际工程中，由于结构参数的不确定性，会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究。
3.2 实际结构由于存在各种各样的随机缺陷的影响，与理想结构存在差异。对于缺陷敏感性结构，缺陷可能会造成结构稳定性的急剧下降，所以有必要考虑随机参数的影響，引入可靠度分析方法，进行稳定问题的可靠性研究。
3.3 从上面可以看出，在设计中我们应该先影响弄清楚这些随机因素的来源，一般情况下把影响钢结构体系稳定性的不确定因素分为三类：
（1）物理、几何不确定性：如材料（弹性模量，屈服应力，泊松比等）、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等。
（2）统计的不确定性：在统计与稳定性有关的物理量和几何量时，总是根据有限样本来选择概率密度分布函数，因此带来一定的经验性。
（3）模型的不确定性：为了对结构进行分析，所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素，所导致的理论值与实际承载力的差异，都归结为模型的不确定性。以上三类都是钢结构稳定设计中存在的缺陷，只有我们更进一步地深入研究这些不确定因素，钢结构稳定理论和钢结构设计应用上才会更进一步完善。
4. 结束语
防止失稳是钢结构设计的重要任务。设计规范中有关构件计算的条款大多和稳定问题有关，但是仅仅遵守这些条款并不能够保证结构不致失稳，因为规范只涉及最基本的问题，覆盖面不够广，在实际设计中我们设计人员应该明确知道结构构件的稳定性能，树立正确而完整的稳定分析和稳定设计的概念，以免在设计过程中发生不必要的失稳损失。
【关键词】钢结构；结构稳定；失稳结构设计
Experience of Stable Design of Steel Structures
Zhao Hong-yuan
（Shaanxi letter Long Construction Engineering Design Consulting Co.， Ltd Xi'an Shaanxi 710000）
【Abstract】The stability of the steel structure is an important factor in determining its bearing capacity. Therefore， the paper puts forward some basic concepts that the designers should know clearly in the design process in order to help the designers to establish a correct and complete design in the design of the steel structure. Stability analysis and stability of the design concept； with the new structure continues to appear in the application process， its performance is not enough understanding of the design experience is flawed， resulting in the occurrence of instability accidents， so the paper describes the steel structure design may encounter Stability issues， so that designers in the steel structure design process reference.
【Key words】Steel structure；Structural stability；Unstable structure design
1. 引言
鋼结构的稳定问题普遍存在于钢结构设计中，凡是结构的受压部位，在设计时都必须认真考虑其稳定性。每当一种新结构或构件出现时，在应用过程中，因对其性能了解不够或设计经验不足，均有可能发生失稳事故。现代工程史上钢结构失稳造成的事故案例也比较多，如1990年2月16日辽宁某重型机械厂新增会议室，屋盖塌落，造成42人死亡，原因是由于设计者误将宽度只有14.4m重型屋盖结构采用了梭形轻钢屋架，且错用了计算长度系数，造成屋架腹杆平面外出现半波屈曲，导致屋盖迅速塌落；美国Connecticut州Hartford城91.4mx109.7m的体育馆网架，在1978年1月大雪后倒塌，原因是由于设计者只考虑了压杆的弯曲屈曲，没有考虑弯扭屈曲；1957年前苏联古比雪夫列宁冶金厂锻压车间，7榀1200m2屋盖塌落，起因是一对尺寸相同的拉压杆装配颠倒；1974年苏联一个俱乐部观众厅24mx39m钢屋盖倒塌，起因是受力较大的钢屋架端斜杆失稳。从上述案例可以看出，钢结构失稳破坏的原因通常是其结构设计不合理及不确定因素所致，要从根本上杜绝此类事故的发生，钢结构稳定性设计是关键。因此设计者要了解各种情况下失稳的原理，掌握各种稳定设计的要领，以期在设计、施工和使用中能有效地避免失稳事故的发生。
2. 钢结构稳定设计的基本概念
2.1 强度与稳定的区别。
强度问题是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起地最大应力（或内力）是否超过材料的极限强度，因此是一个应力问题。极限强度的取值取决于材料的特性，对钢材则常取它的屈服点。稳定问题则与强度问题不同，它主要是找出外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，因此，它是一个变形问题。
2.2 钢结构失稳的分类。
