第二章钢结构稳定问题概述
钢结构稳定性设计出现的问题与解决方法分析
钢结构稳定性设计出现的问题与解决方法分析引言伴随着我国经济的快速发展，我国的建筑工程要求越来越高，钢结构在工程当中的应用也越来越广泛，在钢结构设计当中稳定性设计是非常重要的组成部分，做好这一部分工作可以很好的减少不必要的经济损失。
目前来说，钢结构稳定性设计已经成为整个钢结构设计，甚至是结构设计领域当中比较热门的问题，也是整个行业的发展趋势和目标。
因此最大限度做好钢结构稳定性设计不仅仅节约资源，还能保证工程质量，减少工程事故的发生。
1、钢结构稳定性设计的重要性在目前存在的钢结构建筑当中有相当一部分存在稳定性差的问题，主要的问题关键就是设计者在进行设计时没有很好的将钢结构当中的材料和结构的相关性能弄清楚，同时缺乏稳定性设计概念。
包括施工企业在施工过程当中没有严格按照设计和规范要求进行，从而导致失稳现象的产生，往往造成巨大的经济损失。
因此在建筑工程设计与施工当中做好钢结构稳定性设计是至关重要的，不仅仅关系到整个建筑工程的质量，同时还关系到相关人员的生命财产安全。
因为钢结构失稳导致的是整个建筑物的倒塌，而不是某一个部位出现问题，造成的经济损失和人员伤亡是不可估量的。
在现阶段我国的工程实际当中做好钢结构稳定性设计已经是迫在眉睫了，在关注钢架构设计稳定性问题的同时，采取有针对性的措施，保证钢结构建筑物的安全稳定是具有重要意义。
2、稳定性的设计原则2.1细部构造和构件稳定性计算方法在进行钢结构设计时需要将设计的构造和对应的结构计算对应起來，在满足结构的稳定性的同时还需要满足结构的细部设计要求，是两者达到高度的一致性。
连接节点当中需要传递传递弯矩就需要设计足够的刚度和柔度；在桁架结构设计中，针对节点位置应该要尽量的减少杆件的偏心，对于钢结构设计来说，这也仅仅是构件的细部构造，但是在稳定性设计当中，对于细部的构造就会有很多其他的要求，例如对简支梁来说，其抗弯强度主要就是针对动铰支座是允许其在平面内转动的，但是在梁的整体稳定性当中，支座不仅仅需要满足上述要求满足梁绕纵轴扭转的要求，允许梁在平面内转动以及在梁端截面自由的翘曲。
钢结构设计中的稳定性问题分析
钢结构设计中的稳定性问题分析摘要：目前，钢结构中的稳定问题不但令经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡。
现代工程史上因失稳而造成的钢结构事故数量不断增多，所以加强钢结构设计中的稳定性已势在必行。
文章主要通过笔者多年的工作实践，针对钢结构设计中的稳定问题进行分析，并提出了有效的解决措施。
关键词：钢结构；稳定；设计Abstract: at present, the steel in the stability problems not only make economic caused heavy losses, but also caused the personnel casualties. In the history of modern engineering for instability caused by the increasing number of steel structure accident, so to strengthen the stability of steel structure design is imperative. This article mainly through the writer’s many years experience in steel structure design of the stability problems are analyzed, and puts forward some effective measures.Keywords: steel structure; Stability; design一．钢结构稳定设计的主要原则根据笔者多年的工作经验，保证钢结构在设计中的稳定主要包括三方面的原则。
1．钢结构布置时，应考虑各个环节的稳定性要求目前的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。
