钢结构设计中稳定性设计分析

尚 温 扩

(山西省煤炭规划设计院，山西 太原　030045)

1　概述

随着钢结构在建筑工程的应用越来越广泛，人们也开始逐渐重视钢结构的设计工作。而在钢结构设计过程中，稳定性设计又是极为重要的工作。若是钢结构发生失稳问题，将带来极大的经济损失，严重时会导致人们生命安全受到威胁，因此，必须严格把关钢结构稳定设计这一项重要工作。

2　钢结构稳定性的影响因素

2.1　材质的影响

首先，材质所拥有的强度将对钢结构稳定性造成极大影响。构件强度指的是单一的一个构件或是结构处在稳定状态之下，外界载荷作用而导致的应力是不是超出了材料所具备的极限强度值。构件极限强度值又与构件使用的原材料存在直接关联性。由于各种材料自身的组成以及结构均存在差异，导致不同材料的强度值也有所不同。材质所拥有的质量会在很大程度上影响到钢结构强度，也会导致钢结构稳定性受到影响。另外，即使所使用的材料一样，不过，因为不同的加工工艺，也会导致材料强度出现差异。钢结构设计过程中，应当充分的考虑材料情况，确保选用的材料能够满足钢结构稳定性要求。

2.2　形状及连接方式的影响

钢结构的形状有所差异，所对应的重心位置同样也会存在差异，同时，不同形状拥有的截面也会存在差异，可以承受载荷的情况也会出现差异。连接方式同样也能够影响结构的稳定性，要是不同的构件之间连接位置无法相对移动以及相对转动，构件能够保持更好的稳定性。在众多框架结构之中，三角形属于最为基本的形状，而且具有良好的稳定性，使用的材料也相对少。

2.3　支撑面积的影响

结构的支撑面积较大，则会表现出更加稳定的性质，而结构支撑面积较小，则会出现不稳定的问题。我们常见的大坝一般均会将其设计成为梯形结构，这主要是为了增加支撑面积，从而确保结构更加的稳定。

另外，对于钢结构稳定性的影响因素之间，通常都是紧密相关的，在进行设计过程中，要求应当全面的分析不同因素对结构具体影响情况，同时也要结合一些自然因素，比如，台风因素、地质灾害因素等等。

3　钢结构失稳类型分析

3.1　稳定分岔失稳

对于轴心受压的构件来说，当构件端部位置承受的载荷作用还没有达到特定极限情况时，依旧可以确保自身维持直立的平衡状态，此时建筑构件所承受到的应力属于均匀分布的，沿着构件轴线方向上仅仅会发生压缩变形。而要是外界载荷作用达到了钢结构截面所能够承受的极限应力时，此时构件便在瞬间出现弯曲现象，使得之前构件从轴心受压的状态而转化成屈曲平衡状态，此种情况便为稳定分岔失稳。稳定分岔失稳的重要特点便是在外界载荷作用不断增大过程中，钢结构之前存在的平衡形式会被打破，会转变成为和之前平衡状态存在本质不同的全新平衡状态，稳定平衡状态进入到了不稳定平衡状态。无缺陷轴心受压构件发生的失稳问题均为平衡分岔失稳问题。

3.2　不稳定分岔失稳

当钢结构或者是构件发生屈曲之后，要想确保构件保持平衡状态，所受到的载荷作用要远远小于构件临界载荷，此种情况下构件发生屈曲现象便为有限干扰屈曲现象。

3.3　极值点失稳

一些钢结构属于偏心受压构件，当构件在塑性发展至相应程度以后，便会失去原有的稳定状态。构件出现失稳时承受的外界载荷便是结构极限载荷，此种失稳情况是不断渐变的，从根本上讲此种失稳类型和稳定分岔失稳存在着本质区别。

3.4　跨越失稳

钢结构失稳时不仅没有平衡分岔点，同时也不存在极值点，当出现失稳问题时构件跳跃至另一种平衡状态，这种情况便为跨越失稳。

4　钢结构稳定设计的方法

现阶段，在开展钢结构设计过程中，基本上均是从平面体系作为切入点开始设计。而要想确保平面结构拥有更为优良的稳定性，应当全面的考虑结构整体布局情况，设计出更为科学与合理的支撑结构，这样才能确保平面结构不会出现失稳问题。

