论文部分内容阅读
摘要：随着城市建筑技术的发展，出现了越来越多的大跨度、超高层建筑。钢结构因其自重轻、强度高、工业化程度高等优点，被广泛应用在这些建筑工程中。但是在现实生活中，由于很多工程事故案例都是因为钢结构失稳造成的，因此，我们必须要重点考虑钢结构工程设计的稳定性问题。本文从钢结构稳定性的概述、主要原则、现状以及方法多方面进行了深入探讨。
关键词：钢结构；稳定性；设计
中图分类号：TU391文献标识码： A
引言
钢结构的稳定设计作为设计中至关重要的一环，需要对结构稳定问题的不断提高重视程度，一旦在设计中结构稳定出现问题，就会造成工程安全隐患。因此，必须严把钢结构设计这一关。很多钢结构失稳事故都是因为设计者对结构及构件的稳定性能了解得不够清楚，再加上本身经验不足，对如何保证结构稳定缺少明确的概念，以致于使得结构设计中形成部分薄弱的环节。因此，钢结构设计的主要控制方向就是要明确钢结构的设计概念并提高钢结构的稳定性。
一、钢结构稳定性的概述
1、钢结构稳定性的基本概念
钢结构的稳定性是指结构横截面受到外部荷载时对最大应力的抵抗能力，这表明稳定性属于应力问题。而强度则是针对构件的强度和屈服性。这是材料的变形问题，所以说强度和屈服性之间存在本质区别。
2、钢结构失稳的原因类别
常见的稳定性问题有分支点失稳、极值点失稳、跨越式失稳。分支点失稳，指的是平衡分岔的稳定问题。此类问题的主要表现为在完善直杆轴心和平板中面受压时的屈曲；二是极值点失稳，即无平衡分岔的稳定问题。这一类问题主要表现为，是指结构受到偏心压力的时候，塑性在达到极限时所产生的变形形态；三是跳跃失稳，它与上述两种稳定问题的类型不同，并无平衡分岔点和极值点，其主要是指在稳定平衡丧失以后，会随机跳跃到另一个稳定平衡状态。
二、钢结构设计的主要原则
1、结构计算与使用计算所依据的简图必须保持一致性
当前，在单层与多层框架结构设计时通常依据框架的稳定性进行计算，而不做任何稳定方面的分析。要得到柱计算长度系数，主要是通过框架整体的稳定分析得到的。依据得到的相应数据才可以很好地的进行计算。但在真正的工作过程中，由于投资方对外观和使用方面的要求，施工单位会根据投资方的要求而选择对应的框架结构;而随着钢结构设计的逐步深人，钢结构框架也随之变得更为复杂化;设计师为了提高工作效率，从而简化工作程序，计算的时候也会相对简化。由于这些问题的出现，钢结构设计师往往会设定非常典型的条件，例如:附有摇摆柱的框架与横梁受有较大压力的框架，如果按照固定的规定系数计算，会产生不安全的结果，故此计算方法与对应的假设或者实地计算目标应该保持一致性。
2、稳定性必须是整体的或者对应组成部分的稳定性
由于设计多数属于平面设计，为了保证平面设计体系的稳定性，就要在整体结构布局上下功夫，还需要注意到相互部件之间的关系。
三、钢结构设计稳定性现状分析
1、钢结构的强度和稳定之间的区别
钢结构的强度通常是指从结构上或者某个构件角度考虑，荷载引发的应力与建筑材料极限强度的关系，属于应力范畴。钢结构的稳定问题是找出外荷载和结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，也就是通常意义上的并行开始并快速增加时的状态，进而可以研究如何避免该状态的出现，所考虑的是变形问题，而不是应力问题。
2、不够完善的预张拉力体系
钢结构施工前都预测对应的张拉力，只有科学的张拉力预测，才可以有效保障施工中材料的合理安排，科学地确定材料的位置。由于我国当前施工单位人员还没有形成相关理论体系，在施工中很难有这部分的科学理论保证。
3、钢结构的整体与局部之间不妥当
由于无论是从设计还是施工，当前的技术人员都缺乏科学的整体和局部观念，在设计与施工过程中，考虑都有疏漏，这在比较复杂的工程中，尤其是跨度大的建筑体施工时，都会影响工程的进度和工程质量。
4、钢结构的柱理论
