钢结构稳定问题
钢结构稳定问题的综述
建筑与土木工程学院刘小伟学号：2111316139
摘要：总结了钢结构稳定问题的基本概念和类型，介绍了影响钢结构稳定的一些因素和稳定问题的计算方法、规范规定，并总结了钢结构稳定设计的设计原则和目前钢结构稳定问题研究中存在的问题特点。
关键词：钢结构稳定性原则类型
Abstract:Summarized the basic concept and type of stability problems of steel structure, introducing the standard calculation method.The influence of some factors and stability problems of steel structure stability of the regulation, and summarizing the design principle of stability design of steel structure and the present research of structure stability problems in steel.
Keywords: Steel structure stability principle type
1、引言
随着我国钢铁工业的快速发展，又由于钢结构的诸多优点，所以这种被认为绿色环保型产品的钢结构，是建筑的发展方向。但由于钢比混凝土的抗压强度高20多倍，因此设计的承担相同受力功能的钢构件与混凝土构件相比，具有截面尺寸小、构件细长等特点，在对于受压、受弯等存在受压区的钢构件处理不当时，就很可能出现失稳现象。因此为了提高截面效率、充分发挥钢材的强度，钢结构一般做成
薄壁结构，这使得钢结构在大跨方案中有着极大的竞争力，但与此同时也带来了缺点：结构刚度小，稳定问题突出，稳定问题普遍处在于钢结构设计中，所以只有处理好钢结构稳定问题，才能做出经济合理的设计。
2、失稳的概念及稳定问题的类型
2.1失稳的概念
处于平衡位置的结构或构件，在任意微小外界扰动下，将偏离其平衡位置，当外界扰动去除后，仍能自动回复到初始平衡位置时，则初始平衡状态是稳定状态；若外界扰动去除后，不能回复到初始平衡位置，则初始平衡状态就是不稳定的平衡状态。所以平衡状态就是从稳定状态向不稳定状态过渡的一中中间状态。稳定分析就是研究结构或构件的平衡状态是否稳定的问题。结构或构件由于平衡形式的不稳定，从初始平衡位置转变到另一种平衡位置，即称为屈曲，或失稳。
2.2稳定问题的类型
钢结构的失稳现象是多种多样的，但就其性质而言，可以分为以下三类：
2.2.1、平衡分岔失稳（分支点失稳）
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问题。属于这一类的还有理想的受弯构件以及受压的圆柱壳等的失稳。
如图1所示为理想状态下中心受压直杆。当P
作用在构件端部的荷载P未达到某一限值[1]时，构件始终保持着挺直的稳定平衡状态，Δ=0，构件只承受均匀的压应力，同时沿构件的轴线只产生相应的压缩变形。
如果在其横向施加一微小干扰，构件会呈现微小变形，但是一旦撤去此干扰，构件又会立即恢复到原有的直线平衡状态。若果当作用于上端的荷载达到了限值cr P时构件将会发生弯曲，Δ≠0，此时直线平衡状态不稳定，构件由原来挺直的平衡状态转变到与其相邻的伴有微小弯曲的平衡状态。OB表示直线平衡，AC表示弯曲平衡。表示轴心受压直杆随荷载P的增加而取不同的平衡形式的OA，AB，AC线段称为平衡路径。平衡路径在A点发生分支，A点称为分支点，该店的荷载值称为分支点荷载，即为cr P。平衡路径OA上的中心受压直杆处于稳定的直线平衡状态；AB是不稳定的直线平衡状态；AC是稳定的压弯平衡状态。分支点是直线平衡状态从稳定转为不稳定的分界点。直线平衡失稳时，将存在轴向受压和压弯两种不同受力性质的平衡状态的可能，即发生平衡路径的分支。具有上述特征的失稳现象，称为分支点失稳[2]。
2.2.2、极值点失稳（或称无平衡分岔的稳定问题）
偏心受压构件，在荷载开始作用时保持弯曲形式的平衡直到临界状态终止，如图2所示，平衡路径分为OA和AB两端。OA段上的平衡状态是稳定的。下降段上的AB的平衡状态是不稳定的。在平衡稳定阶段，其平衡形式只是原来平衡形式之下变形的加剧，没有出现不同变形状态的分岔点，只有极值点。故此失稳不属于分支稳定问题，因此称之为极值点失稳。
事实上当荷载加至A点时，杆件稍受扰动即由于平衡的不稳定性而立即破坏，故难以绘出下降段AB线。
A点称之为极值点，所对应的荷载称为稳定极限荷载或压溃荷载，P u表示。
因为没有平衡形式的改变，相比之下可见，分支点失稳带有突然性，而极值点失稳则不带有突然性[3].。
实际的轴心受压构件因为都存在初始弯曲和荷载的作用点稍稍偏离构件轴线的初始偏心，因此工程中存在的稳定问题大多数属于极值点失稳。如双向受弯构件和双向弯曲压弯构件发生弹塑性弯扭失稳都属于极值点失稳。而实际工程中一把是将极值点失稳问题转化为分
支点失稳来处理。通过引进某些参数【4】来反映两者之间的差别。2.2.3跃越失稳
如图3（a）所示的两端铰接比较平坦的拱结构，在均布荷载q 的作用下有挠度ω，其荷载—挠度曲线也有稳定的上升段A,但是因为结构已经破坏，但是到达曲线的最高点A点时会突然跳跃到一个非临近的具有很大变形的C点，拱结构顷刻下垂。在荷载—挠曲线上，虚线AB是不稳定的，BC段虽然是稳定的而且一直是上升的，但是因为结构已经破坏，故不能利用。与A点对应的荷载cr q是坦拱的临界荷载。这种失稳现象称为跃越失稳，它既无平衡分岔点，有无极值点，但和不稳定分岔失稳又有某些相似的现象，都在丧失稳定平衡之后又跳跃到另一个稳定平衡状态。扁壳和扁平的网壳结构也可能发生跃越失稳。在图3（b）是发生局部凹陷的网壳结构的点状跃越失稳，而图3(c)是整体跃越失稳。带有缓坡的有侧移大跨度门式钢架，当钢架横梁的刚度很弱而侧移刚度却很强时，有可能发生如图3(d)所示的跃越失稳。横梁的初始倾角即横梁的坡度对这类结构的变形影响很大，类同于有缺陷不稳定分岔失稳。缺陷对这类结构的影响也很大。
区分结构失稳类型的性质十分重要，否则不可能正确估量结构的稳定承载力。对于具有平衡分岔失稳现象的结构，如前所述，理论上的屈曲荷载区分成三种情况，一种比较接近于实际的极限荷载，一种大于实际的极限荷载，一种远小于实际的极限荷载。大挠度理论才能揭示具有平衡分岔的结构屈曲后的性能，然而大挠度理论分析实际结构的计算过程十分复杂。对于稳定的临界状态，结构体系在其相邻的
屈曲位形可以维持在超过分岔屈曲荷载的荷载处；但对于不稳定的临界状态，结构体系在其相邻的屈曲位形只能在低于分岔屈曲荷载的荷载处才能维持。
图3 跃越失稳
3、影响钢结构稳定的因素
在设计中一般都是把钢结构看成是完善的结构体系，事实上还有一些随机因素在影响钢结构的稳定性，一般情况下把影响钢结构稳定性随机因素分为三类：
（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、因此带来了一定的
经验性。这种不确定性称为统计的不确定性，是由于缺乏信息造成的。