钢结构的失稳是多种多样的，按其平衡状态，可以分为以下三类：（1）第一类稳定问题或平衡分岔失稳。完善的轴心受压构件和完善的在中面内受压的平板的失稳、理想的受弯构件及受压的圆柱壳等的失稳都属于这一类（2）第二类稳定问题或极值点失稳。非理想轴压或压弯构件塑性发展到一定程度时发生失稳，属于这一类。（3）跃越失稳是一种不同于以上两种类型，它既无分支点，又无极值点，它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态。区分结构失稳类型的性质十分重要，这样才有可能正确估量结构的稳定承载力。实际上这些失稳情况并不是完全独立的，在形式上具有多样化特点。因此，我们要真正掌握各种构件的性能，就必须了解缺陷对它的影响。另一方面就是深入对构件屈曲后性能的研究。
2.3 钢结构设计的原则。
保证结构及其构件的稳定，是钢结构设计的重要内容，在实际设计中处理稳定问题时应遵循以下三个原则：
（1）结构计算简图和实用计算方法（包括规范给出的方法）所依据的简图相一致
当前在设计钢框架时，并不去计算框架本身的稳定性，而是用计算柱子的稳定性来代替，这只是一种简化方法，这种简化只是在符合一定条件时才是精确的，设计者在应用规范时，应该细心谨慎，首先应在考察结构整体性的基础上，再来运用此法。 （2）结构稳定计算和结构布置方案相结合
这个问题是确定桁架、塔架等得杆件处平面稳定时应注意的。问题的核心是结构布置方案是否确实能够对桁架节点提供平面外位移约束。
（3）结构稳定计算和构造设计相符合
结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中大家都注意的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋与它足够的刚度和柔度，对桁架节点应尽量减少杆件偏心这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。但是，当涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。这三个原则说起来很简单，但是在结构设计中违反这三点很容易发生，因此需要加强理解。
2.4 钢结构稳定问题的分析方法。
稳定问题的分析方都是针对着外在荷载作用下结构存在变形的条件下进行的，此变形应该与所研究结构或构件失稳时出现的变形相对应。稳定问题的分析方法有以下三种：
（1）平衡法
平衡法是求解结构稳定极限荷载的最基本的方法。对于有平衡分岔点的弹性稳定问题，在分岔点存在两个极为邻近的平衡状态，一个是原结构的平衡状态，一个是已经有了微小变形的结构的平衡状态。平衡法只能得到临界荷载，不能判别结构平衡状态的稳定性。
（2）能量法
如果结构承受着保守力，可以根据有了变形的结构的受力条件建立总得势能，总的势能是结构的应变能和外力势能两项之和。能量法一般只能获得屈曲荷载的近似解，此方法用于大挠度理论分析，可以判断屈曲后的平衡是否稳定。
（3）动力法
处于平衡状态的结构体系，施加微小干扰使其发生振动，当荷载小于稳定的极限值时，干扰撤去以后，运动趋于静止，结构的平衡状态是稳定的；当荷载大于极限值时，即使将干扰撤去，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屈曲荷载，由结构振动频率为零的条件即可解得。此方法属于结构动力稳定问题。
3. 钢结构稳定性研究中存在的问题
3.1 钢结构体系稳定性研究虽然取得了一定的进展，但也存在一些不容忽视的问题：
（1）目前在网壳结构稳定性的研究中，梁——柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁——柱单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还很难说，主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。
（2）在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题，目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数，未反映整体稳定与局部稳定的关联性。
（3）预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善，目前还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的稳定性。
（4）钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响，目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围，而在实际工程中，由于结构参数的不确定性，会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究。
3.2 实际结构由于存在各种各样的随机缺陷的影响，与理想结构存在差异。对于缺陷敏感性结构，缺陷可能会造成结构稳定性的急剧下降，所以有必要考虑随机参数的影響，引入可靠度分析方法，进行稳定问题的可靠性研究。
3.3 从上面可以看出，在设计中我们应该先影响弄清楚这些随机因素的来源，一般情况下把影响钢结构体系稳定性的不确定因素分为三类：
（1）物理、几何不确定性：如材料（弹性模量，屈服应力，泊松比等）、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等。
（2）统计的不确定性：在统计与稳定性有关的物理量和几何量时，总是根据有限样本来选择概率密度分布函数，因此带来一定的经验性。
（3）模型的不确定性：为了对结构进行分析，所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素，所导致的理论值与实际承载力的差异，都归结为模型的不确定性。以上三类都是钢结构稳定设计中存在的缺陷，只有我们更进一步地深入研究这些不确定因素，钢结构稳定理论和钢结构设计应用上才会更进一步完善。
4. 结束语
防止失稳是钢结构设计的重要任务。设计规范中有关构件计算的条款大多和稳定问题有关，但是仅仅遵守这些条款并不能够保证结构不致失稳，因为规范只涉及最基本的问题，覆盖面不够广，在实际设计中我们设计人员应该明确知道结构构件的稳定性能，树立正确而完整的稳定分析和稳定设计的概念，以免在设计过程中发生不必要的失稳损失。