针对网壳结构的稳定性，我们应该重点研究它的梁和柱，也就是梁一柱理论。但由于该理论目前不成熟，所以还需对轴力与弯矩等进行有针对性的切实研究。
5、我国钢结构体系的稳定性不确定因素较多
在钢结构建设项目施工中，会出现多种不确定的因素，由于这些不确定性，造成参数上的误差加大，使得结构偏离科学，发生变化。
四、对钢结构稳定性的方法的分析
通常情况下，分析钢结构稳定的问题，要根据结构在外荷载作用下存在变形的条件下进行。这一变形应该对应于研究的结构或构件失稳时出现的变形。结构变形与荷载两者之间的关系是非线性的，因此稳定计算应该采用二阶分析方法来对非线性的几何问题进行解决。在进行稳定计算的过程中确定的屈曲荷载或者极限荷载，都可以被看作是所计算的结构或构件的稳定承载力。
1、静力法即静力平衡法。所谓的静力法是指在微小变形发生后结构的受力条件下，通过平衡微分方程的建立解出临界荷载。同时，应根据以下基本的假定建立平衡微分方程。一是基于等截面直杆构件；二是压力始终沿构件原来轴线作用；三是材料符合应力与应变成线性关系，即符合胡克定律；四是构件与平截面假定相符，也就是说，构件的平截面在变形前后都是平截面；五是构件的弯曲变形不大，可以近似地用挠度函数的二阶导数表示曲率。在上述基本假定条件的基础上，通过平衡微分方程的建立，将相应的边界条件代入，就可以解得两端铰支的轴压构件的临界荷载。
2、动力法。动力法的基本原理是，当结构体系处于平衡状态，如果对其进行微小的干扰使之发生振动，此时在结构上已经产生作用的荷载将关系着结构的变形和振动加速度。当稳定的极限荷载值大于荷载时，变形和加速度是处于相反的方向，因此撤去干扰后运动趋于静止，结构处于稳定的平衡状态；稳定的极限荷载值小于荷载时，变形和加速度处在相同的方向，此时即使干扰撤去，运动仍是发散的，因此结构处于不稳定的平衡状态。临界状态的荷载也就是结构的屈曲荷载，可以通过结构的振动频率为零的条件解得。
3、能量法。在求解稳定承载力的方法中，能量法是的一种近似的方法，它主要是指利用势能驻值原理和能量守恒原理对临界荷载进行求解。一是利用势能驻值原理对临界荷载进行求解。势能驻值原理的内涵是，结构受到外力作用时，当总势能有驻值即有微小位移而总势能不变时，结构处在平衡的状态；二是利用能量守恒原理对临界荷载进行求解。能量守恒原理的内涵是指，贮存在结构体系中的应变能，在保守体系处于平衡状态时，等于外力所做的功。
4、改变结构计算图形的加固方法
根据实际经验，目前，钢结构稳定性加固的设计方式可以从改变结构计算图形、调整荷载分布形式、加大结构截面以及连接强度等几个方面着手，以此来保证钢结构施工的稳定进行。
采用改变荷载分布状况、传力途径、节点性质和边界条件，增设附加杆件和支撑、施加预应力、考虑空间协同工作等措施对结构进行加固的方法，增加支撑形成空间结构并按空间结构验算，加设支撑增加结构刚度或调整结构的自振频率等以提高结构承载力和改善结构动力特性，增设支撑或辅助杆件使结构的长细比减少以提高其稳定性，在排架结构中重点加强某一列柱的刚度，使之承受大部分水平力，以减轻其他柱列的负荷，在塔架等结构中设置拉杆或适度张紧的拉索以加强结构的刚度。
在设计中还可以采用对受弯杆件改变其界面内力的方式对钢结构进行稳定加固。例如变铰接为刚结，增加中间支座或将简支结构端部连接成为连续结构，调整连续结构的支座位置等。特别需要注意的是采用加大截面加固钢构件时，所选截面形式应有利于加固技术，并要求考虑已有缺陷和损伤等状况。
结语
综上所述，钢结构最主要的问题就是稳定性问题。钢结构的不稳定性一般在建设中或者交工之后才能慢慢顯现出其自身的缺点，而这些缺点可能就是很大的安全隐患，直接破坏建筑物本身，造成经济上的损失，甚至可能会危及到人身安全。因此，想要杜绝事故发生，注重对钢结构的稳定性进行合理设计是根本和关键。
参考文献
[1]张才柱，刘泽棋.钢结构安装偏差分析及预防措施田.山西建筑,2012.