（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。4、钢结构稳定问题的计算方法
钢结构稳定问题的分析方法都是针对着在外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。由于所研究的结构变形与荷载之间呈非线性关系，因此稳定计算属于几何非线性问题，采用的是二阶分析的方法【5】。稳定计算所给出的，不论是屈曲荷载还是极限荷载，都标志着所计算构件或结构的稳定承载力。稳定问题的计算方法有以下三种：
（1）平衡法（静力法）
中性平衡法或静力平衡法，简称平衡法，是求解结构稳定极限荷载的最基本的方法。平衡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而后求解临界荷载cr P。在建立理想轴心受压构件弯曲平衡方程时有如下假定：
1）构件时等截面直杆；
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变形后仍为平面；
5）构件的弯曲变形是微小的，曲率可近似地用挠度函数二阶导
数表示，以此可建立微分平衡方程：0EI =+′′Py y ，代入相应的边界条件，即可解得两端铰支的轴压构件的临界荷载22cr P l EI π=。
（2）能量法
能量法是求解稳定承载力的一种近似方法，用能量法求解临界荷载的途径主要有能量守恒原理和势能驻值原理：
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，此即能量守恒原理。用能量守恒原理解决结构弹性稳定问题的方法称为Timoshenko 法，其临界状态的能量关系为：
W U Δ=Δ
其中，U Δ指应变能的增量；W Δ指外力做功的增量，以此可建立平衡方程：
dx
x y P dx x y EI l cr l 2020)]([)]([∫′=∫′′ ∫′∫′′=
?l l cr dx
x y dx
x y EI 0202)]([)]([P
式中：y(x)—满足位移边界条件的任一可能曲线位移方程。
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：
0-==ΠdW dU d
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 —表示外力在虚位移上做的功。
势能驻值原理与平衡方程式等价的，用该原理可以解决复杂结构的弹性稳定问题。如很多结构很难直接建立平衡方程，则可以先写出结构总势能Π，然后利用0Π=d ，即可得到平衡方程。还可以先假定构件挠曲线形状，给出挠曲线方程，将其代入总势能Π，通过0Π=d 解出临界荷载。
3）动力法
处于平衡状态的结构体系，如果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值时，加速度和变形的方向相反，因此干扰撤去以后，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，加速度和变形的方向相同，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结构的屈曲荷载，可由结构振动频率为零的条件解得。动力法属于结构动力稳定问题。
在平衡法和能量法的运算中，有用解析法求解的，也有用数值法求解的。利用计算机技术的数值法已成为近代研究结构稳定问题的一种基本方法。
5、钢结构稳定设计的原则
根据稳定问题的特点，为了更好地保证钢结构稳定设计中构件不会丧失稳定，必须注意下面的原则：
（1）结构整体布置必须考虑整个体系[6]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平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件的平面稳定计算必须和结构布置相一致。
（2）杆件稳定计算的常用方法是依据一定的简化假设或典型情况得出，必须使得所设计的结构符合这些假定【7】。目前设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分析而是代之以框架柱的稳定计算。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，只有通过框架整体稳定分析得出，才能是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。GB50017—2003规范对框架柱给出的计算长度系数，采用了五条基本假定，其中第三条：“框架中所有柱子是同时丧失稳定的，即各柱同时达到其临界荷载”。按照这条假的，框架各柱的稳定参数杆件稳定计算的常用方法，往往是依据一定的简化假设或典型情况得出的，设计者必须确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。对于有摇摆柱的无或弱支撑纯框架柱，规范考虑了增大系数，这样就可以使得实际的计算方法与前提假设和具体计算对象相一致。
（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。如梁的整体稳定性就与梁端连接结构造有重要的关联。
6、钢结构体系稳定研究中存在的问题
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[8]：
（1）目前在网壳结构稳定性的研究中，梁—柱单元理论已经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，虽然有学者对梁—柱单元进行过修正，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，为反映整体稳定与局部稳定的关联性。
（3）与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很多随机因素的影响，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。
7、结语
稳定问题是很复杂的，尤其当构件存在初始缺陷、残余应力以及非线性因素的影响，就更增加了解决稳定问题的难度。另外，在工程结构稳定性的研究领域中，还存在很多尚未解决好的问题。比如：大跨度桥梁、大跨度薄壳、大跨度空间网壳、高层与超高层结构的双重非线性动力稳定问题。只有深入了解这些问题，才会使得钢结构稳定理论设计不断地完善。
参考文献：
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[2]陈骥编. 钢结构稳定理论与设计[M].第3版.北京：科学出版社，2006
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[8]Qi-Lin Bhang,U.pail.Dynamic Stability Analysis of Space Structure.Advances in Structural Dynamics,2000.Vol.II 1223-1226.
