钢结构稳定性设计的心得

钢结构稳定性设计的心得

钢结构稳定性设计的心得

【摘要】钢结构因具有自重轻、强度高、工业化程度高等优点，在建筑工程中得到了广泛的应用，另一方面，因其结构失稳破坏造成的人员伤亡、财产损失的事故案例也常有耳闻，而失稳破坏的原因通常是结构设计缺陷所致。论文通过对钢结构稳定性设计的概念、原则及分析方法的总结，结合工程设计实践谈谈对钢结构稳定性设计的体会。

【关键词】钢结构；稳定性设计；细部构造

稳定性是钢结构工程设计中需要重点考虑的内容之一，现实生活中因钢结构失稳造成的工程事故案例也较多，如美国哈特福特城的体育馆平面92m×110m的网架结构，突然于1978年坠落地面，原因是由于压杆屈曲失稳；1988年我国也曾发生132m×180m钢网架因腹杆稳定不足在施工过程中塌落的事故；201*年1月3日下午，昆明新机场38m钢结构桥跨突然垮塌，造成7人死亡、8人重伤、26人轻伤，原因是桥下钢结构支撑体系突然失稳，8m高的桥面随即垮塌下来。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，存在结构设计缺陷所致，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。1、钢结构稳定性设计的概念

1.1强度与稳定的区别强度是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力（或内力）是否超过建筑材料的极限强度，因此它是一个应力问题。极限强度的取值因材料的特性不

同而异，对钢材是取它的屈服点。稳定主要是找出外部荷载与结构内部抵抗力间不稳定的平衡状态，即变形开始急剧增长而需设法避免进入的状态，因此它是一个变形问题。例如轴压柱，当失稳时柱的侧向挠度使柱中增加很大的附加弯矩，从而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度，此时，失稳是柱子破坏的主要原因。1.2钢结构失稳的分类1）有平衡分岔的稳定问题（分支点失稳）。完善直杆轴心受压时的屈曲和平板中面受压时的屈曲均属于这一类。2）无平衡分岔的稳定问题（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。3）跳跃失稳是一种不同于以上两种类型的稳定问题，它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态。2、钢结构稳定性设计的原则

2.1钢结构布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求目前钢结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架。保证这些平面结构不出现平面外失稳，需要从结构整体布置来解决，如增加必要的支撑构件等。要求平面结构构件的平面稳定计算需与结构布置相一致。

2.2结构计算简图需与实用计算方法所依据的简图一致当设计单层或多层框架结构时，通常不做框架稳定分析而只做框架柱的稳定计算。采用这种方法计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，应通过框架整体稳定分析得出，使柱稳定计算等效于框架稳定计算。《钢结构设计规范》（gb50017-201*）对单层或多层框架给出的

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钢结构稳定设计心得

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摘要：稳定问题一直是钢结构设计的关键问题之一,钢结构体系的广泛应用凸显了稳定问题研究的重要性和紧迫性。由于钢结构体系设计、建造以及使用当中存在着许多不确定性因素，笔者结合工作中的设计经验对钢结构体系的稳定性问题进行了总结。关键词：钢结构，框架，稳定性，失稳。

钢结构稳定设计具有和强度问题不同的特点，在以往的设计中，遇到的问题多是小型钢平台，因荷载较小，高度较低，只要满足强度要求，一般不会失稳。在近几年的学习及工程设计实践中，认识到保证结构整体的稳定及其构件自身的稳定是钢结构设计中极其重要的内容。

经过查阅大量钢结构资料，对钢结构稳定性设计的特点建立起了明确概念，下面是学习后总结的几点体会。

1.结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求。

目前结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此。保证这些平面结构不致出现平面外失稳，需要通过结构整体布置来解决，亦即设置必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件的平面外稳定计算必须和结构布置相一致。例如，大跨度过路管架，一般需要做成桁架的型式，而用PKPM进行桁架的设计时，一般只是拿出桁架的一榀来进行平面内构件的强度和稳定计算，桁架的平面外稳定则需要通过在上下弦分别加设钢横梁及水平支撑来保证。

2．结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要。

《钢结构设计规范》中很大一部分条文都与稳定问题有关，遵循这些条文规定，对防止出现结构失稳，当然是必不可少的。然而，仅按规范条文来处理稳定问题还很不够，我们尚需对条文的规定有一定深度理解，并且各种因素对结构和构件稳定性能的影响也应进行考虑。结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要。在设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定性分析，而是代之以框架柱的稳定性计算。在采用这种方法时，计算框架柱稳定时，用到的柱计算长度系数μ，自应通过框架整体稳定分析得出，才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算，然而，实际框架多种多样，而设计中为