为了令这些平面结构不致出现平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。
论钢结构设计中稳定问题
论钢结构设计中的稳定问题【摘要】钢结构中的稳定问题是钢结构设计中以待解决的主要问题，一旦出现了钢结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡。
本文介绍了钢结构稳定设计的基本概念，分析了钢结构稳定设计和施工原则。
【关键词】钢结构，稳定设计，施工原则【 abstract 】 steel in the stability problem is steel structure design of the main problems for solving, once appear, the steel structure of the instability accident, not only for the economy caused heavy losses, but also caused the personnel casualties. this paper introduces the design of the steel structure stability basic concept, this paper analyzes the design and construction of steel structure stability principle.【 key words 】 steel structure, stable design, construction principle中图分类号：s611文献标识码：a 文章编号：现代工程史上不乏因失稳而造成的钢结构事故，其中影响最大的是1907 年加拿大魁北克一座大桥在施工中破坏， 9000 吨钢结构全部坠入河中，桥上施工的人员75 人遇难。
破坏是由于悬臂的受压下弦失稳造成的。
而美国哈特福特城的体育馆网架结构，平面92m x 110m,突然于 1978年破坏而落地，破坏起因可能是压杆屈曲。
以及1988 年加拿大一停车场的屋盖结构塌落， 1985 年土耳其某体育场看台屋盖塌落，这两次事故都和没有设置适当的支撑有关。
探讨钢结构的稳定性
探讨钢结构的稳定性在现代建筑领域中，钢结构以其独特的优势占据着重要的地位。
它具有强度高、重量轻、施工速度快等优点，被广泛应用于各种大型建筑和基础设施中。
然而，钢结构的稳定性问题却是一个至关重要的考量因素，直接关系到建筑的安全和可靠性。
要理解钢结构的稳定性，首先需要明确什么是“稳定性”。
简单来说，稳定性指的是结构在受到外力作用时，保持原有平衡状态的能力。
对于钢结构而言，这意味着在承受各种荷载，如风荷载、地震荷载、自重等时，不会发生突然的变形、失稳甚至倒塌。
钢结构稳定性的影响因素众多。
材料的性能是其中的关键之一。
钢材的强度、弹性模量、屈服点等特性直接决定了其能够承受的应力大小。
如果钢材质量不过关，或者在使用过程中出现了性能退化，那么钢结构的稳定性就会受到威胁。
结构的几何形状和尺寸也是重要的影响因素。
例如，柱子的细长比过大，就容易发生弯曲失稳；梁的跨度与截面高度的比例不合理，可能导致挠度过大，影响结构的稳定性。
此外，节点的连接方式和质量也不容忽视。
节点连接不牢固或者设计不合理，会使得力的传递出现问题，从而引发局部失稳，进而影响整个结构的稳定性。
荷载的类型和大小同样对钢结构的稳定性产生重要影响。
不同类型的荷载，如风荷载、地震荷载等，作用方式和作用效果各不相同。
过大的荷载会使钢结构承受超出其承载能力的应力，导致结构失稳。
在实际工程中，必须准确地计算和分析各种荷载，以确保钢结构在设计使用年限内的稳定性。
钢结构的稳定性问题还与施工质量密切相关。
在施工过程中，如果焊接质量不过关、安装偏差过大或者防腐处理不当，都会削弱钢结构的性能，增加其失稳的风险。
例如，焊接过程中产生的残余应力可能导致局部材料性能的改变，影响结构的整体稳定性；安装偏差可能导致结构受力不均匀，从而引发失稳。
为了确保钢结构的稳定性，工程师们在设计阶段就需要进行精心的计算和分析。