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[10]Thairm,N.S. and Bradford,M.A. The Behaviour an Design of Steel Structures,Revised 2nd.Ed.Chapman and Hall,London,1991
钢结构稳定问题
稳定 1、稳定为何复杂 稳定是“混沌”问题比随机模糊都要复杂，欧拉公式至今已236年，但在稳定理论方面进展不大；随机问题可用概率法来解决，事先不知、事后可知；模糊问题属于有些说不清问题，属于经验的问题如专家系统等可以用模糊数学解决。但混沌问题理论较深缺乏数理资料，当前还无法解决，混沌的特点非线性，解的多样性、初始值敏感，因此振动，地震均是混沌。 2、第二类失稳是否是强度问题 从现象看似乎是强度问题，但应是稳定问题，强度与稳定的区分：强度是截面承载力而稳定是杆件整体承载力问题伴随大变形，过去规范用δ= N/φA是混淆概念，将稳定表达为强度，现已改进。 3、二阶效应与非线性分析有什么区别 二者本质一样，都是由变形后的轴线来求得平衡条件，但二者在要概念上有区别：非线性分析有几何非线性与物理非线性之分，二阶仅对一阶而只有几何非线性。对于柔性结构根本就没有一阶二阶之分就是非线性。 4、计算长度与非线性关系 计算长度是在一阶基础上考虑变形引起的附加弯矩，是近似的非线性分析，如悬臂柱计算长度L。=2L也就是悬臂柱所产生的附加弯矩与一个跨度2L的筒支柱的附加弯矩等效，以每筒的附加弯矩作为标准，计算长度是近似的，如一个悬臂柱设计数L。=2L，但在图5情况下左柱上下2个铰要倾倒，必须由右柱加以支持，精确计算右柱L0=2.69h，一个框架再加一个摇摆柱，要保证其不失稳必然靠框架支撑，因此按一般规范可给的框架计算长度即不对，应该 , n=P3/(P1+P2)，而一般框架计算长度1.25，1.5也是考虑群柱作用即各柱互相 支持的问题，如悬臂柱有水平力时其计算长度即如图6：其合力延长线与曲线交点才是计算长度这些情况无法一一反映，因此计算长度是近似的。 5、网壳稳定是混沌问题，为何稳定问题无法解决 沈土钊院士陈昕教授最大的贡献是经过2800次试算 采用“一致缺陷摸态法”即结构缺陷分布正好与结构最 低阶的模态一致，得到在一般正常缺陷下稳定承载数值 不小于下临界点，这样就使计算工作简化，当然网壳稳 定的解决并不是从理论上解决，而是从工程处理上解决 了难题，因为数值分析，人为假定，失稳的荷载位移曲
有关轻型门式钢架结构的稳定性问题分析
摘要：早在上个世纪六十年代我国就开始出现轻型门式钢架建筑结构，其发展鼎盛时期为九十年代，该时期我国彩色钢板产量不断增加，出现了焊接h型钢，这此都推动了轻钢结构的发展。本文基于设计的角度讨论轻型门式钢架结构的稳定性，从其结构类型与截面形式着手分析，提出在设计过程中保证其稳定性的策略。 关键词：轻型门式钢架结构；稳定性 一、轻型门式钢架结构类型与截面形式 轻型门式钢架的结构类型包括多种，比如单跨钢架、多跨连续钢架以及多跨中间交接柱钢架等等；其截面形式分为等截面以及变截面两种；柱脚构造则包括铰接与刚接等等，其中刚接的侧向刚度相对较大。根据钢架的梁体截面以及柱体截面的类型不同，其结构可以分为实腹式钢架与格构式钢架丙种，实腹式钢架的梁体、柱体等通常采用h型实腹截面，相对而言刚度较高，不过该结构的用钢量比较多，无形中也增加了建筑成本；而格构式钢架通常采用小截面角钢或者钢管等构件，其梁体与柱体的截面为格构式，该结构用钢量相对较少，但是加工、制作工艺复杂，通常大跨度钢架会选择该结构。除此以外，钢架梁、柱的截面还有其它空腹结构的形式，比如蜂窝梁或者蜂窝柱等，不过应用于实际工程序的机会比较少。 二、提高轻型门式钢架结构稳定性的原则 要保证轻型门式钢架结构的稳定性，就要遵循以下几点原则：第一，通常构件如果采用门式钢架构，往往其抗弯刚度以及搞扭刚度相对较小，削弱了结构的整体钢度，所以要通过必要措施避免构件出现弯曲或者扭转变形等问题；第二，加强支撑体系与隅撑的设置，强调构件与屋面板、墙面板的连接，保证结构的整体性；第三，锈蚀会削弱结构构件，因此要注意采取相应的防护措施；第四，门式钢架结构的梁柱一般变截面杆件，因此在设计梁柱腹板时要将屈曲后强度的作用充分发挥出来，不宜采用塑性设计。 三、提高轻型门式钢架结构稳定性的具体措施 （二）门式钢架的荷载取值 通常作用于门式钢架建筑的荷载包括结构自重、雪荷载以及积灰荷载等竖向荷载以及风荷载、吊车刹车力等水平荷载，此外还有地震荷载。不过对于轻型门式钢架结构而言，由于其自重轻，所以受到地震作用是反应也比较轻，因此有利于抗震。 （三）计算钢架内力与侧移 计算钢架内力的方法如下：对于变截面门式钢架而言，其内力可以利用弹性分析法来确定，塑性分析法只适用于钢架梁柱均为等截面的条件下。在计算变截面门式钢架内的内力时，一般会利用杆系单元的直接刚度法在计算机上进行编程计算；采用底部剪力法确定地震作用效应。在结构基于不同荷载组合条件下进行内力分析，确定对截面起控制作用的内力组合。通常柱底、柱顶、柱牛腿连接处、梁端以及梁跨中等位置为控制截面。 侧移的计算方法如下：针对变截面门式钢架来说，可以采用弹性分析法确定其柱顶侧移，计算过程中可以忽略荷载分项系数，荷载则取标准值。如果经过验算所求取的钢架侧移刚度无法满足实际要求，则要采取相应的调整措施，比如增大柱或梁的截面尺寸，或者用刚接柱脚代取铰接柱脚。 （四）设计檩条、拉条以及撑杆 1、檩条的设计 檩条为双向受弯构件，分析其内力时要沿着截面两个形心主轴方向进行弯矩计算，并计算出其它参数，比如强度、整体稳定性以及变形等。檩条为冷弯薄壁构件，压弯板件宽厚比相对较大，受力后会呈屈曲状态，因此计算强度时要选择有效宽度，减弱原有截面；并且计算强度时要用净断面，可以通过钉孔的方法减弱截面，对于小截面窄翼缘的梁来说，这种减弱的
钢结构稳定设计指南