4.1　静力法

所谓静力方法即为平衡方法，我们也称其为欧拉方法，此种方法经常用于计算弹性系统所拥有的屈曲载荷。我们首先设定钢结构属于弹性稳定体系，则在这一体系之中拥有平衡分岔点，在该平衡分岔点附近便会有两种平衡状态存在，其一是结构的状态完好下的平衡状态，其二是结构出现细微屈曲状态下的平衡状态。而采用静力平衡法法则是在结构出现细微屈曲状态下的平衡状态情况下，构建相应的分析体系以及方程组，并且进行求解的一种设计方法。要是采用静力平衡方法计算得出的解数目超过1个，依照长期积累的经验来看，其中最小数值便是体系所拥有的分岔屈曲载荷值。采用静力方法进行求解仅仅可以得出体系所拥有屈服载荷大小，无法进一步明确体系处于平衡状态之下所拥有的稳定性情况。一般情况下，对钢结构进行设计过程中，很少对钢结构处于平衡状态之下的稳定性进行判断，仅仅需要计算出钢结构所拥有屈服载荷。因此，此种设计方法在钢结构稳定性设计工作中的应用较为广泛。

4.2　能量法

我们又将能量法称作是铁木辛柯法，其属于近似求解的方法，利用的原理包含有能量守恒原理以及势能驻值原理，并对体系的临界载荷进行求解。

1)利用能量守恒原理计算临界载荷。在钢结构处于平衡状态之下时，则钢结构体系所拥有的应变能大小，和外力对体系做功的大小相同，也就是说体系保持能量守恒。体系达到临界状态时不同能量所对应的关系为：

ΔU=ΔW。

式中：ΔU——系统中应变能的增加量；

ΔW——外力对系统做功的增加量。

利用能量守恒原理构建出体系平衡状态下的微分方程。

2)利用势能驻值原理计算临界载荷。所谓势能驻值原理指的是当体系遭遇外界载荷作用情况下，体系的位移会出现非常微小改变，但是体系所拥有的总势能却能够保持固定，也就是总势能在保持固定的情况下，系统一直处在平衡状态之下，所对应的计算公式为：

δΠ=0。

其中，δΠ为体系之中总势能所拥有的一阶变分，其中：

δΠ=δU+δV=δU-δW。

式中：δU——由于虚位移所导致的体系内应力发生改变，此数值一直为正数；

δW——外力的作用由于体系出现虚位移对体系做功大小，同时外力的势能改变量δV和外力的虚功负值相同，也就是δV=δW。

如此，我们也能够将势能驻值的原理理解为：弹性变形体系对于所有和约束相容的虚位移，总的势能一阶变分值是0，也就是说这一体系达到了平衡的状态。

4.3　振动法

此种方法也被称作是动力法，采用此方法计算体系稳定问题的具体原理为：将一些非常细微的干扰作用在平衡状态下体系之中，让体系出现一定的振动，依照体系出现的振动状态，来计算体系所拥有的临界载荷大小。若是所施加载荷大小较体系极限载荷小的情况下，此时体系变形方向便会和振动加速度的方向恰恰相反，而且体系振动会在时间不断增加的情况下而逐渐出现收敛，体系最后会趋向静止状态。而若是所施加载荷大小较体系极限载荷大的情况下，此时体系变形方向便会和振动加速度的方向恰恰相同，而且体系振动会在时间不断增加的情况下而逐渐出现发散，此时体系所拥有的平衡状态便会发生失稳。而若是体系的振动状态属于谐振，此时作用在体系之上的载荷变为体系屈曲载荷。

5　结语

对于钢结构来说，承载性能很大程度上是由其稳定性所决定的，在设计过程中，只有确保采用的方法与技术合理与适宜，才可以确保设计的钢结构不会发生失稳问题。

参考文献：

[1]陈熙隆.钢结构设计中稳定性问题的若干探讨[J].建设科技,2017(15):58-59.

[2]李喃.浅议建筑钢结构的稳定性设计[J].四川水泥,2017(1):87,143.