他们会运用各种理论和方法，如欧拉公式、有限元分析等，来评估结构在不同工况下的稳定性。
钢结构设计中稳定问题的研究
钢结构设计中稳定问题的研究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，这些建筑结构中广泛的运用了钢结构设计。
研究分析钢结构的稳定性问题，具有非常重要的意义。
标签：钢结构；设计；稳定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。
1、钢结构稳定性的涵义所谓钢结构稳定性一般来说，指的是在建筑中钢结构经过外界扰动后恢复到最初平衡状态的性能。
同样的道理，与之相对的属性即失稳，也就是建筑结构因外界扰动而自最初的平衡位置移动到其他位置。
许多严重事故就是由于钢结构在外界条件发生变化时不稳定，出现结构失稳的现象，导致建筑物坍塌等事故，最终造成重大经济损失。
所以稳定性问题是钢结构设计中的一个关键性问题，与工程质量和安全密切相关。
2、钢结构稳定性设计中存在的问题2.1强度与稳定矛盾强度的问题通常就是指建筑钢结构中单个构件在平衡和稳定的状态下所引起的最大的应力荷载是否在建筑材料自身可以承受的荷载之内，所以是建筑结构承受应力能力的问题，极限强度的大小主要是看材料本身所具备的特点，针对混凝土一类的脆性比较强的材料就可以选取材料的最大强度，但是稳定性和强度是存在着比较大的差异的，它主要是看外部的荷载和内部的抵抗力是否已经达到了—个比较平衡的状态，也就是说要在设计的过程中避免变形过陕的现象，从这一角度来看，稳定性是变形的问题，所以二者是不能统—起来的。
2.2不确定因素的影响在钢结构稳定性设计的研究过程中会受到很多不确定性因素的影响，同时在确定稳定性有关的物理量和力学变量的时候主要都是依照以往的经验的，所以对实际状况的分析还存在着很大的不足，所以这也会增加设计过程中的不确定性，设计人员在进行设计的过程中应该建立一个符合结构要求的模型，但是这些模型本身也具备了一些不确定性，如果将这些模型直接应用在实际的设计工作中一定会对设计的质量和效果产生一定的不利影响。
(2021年整理)《钢结构设计原理》陈绍蕃讲义
（完整）《钢结构设计原理》陈绍蕃讲义编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（（完整）《钢结构设计原理》陈绍蕃讲义）的内容能够给您的工作和学习带来便利。
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钢结构设计原理第一章钢结构的基本性能建筑工程中，钢结构所用的钢材都是塑性比较好的材料，在拉力作用下,应力-应变曲线在超过弹性后有明显的屈服点和一段屈服平台,然后进入强化阶段.传统的钢结构设计，以屈服点作为钢材强度的极限，并把局部屈服作为承载能力的准则。
目前利用塑性的设计方法已经提上了日程。
钢材和其他建筑结构材料相比，强度要高得多。
在同样的荷载条件下，钢结构构件截面小，截面组成部分的厚度也小。
因此，稳定问题在钢结构设计中是一个突出的问题。
建筑结构钢材有较好的韧性。
因此，钢结构是承受动荷载的重要结构。
钢材的韧性也不是一成不变的。
材质、板厚、受力状态、温度等都会对它产生影响。
【钢材的生产及其对材性的影响】建筑结构所用的钢材包括两大类:一类是热轧型钢和钢板；另一类是冷成型（冷弯、冷冲、冷轧）的薄壁型钢和压型钢板。
一、钢的熔炼冶炼按需要生产的钢号进行，它决定钢材的主要化学成分。
炼钢的原料为99%钢水+废钢+合金元素。
平炉炼钢的质量优于转炉炼钢的质量。
目前，我国采用转炉炼钢,转炉钢具有投资少、建厂快、生产效率高、原料适应性强等优点.二、钢的脱氧脱氧的手段是在钢液中加入和氧的亲和力比铁高的锰、硅和铝.脱氧的程度对钢材的质量颇有影响。
锰是弱脱氧剂.硅是较强的脱氧剂。
铝是强脱氧剂.钢液中含有较多的FeO，浇注时FeO和碳相互作用，形成CO气体逸出,引起钢液的剧烈沸腾，这种钢称之为沸腾钢。
钢结构设计原理
钢结构设计原理的读书笔记一、钢结构的基本性能钢结构的内在特性是由它所用的原材料和所经受的一系列加工过程决定的。
外界的作用，包括各类荷载和气候环境对它的性能也有不可忽视的影响。