钢结构稳定设计指南 钢结构失稳形式存在多样性外，还应了解下列四个方面的特点：(1)稳定问题要考虑构件及结构的整体作用；(2)稳定计算要按二阶分析进行；(3)考虑初始缺陷的极值稳定计算正在取代完善构件的分岔点稳定计算；(4)稳定性不仅通过计算来保证，还需要从结构方案布置和构造设计来配合。 关键字：钢结构稳定，轴心压杆，计算长度，受弯构件，框架稳定 一．钢结构稳定问题的待点 失稳形式存在多样性外，还应了解下列四个方面的特点：(1)稳定问题要考虑构件及结构的整体作用；(2)稳定计算要按二阶分析进行；(3)考虑初始缺陷的极值稳定计算正在取代完善构件的分岔点稳定计算；(4)稳定性不仅通过计算来保证，还需要从结构方案布置和构造设计来配合。 二．轴心压杆的稳定计算 (1)影响轴心压杆稳定承载力的最主要因素是残余应力，它是把稳定系数分成a、b、c三类的依据，残余压应力越大，位置距形心轴越远，值越低。 (2)轴心压杆不仅会发生弯曲失稳，也可能发生扭转失稳。在采用单轴对称截面时．需要特别注意扭转的不利作用。 (3)设计格构柱时，需要了解几何缺陷的不利影响和柱肢压缩对缀条的影响。 三．轴心压杆的计算长度 关于压杆计算长度的确定，需要明确以下几点： (1)确定杆系结构中的杆件计算长度时，应把它和对它起约束作用的构件一起作稳定分析。这是稳定性整体计算的一种简化方法。压杆一般不能依靠其他压杆对它的约束作用，除非两者的压力相差悬殊。 (2)节点连接的构造方式会影响杆件的稳定性能。因此，杆件计算长度和构造设计有密切联系。比如杆件在交叉点的拼接会影响它的出平面弯曲刚度并使计算长度增大。又如起减小计算长度作用的撑杆的连接有偏心，会降低它的有效性。 (3)塔架杆件的计算长度有不同于平面桁架(屋架)的特点．主杆和腹杆都各有其特殊之处。此外、塔架中单角钢杆件预期绕平行轴失稳时，需要考虑扭转的不利影响。 (4)桁架体系的支撑构件和塔架中的横隔构件都对杆件的计算长度有直接影响。确定桁架杆件出平面计算长度时，需要特别注意杆系的相互关系 四. 受弯构件的整体稳定
钢结构稳定问题解析
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建筑钢结构整体稳定性分析
建筑钢结构整体稳定性分析 0 引言 建筑钢结构的应用越来越广泛，其稳定性和重量轻的特点为建筑整体的稳定性起到了促进作用，避免建筑物的倒塌等事故的发生，但是就现状来看，建筑钢结构的整体稳定性还存在着一定的问题，因此加强对钢结构的稳定性研究具有重要的现实意义。 1 建筑钢结构的概述 （1）建筑钢结构的优势。其一，抗震性高。在建筑工程中，选用钢结构是因为其自身的优势所在，由于钢材料的强度较高，另外还具有相对较强的可塑性和柔韧度，能够满足建筑工程的需要。再加上建筑钢结构的延展性比较好，对地震的抗御能力较高，当地震灾害发生时，钢结构具有一定的缓冲能力，其抗震性增加了建筑物的安全性；其二，钢结构的精确度较高。为了增强建筑物的稳定性，应选用精确度较高的材料，钢结构就具备这样的优势，因为它相对传统的钢筋混凝土结构具有较强的精确度。另外，钢结构还具有一定的可塑性和韧性，可以适用于大跨度的建筑。如果想要达到增强建筑物稳定性的目的，就应优先选用钢结构，它的应力幅度具有很强的弹性，而且这种钢建筑在受力的情况下，与工程建筑的力学计算方式相符合，被广
泛的应用；其三，建筑钢结构的施工过程较简单。建筑钢结构主要是由钢板、冷加工的薄型钢板或者是热轧型钢为材料制作而成的，不论是制作过程还是制作方法都相对较简单，这样就有力的缩短了建筑施工的周期和建筑施工所用的成本；（2）建筑钢结构的劣势。建筑钢结构在拥有一定优势的情况下，同时也存在着一定的不足，主要体现在钢结构的耐腐蚀性和抗火性相对较差，这些都隐藏着一定的危险，容易引发事故。除此之外，在建筑施工的过程中，通常选取强度较低的构件，这样就对建筑的整体稳定性造成了一定的限制。因为施工单位一味的注重稳定性，却忽视了强度的重要性，这样就造成了建筑材料的浪费，同时也造成了对建筑工程质量的不良影响。 2 建筑钢结构稳定性的概念 建筑钢结构的强度不够，或是失稳现象出现，都会对建筑结构造成一定的影响。建筑钢结构的稳定性与强度不同，由于建筑构件受到外部的重荷以及建筑结构内部的抵抗能力，在这期间存在着不稳定性，在施工的过程中，最重要的任务就是找到一个平衡的状态，从而减少钢结构损坏的现象出现。在建筑施工过程中，钢材的强度较高，在受到压力的情况下，为了在强度与稳定性之间找到平衡，取得最优的效果，往往都是选择了稳定性方面的要求，这样就导致了建筑钢结构的强度得不到很好的发挥。由此可见，在建筑钢结构的设计过程中，要注重对钢结构强度与稳定的界定，充分的了解对建筑物造成破坏的
STAAD的稳定设计
STAAD在钢结构稳定设计中的应用 李晓峰孙立夫林润松 （BENTLEY软件（北京）有限公司） 稳定问题在钢结构设计中居于中心地位。本文试图结合 STAAD对三个常规钢结构的稳定问题进行讨论，整理出来 进行稳定计算的大致思路和注意事项。这里的模型仅仅是为 了演示的方便为任意创建的“玩具”模型，希望读者不要被 误导。本文重点讨论了所谓考虑初始缺陷的二阶弹性分析在 STAAD中的应用。相对于一阶分析的计算长度法，二阶分 析现在似乎比较流行，而传统的计算长度系数法遭到很多的 诟病。作者认为，计算长度系数法，和其他很多近似算法一 样，因为其结果的近似遭到的指责是不公平的——使用者应 该明确该方法的计算假定，适用范围以及结果的近似程度， 并对结果负责。对真正的结构工程师，使用近似算法仍然可 以设计出具有足够安全储备的合理结构，而对所谓的更精确 的二阶分析的盲目滥用，却大大增加了结构失效的风险。 现在大多数国家的钢结构设计标准都推荐进行二阶分析以 考虑所谓的P-?效应和P-δ效应。我们先明确结构P-?效应 和P-δ效应究竟是什么？考虑如下的一个有侧移简单刚架 （图1，文献1）： 图1 有侧移刚架的P-?效应 上图为一简单刚架成受线载时的弯矩图。左边的弯矩对应为 一阶分析的结果，右边的对应为二阶分析的结果(未考虑任 何缺陷)。可以看出，在右边柱的二阶分析的结果多出来了 弯矩，该弯矩是由柱的轴力（所谓的P）乘以框架的侧移（所 谓的?）产生的，所以称之为P-?效应。 类似的，考虑如下的无侧移框架（图2，文献1） : 图2 无侧移框架的P-δ效应 在图2的两个无侧移框架的模型中，左边为一阶分析的结 果，右边为二阶分析的结果。相对前面的有侧移框架，本例 中两个柱子之间的弯矩差别很微小（柱端弯矩由388kN.m 增加到393kN.m，且弯矩图的形状由直线变为具有微小曲率 的曲线）。柱弯矩的增大部分主要是由柱本身的局部侧移δ 产生的，因为框架几乎不产生任何水平位移?，所以称为 P-δ效应。 由这个小例子，文献1归纳并指出了二阶分析和一阶分析的 一些基本的区别： a)二阶效应不仅仅影响弯矩，还会影响整个的剪力与轴 力； b)二阶效应中的内力分布形态完全不同于一阶分析，并不 是一阶分析结果的简单放大。 c)在实际的结构中，总是同时存在有P-?效应和P-δ效 应，只不过其影响的程度和结构的具体形式有关。一般 来说，在抗侧刚度大的结构中，是局部的P-δ效应占 主导；在抗侧刚度小的结构中，是整体P-?效应占主导。 d)因为前述原因，通常的荷载线性组合不适用于二阶分 析。因此必须在每个组合好的工况进行二阶分析。 在实际的结构中，通常P-?效应是针对结构的整体而言，是 一个宏观的概念；而P-δ效应是针对具体的单个构件而言， 是相对微观的概念。对FEA软件而言，两者都可通过在分 析中考虑附加的所谓的几何刚度（geometric stiffness）反应 出来（考虑P-?效应的方法很多，包括很多迭代法等等，但 考虑几何刚度的方法是这些方法中最有效率的方法之一）。 在STAAD中，用户如果选择执行所谓的PDELTA分析时， 可以让程序考虑几何刚度，分析命令的关键词为PDELTA KG ANALYSIS ，KG关键词指示程序考虑几何刚度。可 同时考虑杆件和板壳的几何刚度，这可应用在对二维板壳模 型的分析中。 结构不可避免的会存在各种几何和物理的缺陷，而这些缺陷 会直接影响结构的稳定承载力，因此用于工程设计的分析必 须能反映缺陷的影响。使用二阶弹性分析计算稳定时，最重 要的一步是对结构的缺陷的估计和模拟，这往往也是最困难