[2]陈绍蕃.钢结构设计原理[M].北京:中国建筑工业出版社，2004.
[3]邢立涛 .浅谈钢结构设计中的稳定性分析 [J].科技传播，2010.
关键词：钢结构；稳定性；设计
中图分类号：TU391文献标识码： A
引言
钢结构的稳定设计作为设计中至关重要的一环，需要对结构稳定问题的不断提高重视程度，一旦在设计中结构稳定出现问题，就会造成工程安全隐患。因此，必须严把钢结构设计这一关。很多钢结构失稳事故都是因为设计者对结构及构件的稳定性能了解得不够清楚，再加上本身经验不足，对如何保证结构稳定缺少明确的概念，以致于使得结构设计中形成部分薄弱的环节。因此，钢结构设计的主要控制方向就是要明确钢结构的设计概念并提高钢结构的稳定性。
一、钢结构稳定性的概述
1、钢结构稳定性的基本概念
钢结构的稳定性是指结构横截面受到外部荷载时对最大应力的抵抗能力，这表明稳定性属于应力问题。而强度则是针对构件的强度和屈服性。这是材料的变形问题，所以说强度和屈服性之间存在本质区别。
2、钢结构失稳的原因类别
常见的稳定性问题有分支点失稳、极值点失稳、跨越式失稳。分支点失稳，指的是平衡分岔的稳定问题。此类问题的主要表现为在完善直杆轴心和平板中面受压时的屈曲；二是极值点失稳，即无平衡分岔的稳定问题。这一类问题主要表现为，是指结构受到偏心压力的时候，塑性在达到极限时所产生的变形形态；三是跳跃失稳，它与上述两种稳定问题的类型不同，并无平衡分岔点和极值点，其主要是指在稳定平衡丧失以后，会随机跳跃到另一个稳定平衡状态。
二、钢结构设计的主要原则
1、结构计算与使用计算所依据的简图必须保持一致性
当前，在单层与多层框架结构设计时通常依据框架的稳定性进行计算，而不做任何稳定方面的分析。要得到柱计算长度系数，主要是通过框架整体的稳定分析得到的。依据得到的相应数据才可以很好地的进行计算。但在真正的工作过程中，由于投资方对外观和使用方面的要求，施工单位会根据投资方的要求而选择对应的框架结构;而随着钢结构设计的逐步深人，钢结构框架也随之变得更为复杂化;设计师为了提高工作效率，从而简化工作程序，计算的时候也会相对简化。由于这些问题的出现，钢结构设计师往往会设定非常典型的条件，例如:附有摇摆柱的框架与横梁受有较大压力的框架，如果按照固定的规定系数计算，会产生不安全的结果，故此计算方法与对应的假设或者实地计算目标应该保持一致性。
2、稳定性必须是整体的或者对应组成部分的稳定性
由于设计多数属于平面设计，为了保证平面设计体系的稳定性，就要在整体结构布局上下功夫，还需要注意到相互部件之间的关系。
三、钢结构设计稳定性现状分析
1、钢结构的强度和稳定之间的区别
钢结构的强度通常是指从结构上或者某个构件角度考虑，荷载引发的应力与建筑材料极限强度的关系，属于应力范畴。钢结构的稳定问题是找出外荷载和结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，也就是通常意义上的并行开始并快速增加时的状态，进而可以研究如何避免该状态的出现，所考虑的是变形问题，而不是应力问题。
2、不够完善的预张拉力体系
钢结构施工前都预测对应的张拉力，只有科学的张拉力预测，才可以有效保障施工中材料的合理安排，科学地确定材料的位置。由于我国当前施工单位人员还没有形成相关理论体系，在施工中很难有这部分的科学理论保证。
3、钢结构的整体与局部之间不妥当
由于无论是从设计还是施工，当前的技术人员都缺乏科学的整体和局部观念，在设计与施工过程中，考虑都有疏漏，这在比较复杂的工程中，尤其是跨度大的建筑体施工时，都会影响工程的进度和工程质量。
4、钢结构的柱理论
针对网壳结构的稳定性，我们应该重点研究它的梁和柱，也就是梁一柱理论。但由于该理论目前不成熟，所以还需对轴力与弯矩等进行有针对性的切实研究。
5、我国钢结构体系的稳定性不确定因素较多