了简化计算工作，需要设定一些典型条件。《钢结构设计规范》对单层和多层框架给出的长度系数μ采用了五条基本假定，其中，包括：“框架中所有柱子是同时丧失稳定的，即各柱同时达到其临近荷载。”按照这条假定，框架各柱的稳定参数φhP/E应保持常数。对于最简单的单层单跨框架来说，就是以对称框架作为典型框架。如果结构不对称，或者荷载不对称，甚至二者都不对称，柱的实际计算长度将不同于典型框架。在非对称情况下，以单层单跨框架来说，左柱受力为P1，右柱受力为P2，当P1>P2时，左柱趋于先失稳。但是，左柱失稳而侧移时，必然要带动右柱一起侧移，而右柱这时还未达临界状态，必将对侧移起阻止作用，从而使左柱推迟失稳。这就是说，框架失稳是结构的总体问题。由于整体性，左柱得到右柱的支持，它的计算长度系数小于规范给出的数值。另一方面，右柱要对左柱提供约束，它的任务加重，计算长度系数大于规范给出的数值，其结果是两根相同的柱在不同荷载作用下，同时失稳。非对称的单层单跨框架的计算长度系数可以由把规范给出的μ系数乘以一个修正系数的办法来获得。

对单层多跨等高框架来说，φ为常数，相当于各柱的P/I相同，图1所示各柱的Pi/Ii不相同的框架，按规范算得的各柱的μ系数就不能完全反映框架失稳的实际情况，需要作出适当的修正。简化的修正方法是，对按规范得出的μi系数乘以修正系数β，从而得出各柱

IiPiTPi的计算长度系数μimβμi式中TIi/Mi

2

图1参数Φ不同的单层框架

P1P2P3

I1I2I3P1/I1P2/I2P3/I

多层框架在柱φ不相等时也有μ系数修正问题，框架计算简图和实用方法所依据的简图不一致的情况，还有摇摆柱的框架，这种情况若按规范μ系数计算都会导致不安全的后果。

摇摆柱是指上下端均为铰接，且用铰支横梁连于刚性节点的框架如图2所示。摇摆柱和

框架ABCD连成一体后，并没有给框架增加新的侧向刚度，但是整个体系却增加了新荷载P1.。因此，框架ABCD的侧向刚度不仅要能抵抗本身荷载P1和P2的失稳作用，还要加上摇摆柱上的荷载P1的作用。如果在确定AB柱的计算长度系数μ时仍用一般方法，则柱的截面将偏小，解决的办法是把按不考虑摇摆柱影响的μ系数修正为μ=μ1+n。式中nP1/P1P2为摇摆柱的荷载和刚接框架的总荷载之比。

P1IbP2P3

BC

IcIc

AD

图2附有摇摆柱的框架

3.设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者有一致性。结构计算和构造设计应相符，对要求传递弯矩和不要求传递弯矩的节点连接，应分别赋予它足够的刚度和柔度，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。对简支粱就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移，同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需能够阻止粱绕纵轴扭转，同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲，以符合稳定分析所采取的边界条件。支座采用端板式，上翼缘有窄板连于支承结构，从而有效防止扭转。为了使梁端在自身平面内少受约束，可以把窄板的螺栓孔做成长圆型。梁端虽有端板，对该截面翘曲的约束作用不大。高度不大的梁端加劲肋能够有效防止梁端的扭转，可以省去上翼缘的连接板。但是，既无上翼连接板又无端加劲肋，梁产生侧移和扭转时，梁端不能保持不扭，则梁的整体稳定承载能力要比按规范φb系数算地要低。《钢结构设计规范》规范在第4.2.1和第4.2.2条都注明“应采取措施以防止梁端截面的扭转”。

正确进行梁整体稳定计算，涉及的构造问题很多。《钢结构设计规范》规范所规定的整

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体稳定系数φb适用于等截面的梁包括简支梁和悬臂梁。因此，凡截面变化的梁和端部（或其他部位）有削弱的梁规范的系数φb系数都不适用。从梁的抗弯强度来说，当弯矩图变化时梁截面可以相应变化，但是，如果设计时是梁整体稳定控制截面，则梁截面不宜变化。

在梁格系中，当次梁和主梁表面平齐时，次梁端部需要切去一部分上翼缘和腹板。这种端部削弱的连接方式不仅使梁端一段内截面积减小，并且还造成上翼缘端部可以侧向移动的局面。如果次梁跨度小而削弱范围相对较长，则次梁整体稳定承载力下降相当多。虽然，工程中常见的情况是梁格上面铺有钢筋混凝土板并与梁牢固连接，使梁整体稳定得到保证，但有时遇到不设钢性铺板的梁格的可能性。有时，端部削弱的次梁整体稳定性即需专门计算。

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，以免在设计过程中发生不必要的失稳损失。总之，熟悉这些特点对于我们设计人员来说是十分有益的，深入理解这些特点有助于设计出既能保证稳定而又经济合理的结构。

参考文献

[1]陈绍蕃.钢结构设计原理.科学出版社.201*.23-25.

[2]陈绍蕃.钢结构稳定设计指南.中国建筑工业出版社.1995.

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