钢结构稳定问题的可靠性研究评述
钢结构稳定问题的可靠性研究评述 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，所以引入可靠度分析必要的。本文从结构体系稳定的可靠性研究的角度对这一领域的研究进行了评述。 关键词：稳定性钢结构体系可靠性 一、钢结构体系稳定性研究现状 （一）钢结构体系稳定性研究现状 近二三十年来，高强度钢材的使用，施工技术的发展以及电子计算机的应用使钢结构体系的发展和广泛应用成为可能。钢结构体系的稳定性一直是国内外学者们关注的研究领域。经过几十年的研究，已取得不少研究成果。 迄今为止，对钢结构基本构件的理论问题的研究已较多，基于各种数值分析的稳定分析已较成熟。但对构件整体稳定和局部稳定的相互作用的理论和设计应用上还有待进行深入的研究。由于结构失稳是网壳结构破坏的重要原因，所以网壳结构的稳定性是一个非常重要的问题，正确的进行网壳结构尤其是单层网壳结构的稳定性分析与设计是保证网壳的安全性的关键。自六十年代以来，网壳结构的非线性稳定性分析一直是国内外学者们注意的焦点。英、美、德、意大利、澳大利亚、罗马尼亚、波兰等国的研究人员进行了多方面的理论方面的理论分析和研究。各种方法如牛顿-拉斐逊迭代法、弧长法、广义逆法、人工弹簧法、自动求解技术、能量平衡技术等使跟踪屈服问题全过程，得到结构的下降段曲线成为可能。国内学者关于网壳结构稳定性也进行了大量研究。文献在国外研究的基础上，通过精确化的理论表达式、合理的路径平衡跟踪技术及迭代策略，实现了复杂结构体系的几何非线性全过程分析，取得了规律性的成果。同时利用随机缺陷模态法和一致缺陷模态法两种方法，对网壳结构各种初始缺陷的影响进行研究，较好地描述了结构的实际承载过程。也有一些学者进行了实验
建筑工程中钢结构稳定设计的重要性
建筑工程中钢结构稳定设计的重要性 建筑工程中钢结构稳定设计的重要性 摘要：下文主要依据笔者从事设计工作的多年工作实践经验，针对钢结构设计中容易出现的稳定的问题进行了阐述，仅供同行参考。 关键词：概念；设计原则； 中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 改革开放以来，我国的现代城市化建设在快速的发展，钢结构设计在城市建设中也越来越重要。现如今，钢结构中的失稳事故大都是由于对结构及构件的稳定性能出现问题造成的，稳定性是钢结构计算中的一个重要环节。在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题。对结构稳定缺少明确概念，造成一般性结构设计中不应有的薄弱环节。本文针对这些问题提出了在设计中应该明确在钢结构稳定设计中的一些基本概念。只有这样我们在设计中才能更好处理钢结构稳定问题。 1 钢结构稳定设计的基本概念 1.1 钢结构的强度与稳定 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是否超过建筑材料的极限强度，因此是一个应力问题。极限强度的取值取决于材料的特性，对混凝土等脆性材料，可取它的最大强度，对钢材则常取它的屈服点。 稳定问题则与强度问题不同，它主要是指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，从而设法避免进入该状态，因此，它是一个变形问题。轴压柱，由于失稳，侧向挠度使柱中增加数量很大的弯矩，因而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度。显然，轴压强度不是柱子破坏的主要原因。 1.2 钢结构的失稳 1.2.1 受弯构件中梁在最大刚度平面内受弯的梁远在钢材到达屈服强度前就可能因出现水平位移而扭曲破坏，梁的这种破坏被称之
为整体失稳。 1.2.2 受弯构件中组合梁大多是选用高而薄的腹板来增大截面 的惯性矩与底抗矩，同时也多选用宽而薄的翼缘来提高梁的稳定性，如钢板过薄，梁腹板的高厚比或是翼缘的宽厚比大到一定的程度时，腹板或受压翼缘在没有达到强度限值就发生波浪形的屈曲，使梁失去了局部稳定。它是使钢结构早期破坏的因素。 1.2.3 受力构件中，截面塑性发展到一定程度构件突然而被压坏，压弯构件失去稳定。而压弯构件的计算则要同时考虑平面内的稳定性与平面外的稳定性。结构失稳的问题十分重要，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。因此，我们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。 2 钢结构设计的原则 为更好地保证钢结构稳定设计中构件不会丧失稳定出了以下原则。 2.1 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,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平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致。 2.2 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。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，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。 2.3 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相符合，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。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。例如，简支梁就抗弯强度来说，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。支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转，同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面
建筑钢结构的稳定性设计综述