在钢结构建设项目施工中，会出现多种不确定的因素，由于这些不确定性，造成参数上的误差加大，使得结构偏离科学，发生变化。
四、对钢结构稳定性的方法的分析
通常情况下，分析钢结构稳定的问题，要根据结构在外荷载作用下存在变形的条件下进行。这一变形应该对应于研究的结构或构件失稳时出现的变形。结构变形与荷载两者之间的关系是非线性的，因此稳定计算应该采用二阶分析方法来对非线性的几何问题进行解决。在进行稳定计算的过程中确定的屈曲荷载或者极限荷载，都可以被看作是所计算的结构或构件的稳定承载力。
1、静力法即静力平衡法。所谓的静力法是指在微小变形发生后结构的受力条件下，通过平衡微分方程的建立解出临界荷载。同时，应根据以下基本的假定建立平衡微分方程。一是基于等截面直杆构件；二是压力始终沿构件原来轴线作用；三是材料符合应力与应变成线性关系，即符合胡克定律；四是构件与平截面假定相符，也就是说，构件的平截面在变形前后都是平截面；五是构件的弯曲变形不大，可以近似地用挠度函数的二阶导数表示曲率。在上述基本假定条件的基础上，通过平衡微分方程的建立，将相应的边界条件代入，就可以解得两端铰支的轴压构件的临界荷载。
2、动力法。动力法的基本原理是，当结构体系处于平衡状态，如果对其进行微小的干扰使之发生振动，此时在结构上已经产生作用的荷载将关系着结构的变形和振动加速度。当稳定的极限荷载值大于荷载时，变形和加速度是处于相反的方向，因此撤去干扰后运动趋于静止，结构处于稳定的平衡状态；稳定的极限荷载值小于荷载时，变形和加速度处在相同的方向，此时即使干扰撤去，运动仍是发散的，因此结构处于不稳定的平衡状态。临界状态的荷载也就是结构的屈曲荷载，可以通过结构的振动频率为零的条件解得。
3、能量法。在求解稳定承载力的方法中，能量法是的一种近似的方法，它主要是指利用势能驻值原理和能量守恒原理对临界荷载进行求解。一是利用势能驻值原理对临界荷载进行求解。势能驻值原理的内涵是，结构受到外力作用时，当总势能有驻值即有微小位移而总势能不变时，结构处在平衡的状态；二是利用能量守恒原理对临界荷载进行求解。能量守恒原理的内涵是指，贮存在结构体系中的应变能，在保守体系处于平衡状态时，等于外力所做的功。
4、改变结构计算图形的加固方法
根据实际经验，目前，钢结构稳定性加固的设计方式可以从改变结构计算图形、调整荷载分布形式、加大结构截面以及连接强度等几个方面着手，以此来保证钢结构施工的稳定进行。
采用改变荷载分布状况、传力途径、节点性质和边界条件，增设附加杆件和支撑、施加预应力、考虑空间协同工作等措施对结构进行加固的方法，增加支撑形成空间结构并按空间结构验算，加设支撑增加结构刚度或调整结构的自振频率等以提高结构承载力和改善结构动力特性，增设支撑或辅助杆件使结构的长细比减少以提高其稳定性，在排架结构中重点加强某一列柱的刚度，使之承受大部分水平力，以减轻其他柱列的负荷，在塔架等结构中设置拉杆或适度张紧的拉索以加强结构的刚度。
在设计中还可以采用对受弯杆件改变其界面内力的方式对钢结构进行稳定加固。例如变铰接为刚结，增加中间支座或将简支结构端部连接成为连续结构，调整连续结构的支座位置等。特别需要注意的是采用加大截面加固钢构件时，所选截面形式应有利于加固技术，并要求考虑已有缺陷和损伤等状况。
结语
综上所述，钢结构最主要的问题就是稳定性问题。钢结构的不稳定性一般在建设中或者交工之后才能慢慢顯现出其自身的缺点，而这些缺点可能就是很大的安全隐患，直接破坏建筑物本身，造成经济上的损失，甚至可能会危及到人身安全。因此，想要杜绝事故发生，注重对钢结构的稳定性进行合理设计是根本和关键。
参考文献
[1]张才柱，刘泽棋.钢结构安装偏差分析及预防措施田.山西建筑,2012.
[2]陈绍蕃.钢结构设计原理[M].北京:中国建筑工业出版社，2004.
[3]邢立涛 .浅谈钢结构设计中的稳定性分析 [J].科技传播，2010.