建筑钢结构的稳定性设计综述 摘要：建筑钢结构设计不但施工工艺简单，质量轻，而且还具有很高的强度， 但同时钢结构本身也存在一定的不稳定性，在外力干扰作用下，极易发生结构失稳，从而对建筑结构的平衡力和结构产生一定负面影响，一旦结构出现变形，必 然会对钢结构寿命和正常使用造成一定负面影响，从而增加工程事故发生概率。 为了有效改善此情况，有必要进一步分析和研究能够提高建筑钢结构设计稳定性 的设计方法，从而大大提升建筑钢结构的稳定性性能。 关键词：钢结构；稳定性；设计 前言：稳定性是钢结构设计的重要环节。一旦无法保证稳定性，对于这座建 筑而言，将失去它的意义。在建筑钢结构设计中，稳定性的考虑是最基本的问题，假设得到不妥善处理，必然会影响建筑的稳定性。在混凝土钢结构设计中，应先 对钢结构进行计算，再进行验算，以避免钢结构的失稳。为了克服这些困难，保 证建筑结构的性能，目前钢结构稳定设计中存在的缺陷主要集中在钢结构对稳定 性的影响上。 1建筑钢结构概述 1.1建筑钢结构的优点 由于建筑钢结构是一种能保证建设工程稳定的结构，它起着支撑作用，并具 有一定的抗震效果，其塑性和强度都比较强。在发生地震时，钢结构具有一定的 缓冲作用，减少了地震对房屋的破坏，提高了建筑物的安全性。建筑钢结构支撑 着整个建筑物，建筑钢的材料具要比钢筋混凝土材料要精确的多，所以会有部分 人在建筑工程项目中选择使用建筑钢结构。钢结构的可塑性也比较强，钢结构适 用于各种跨度比较大的建筑，较强的可塑性，导致建筑钢结构在受力过程中更加 的合适。而建筑钢结构的施工方法相对简单，建筑钢结构由钢板组成，钢板的生 产工艺也非常简单，大大缩短了施工周期。 1.2建筑钢结构存在的不足 建筑钢结构在建筑工程中的应用还存在一些不足。与其他建筑材料相比，钢 结构的耐腐蚀性和耐火性相对较低。如果有腐蚀性的东西，结构就会损坏。而且，如果发生火灾，房子很容易着火。危险和安全隐患很多。这些情况都不利于房屋 的质量安全。在实际的施工过程中，很多的建筑项目会选择一些强度比较低的钢 结构，这样就会导致建筑项目在施工过程中出现各种各样的问题。 2钢结构稳定设计中的几个问题 2.1结构完整性的影响 在钢结构设计稳定性分析过程中，设计者需要有一种全局感，从整体建筑的 角度考虑钢结构的整体性，充分考虑构件本身的特点。随着数据信息运用效率的 提升，分析钢结构设计中整体刚度、失稳问题的时候常常以临界压力求解法、折 减系数等方式，计算出轴心杆的稳定性。同时弹性稳定性设计也是钢结构设计中 的重要内容，在计算的过程中不仅仅要考虑钢结构本身的稳定性，还要做二阶分析。主要是因为结构内力被建筑结构中部分柔性构件变形量而影响，最后发生变化。对于应力叠加问题，设计人员应充分考虑。由于弹性稳定计算和结构变形关 系分析非常复杂，目前在弹性稳定计算中还没有得到广泛的应用。 2.2不确定因素分析 钢结构设计的稳定性会受到许多不确定因素的影响，主要表现在物理、几何 和力学方面。在结构设计中，涉及到材料、截面面积、构件尺寸、应力等诸多因
钢结构整体稳定性
在钢结构的可能破坏形式中，属于失稳破坏的形式包括：结构和构件的整体失稳；结构和构件的局部失稳。钢结构和构件的整体稳定，因结构形式的不同、截面形式的不同和受力状态的不同，可以有各种形式。轴心受压构件是工程结构中的基本构件之一。其形式分为实腹式轴心受压构件和格式轴心受压构件。在工程结构中，整体稳定通常控制着轴心受压构件的承载力，因为构件丧失整体稳定性常常是突发性的，易造成严重后果，所以应加以特别重视。对于钢构件轴心压杆承载力的极限状态是丧失稳定。轴心压杆整体失稳可能是弯曲屈曲、扭转屈曲、也可能是弯扭屈曲。 1、轴心压杆整体失稳形式 一根完全弹性的材料和无缺陷的轴心压杆，达到承载力的极限状态时，究竟呈弯曲屈曲、扭转屈曲、还是弯扭屈曲，要看它的材料和截面抗弯刚度EI、杆约束扭转刚度、杆自由扭转刚度GJ以及长度L的大小。 1.1弯曲失稳 对于截面没有削弱的双轴对称工字形等截面轴心受压构件，在承受较小压力Ⅳ时，构件可保持顺直。若遇到干扰力使其产生微小变形，在干扰力去掉后，构件将恢复其直线状态。当Ⅳ增加到一定大小后，该平衡状态则会转为不稳定平衡，亦即此时若有干扰力使其发生微变，则干扰力去掉后，构件任保持微弯状态。这时如果压力Ⅳ再稍加，则弯曲变形就会迅速增大而使构件丧失承载能力。这种现象称为构件的弯曲失稳或弯曲屈曲。 1.2扭转失稳 某些抗扭刚度较弱的十字截面和z形截面等轴心受压构件，当Ⅳ达到某一临界值时，构件将发生微扭变形。同样，若N再稍微增加，则扭转变形迅速增大而使构件丧失承载能力。这种现象称为扭转屈曲或扭转失稳。 1.3弯扭失稳 当构件的截面为单轴对称时，可能会发生绕非对称轴弯曲屈曲，也可能会发生绕对称轴弯曲变形并同时伴随有扭转变形的屈曲，这称为弯曲扭转屈曲或弯曲扭转失稳，简称弯扭屈曲或弯扭失稳。 2、考虑各种缺陷时的临界应力 实际工程中钢轴心压杆是弹塑性材料，但理想的轴心压杆并不存在，钢构件
钢结构稳定问题的探索与分析
钢结构稳定问题的探索与分析 【摘要】从钢结构稳定问题的可靠性研究角度对钢结构体系设计、建造以及使用当中存在着许多不确定性因素进行探索与分析。 【关键词】稳定性；钢结构体系；可靠性 ０前言 近二三十年来，高强度钢材的使用，施工技术的发展以及电子计算机的应用使钢结构体系的发展和广泛应用成为可能。钢结构体系的稳定性一直是国内外学者们关注的研究领域。经过几十年的研究，已取得不少研究成果。 １钢结构体系稳定性研究中存在的问题 1.1设计项目层层转包造成设计质量下降 设计项目层层转包主要表现在：当前各大设计院的设计任务相当繁重，所承揽的工艺及综合专业部分设计收付费较高，而钢结构部分确实难啃的硬骨头，费工费力收费低，不愿意承揽钢结构设计任务，或者缺乏钢结构的设计经验，故往往将钢结构部分分包给另一单位。 1.2设计深度不够 1）设计院将自己的设计任务转嫁给加工企业，造成质量下降，设计院只给出“构件布置图”，对关键的“节点设计”一律采用“全焊接节点”或“全铸钢节点”，至于这种节点是否安全、构造是否合理、均无计算。将应该设计的“节点构造”、“支座详图”、“施工安装”等都交给加工企业，有的加工厂为了节约钢材，降低造价，盲目进行钢材优化，结果造成工程质量事故，如某工程，优化后造成杆件太小，致使施工过程中数百个杆件失稳，给国家重点工程造成重大损失。 2）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-柱单元是否能够真实反映网壳结构的受力状态还很难说，虽然有学者对，梁-柱单元进行过修正，主要问题在于如何反应轴力和弯矩的耦合效应。 3）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稳定安全系数，未反映整体稳定与局部稳定的关联性。 4）与张拉结构体系的稳定设计理论还不完善，目前还没有一个完整合理的理论体系来分析张拉结构体系的稳定性。 5）纲结构体系的稳定性研究中还存在许多随机因素的印象，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，随机荷载输入这样格局范围，而在实际工程中，由于结构参数的不确定，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考虑随机参数的穹顶网壳的稳定问题进行过有益的研究。 2钢结构体系稳定问题的可靠性研究 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，缺陷可能会造成稳定性的急剧下降，所以有必要考虑随机参数的影响，引入可靠度分析方法，进行稳定问题的可靠性研究。由于大跨度钢结构体系的可靠性研究涉及较多的力学和数学知识，有一定难度，目前这方面的研究成果有限。网壳结构的稳定性的可靠性分析和设计进行了详尽的研究、丰富了结构可靠度的理论和计算方法，并将其应用与工程结构的分析和设计，显示了良好的前景。
ansys分析钢结构稳定问题
ANSYS软件分析轴压和压弯构件的 稳定性问题
摘要：轴心受压杆件和压弯杆件广泛应用于工程中，本文通过ansys软件对该两种杆件进行分析，对于轴心受压杆件，运用beam189、solid95、shell65单元，进行弹性稳定分析和非线性分析，得到其屈曲荷载和变形情况；对于压弯杆件，在集中荷载和分布荷载的条件下，运用beam3单元进行非线性分析，得到其最大弯矩值，通过和理论值相比较，验证其正确性。 关键词：ANSYS；轴心受压杆件；压弯杆件；非线性分析 Abstract：Axial strut pieces and bending rods are widely used in engineering. This paper, using ANSYS software, analyzes the two rods. For Centrally Compressed Members, this paper using beam189, solid95, shell65 unit, carries out elastic stability analysis and nonlinear analysis, getting the buckling load and deformation. For the bending rod under conditions of concentrated loads and distributed loads, nonlinear analysis was conducted using beam3 unit, getting its greatest moment, and was compared to theoretical value to verify its correctness. Keywords: ANSYS;Centrally Compressed Members; the bending rod member; nonlinear analysis 钢材具有高强度、质轻、力学性能良好的优点，是制造结构物的一种极好的建筑材料，所以广泛运用于工程实例中，它和钢筋混凝土结构相比，对于充任相同受力功能的构件，具有截面轮廓尺寸小、构件细长和构件柔薄的特点。对于因受压、受弯和受剪等存在受压受压区的构件或板件，如果技术上处理不当，可能使钢结构出现整体失稳或局部失稳。失稳前结构物的变形可能很微小，突然失稳使结构物的几何形状急剧改变而导致结构物完全丧失抵抗能力，以致整体塌落。钢结构的稳定性能是决定其承载力的一个特别重要的因素[1]。对于钢结构稳定性的研究也就极其重要。而轴压杆件和压弯杆件是钢结构的基础，对此杆件进行稳定性分析也就是不可避免的和尤为重要的。所以，非常有必要利用大型通用ANSYS软件对这两类杆件进行分析，得到一系列的研究成果。 一、基本理论 结构在荷载作用下由于材料的弹性性能而发生变形，若变形后结构上的荷载保持平衡，这种状态称为弹性平衡。如果结构在平衡状态时，受到扰动而偏离平衡位置，当扰动消除后仍能恢复到原来平衡状态的，这种平衡状态称为稳定平衡状态。根据失稳的性质，结构的稳定问题可以分为平衡分岔失稳，极值点失稳和跃越失稳三种情况。结构的弹性稳定分析属于平衡分岔失稳，在ANSYS中对应的分析类型是特征值屈曲分析（Buckling Analysis）[2]。
钢结构设计的稳定性原则与设计要点
钢结构设计的稳定性原则与设计要点 作者：马云龙 来源：《科学与财富》2020年第26期 摘要：钢结构作为建筑设计中一种主要的建造形式，目前，在大型厂房、桥梁、高层建筑物设计中被广泛应用。钢结构所采用的建筑钢材具有防变形、耐腐蚀、抗震以及符合环保要求等众多优点，因此能够在建筑设计领域得到广泛的应用。建筑工程采用钢结构时，其结构稳定性作为一个至关重要的指标，直接决定了建筑物的质量和使用寿命。本文结合笔者多年的建筑设计经验对建筑工程钢结构的稳定性展开讨论，已对相应问题提供参考。 关键词：建筑;钢结构;稳定性 0.;;; 前言 在建筑工程技术漫长的发展历程中，钢结构占据重要地位，目前，作为一种主流的建筑结构形式，被广泛应用于各类建筑设计中，尤其是在厂房、桥梁、机场、剧院、超高层等大型建筑结构中。在上世纪，由于钢材冶炼技术并不发达，建筑用钢材含碳量较高，其韧性和耐腐蚀性等缺点使得钢结构在建筑设计领域并不受重视，一度被边缘化，几乎淘汰。近年来，随着金属冶炼科技的不断进步，高强度、高韧性、耐腐蚀的建筑用钢材被广泛生产，钢结构又重新受到建筑设计师的青睐，被越来越多地使用在各种工程建造中，在减轻建筑物总体结构重量，提高建筑物整体安全性方面起到了积极作用。[1]随着建筑技术的不断发展，钢结构的使用也越来越广泛，各种复杂的使用条件对其稳定性提出了严峻的考验，本文将详细分析钢结构稳定性的设计在建筑工程使用的要点和原则，并总结相关经验教训。 1.;;; 钢结构的概念 钢结构顾名思义就是以钢材作为结构搭建的主要原材料，通过钢梁、钢板、钢柱等不同的钢制组件，采用焊接、铆接等连接手段进行拼接组装，进行大型建筑物搭建的建筑结构类型。钢结构以各类钢材作为主要材料，与普通混凝土等建筑材料不同，钢材具有重量轻，韧性强等特点，能够承受更大的力，因此在大中型建筑物设计中经常采用钢结构设计。钢结构构造稳定，不易变形，能够为建筑物提供良好的安全稳定性。但是，在某些特殊情况下也有可能出现钢结构失稳的情况，常见的有以下两种情况：一种是过大的压力直接作用在受力平衡点上，造成结构整体受力不均导致失稳。[2]另一种是钢结构构件由于长期使用，导致内部结构发生金属疲劳等问题，内部结构失去支撑作用，导致整体结构失稳。在进行钢结构设计之前，有必要明确这种结构的稳定性特点，才能在设计过程中有的放矢，避免结构弱点，发挥钢结构的优势，使得建筑物中的钢结构发挥更好的作用。 2.;;; 钢结构提高设计稳定性的原则
钢结构的稳定性
钢结构的稳定可分为结构整体的稳定和构件本身的稳定两种情况。 结构整体的稳定，在结构的纵向，主要依靠结构的支撑系统来保证，如钢柱的柱间支撑，钢屋架的上、下弦水平支撑和垂直支撑等。计算时主要考虑支撑系统能可靠地传递结构纵向的水平荷载（风荷载、地震荷载、厂房吊车荷载等）。在结构的横向，主要依靠结构自身（框架或排架）的刚度来保证，计算时主要要考虑结构自身能可靠地传递结构横向的水平荷载。 构件本身的稳定主要由构件组成部份的自身刚度来保证。计算时要保证构件本身及其组成部份（杆件或板件）在荷载作用下不发生屈曲而丧失稳定（这种情况主要发生在受压或压弯构件上）。在实际计算中，一般是用稳定系数来限制钢材的设计强度。使构件中的最大应力不大于钢材的设计强度乘以稳定系数后的值。这样的公式在钢结构的受压和受弯的计算公式中均可见到。 稳定系数是个主要与构件的长细比（杆件）或高厚比（板件）有关的系数，控制了长细
比和高厚比也就等于控制了构件的稳定。 所以说，构件本身的稳定因素主要是构件的计算长度和截面特性，包括平面内和平面外的两个方向。当然，还应该包括材料的强度和应力的大小。 对钢管的强度和稳定性（整体稳定性）都有影响，当钢管受拉时，其破坏是强度破坏，它能承受的轴向拉力设计值为：N=A*f，其中：A是钢管的截面面积，f是钢材的强度设计值，由于钢管壁厚的减小，必然导致钢管截面面积的减小，从而导致钢管承受的轴向拉力值的减小。当钢管受压时，其破坏是稳定性破坏，它能承受的压力设计值为：N=φ*f*A，其中：φ是钢管的整体稳定系数，可以根据它的长细比由钢结构设计规范的附表查到，长细比的计算公式是：λ=l/i，l 是它的计算长度，i是截面的回转半径，由于钢管壁厚的减小，必然导致i的减小，因为i=sqrt（I/A），这里的I是钢管的截面惯性矩，A为截面面积，所以由于壁厚的减小，导致了长细比的增大，从而导致了稳定系数φ的减小，最终导致了稳定承载力设计值的
钢结构的失稳及稳定性设计
2012.05 93 施工技术 摘要：稳定性是钢结构的一个突出问题。在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题。对于这个问题处理不好，将会造成巨大的损失。本文对钢结构失稳分类和失稳问题分析方法进行了总结，并对钢结构的稳定性设计原则和设计中存在的问题进行了探讨。 关键词：钢结构；设计；稳定性；存在问题引言 随着我国国民经济的快速发展以及建筑水平的不断提高，出现了大量的高层建筑物或构筑物，钢结构也被越来越多的设计者运用。钢结构与钢筋混凝土结构相比，具有截面轮廓尺寸小、强度高、自重轻等特点。但对于因受压、受弯和受剪等存在受压区的构件或板件，如果技术上处理不当，可能使钢结构出现失稳，一旦出现失稳事故将造成巨大的损失。因此，稳定问题是钢结构的突出问题，分析钢结构设计中的稳定性问题，研究钢结构的加固方法十分必要。 1 钢结构失稳的分类 钢结构的稳定问题主要是指在外荷载的作用下，整个钢结构是否发生屈曲或失稳现象。正确的区分钢结构的失稳类型，可以更好的评价结构或构件的稳定承载能力。钢结构的失稳现象是多种多样 的，从性质上可分为三类。 1.1 平衡分岔失稳(分支点失稳)完善的（即无缺陷、挺直的）轴心受压构件其端部受到的荷载压力P未达到某一限值时，仍能保持挺直的稳定平衡状态，构建截面承受的压应力是均匀的，沿构建的轴线也只产生相应的压缩变形，当构建截面承受的压力达到或超过一定限值时，构建会突然发生弯曲，导致原来的轴心受压的平衡形式转变为与之相邻的但是带 弯曲的新的平衡形式，这就是平衡分岔失稳。这一过程可用图1中的荷载—侧移曲线OAB 来表示。 其特征是当荷载逐渐增加时，结构原有的平衡形式被破坏了，并出现了与原平衡形式有本质区别的新的平衡形式，由稳定平衡转变为不稳定平衡，出现了稳定性的转变。完善的（即无缺陷、挺直）轴心受压构件和完善的在中面内受压平板的失稳都属于平衡分岔失稳问题，属于这一类的还有理想的受弯构件以及受压的圆柱壳等的失稳。 1.2 无平衡分岔失稳(极值点失稳) 极值点失稳是指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了稳定的能力，发生失稳时的荷载值Pu 就是构件的实际极限荷载(图1中C 点)，这类的平衡状态是渐变的，与平衡分岔失稳具有本质的区别。 1.3 跃越失稳 如图2所示的两端铰接较平坦的拱结构，在均布荷载q的作用下有挠度w，其荷载曲线也有稳定的上升段OA，但是达到曲线最高点A 时会突然跳跃到一个非邻近的具有很大变形的C 点，拱结构顷刻下垂。在荷载挠度曲线上，虚线AB 是不稳定的，BC 段是稳定的而且保持上升趋势，但是因为结构已经被破坏，固不能被利用。由此可以看出跃越失稳不存在平衡分岔点，也没有极值点，是失稳发生后又跳跃到另一个稳定的平衡状态。 2 钢结构稳定设计的原则 为了更好的保证钢结构稳定设计中构件的稳定性，实际设计时必须遵守以下三项原则。 2.1 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平面失稳，需要从构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致。 2.2 结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致目前设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分析而是代之以框架柱的稳定计算。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，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。 2.3 满足构件的稳定计算必须与设计结构的细部构造保持一致在钢结构的设计中，要使得构造设计和结构计算相互匹配。设计者要区分某些节点的连接是否传递弯矩，从而针对性的赋予其足够的柔度和强度。设计者注意构件细部的设计与处理，如设计桁架节点时，要注意减少杆件偏心的问题等。 3 钢结构稳定性设计中存在的问题 虽然钢结构稳定设计的理论和方法在逐步完善，但在实际设计过程中仍然存在着一些问题，这些问题处理不好对钢结构的稳定性同样会造成很大的影响。 3.1 忽视钢结构材料的缺陷而导致的计算出现误差在钢结构的实际设计和计算过程中，为了方便计算，一般把钢材按照完全弹性材料做一阶分析，但是实际中使用的钢材为弹塑性材料，设计中对钢材客观存在的缺陷（如残余应力、初弯曲、初偏心等）没有重视，从而导致稳定计算和现实结构的稳定承载能力出现偏差。 3.2 钢结构稳定性研究中存在随机因素的影响 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 钢结构的失稳分析及稳定性设计探讨 王炳宇 延安大学西安创新学院建工系 转下页