钢材和其他建筑结构材料相比，强度要高得多。
在同样的荷载条件下，钢结构构件截面小，截面组成部分的厚度也小。
因此，稳定问题在钢结构设计中是一个突出的问题。
只要构件及其局部有受压的可能，在设计时就应考虑如何防止失稳。
建筑钢结构钢材有较好的韧性。
因此，有动力作用的重要结构经常用钢来做。
但设计这类钢结构，还必须正确选用钢材，当荷载多次重复时，还应从计算、构造和施工几个方面来考虑疲劳问题。
钢材的韧性并不是一成不变的。
材质、板厚、受力状态、温度等都会对它有所影响。
深入了解钢结构的特性，必须从钢材开始，本章着重论述材料和施工过程对钢结构的影响。
1.1 钢材的种类钢材——铁(Fe)、碳(C)及其它元素的合金。
铸铁(C>2%) ，钢(2%>C>0.05%) ，熟铁(C<0.05%)。
化学成分——碳素钢，低合金钢，不锈钢，耐候钢。
建筑结构所用的钢材包括两大类：热轧型钢和钢板；冷成型（冷弯、冷冲、冷轧）的薄壁型钢和压型钢板1.2 钢材的性能指标一、机械性能1.单向拉伸试验——标准材性试验应力s—应变e曲线弹性模量E=2.06X105屈服强度(yield strength) fy抗拉强度(tensile strength) fu伸长率(elongation) d线膨胀系数 1.2x10-5E为常量，低碳钢有明显屈服点，fy作为破坏标志，fu/fy为强度储备，伸长率d表示塑性变形能力。
2.冷弯(cold bending)试验—冷弯角a、加工性能，塑性变性能力，材质均匀性，a=180度合格。
3.冲击(impact toughness)试验—冲击功Akv抗脆断(brittle fracture)、抗动载能力。
Akv=27J或34J合格，常温(20℃)和低温(0℃，-20℃，-40℃) 试验。
钢结构稳定的概念设计
首先，我们来了解一下钢结构稳定设计的基本概念。钢结构稳定设计主要是 研究结构在受到外力作用下的稳定性，防止结构发生失稳或屈曲的现象。失稳是 指结构在受到外力作用后，没有发生整体变形，而是出现了局部弯曲或扭曲的现 象。屈曲则是指结构在受到外力作用后，发生了整体变形，并且这种变形是不可 恢复的。因此，钢结构稳定设计的主要目标是防止这两种现象的发生。
2、稳定安全系数：稳定安全系数是指在荷载作用下，结构所能承受的最大 应力与极限应力的比值。在钢结构稳定设计中，需要综合考虑各种因素的影响， 确定合理的稳定安全系数。
五、实际工程中的钢结构稳定设 计案例及设计原则解释
以某桥梁工程为例，该桥梁为钢箱梁结构形式，跨度为30米。在桥梁设计中， 需要考虑到车辆通行、风载、地震等多种荷载因素的影响。为保证桥梁的稳定性， 设计时采用了以下措施：
1、杆件强度：选用高强度钢材作为桥梁的主要构件材料，以提高其承载能 力和稳定性。
2、支座形式：采用四氟板式橡胶支座作为桥梁的支撑形式，以减小支座对 结构稳定性的影响。
3、荷载分布：通过对桥面进行合理的配重和分布设计，使桥梁在不同荷载 作用下的稳定性得到保证。
4、长细比控制：在设计中严格控制桥梁的截面尺寸和长细比，使其符合规 范要求，以保证结构的稳定性。
二、钢结构稳定的定义及相关概 念
在钢结构稳定分析中，通常需要考虑两种类型的稳定问题：平面稳定和空间 稳定。平面稳定是指结构在某一平面内的稳定性，而空间稳定则是指结构在三个 维度上的稳定性。
1、简支梁：简支梁是一种常见的简单结构形式，其稳定性是钢结构稳定分 析中的重要内容之一。简支梁的稳定性主要受到荷载作用位置和支撑条件的影响。
2、固支梁：固支梁是一种两端固定支撑的结构形式。在固支梁的稳定性分 析中，需要考虑支撑条件和荷载作用位置的影响。
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2020/8/5
失稳实例－－Hartford 城体育馆
原因分析：
受压弦杆和腹杆采 用4个等边角钢组 成的十字形截面， 抗扭刚度差； 设计时只考虑了弯 曲失稳，没考虑扭 转屈曲及支撑杆件 的弯扭屈曲。
2020/8/5
失稳实例－－辽宁某重型机械厂会议室
2020/8/5
1.1 钢结构失稳破坏概述
• 稳定性是钢结构破坏的突出问题
钢结构破坏的极限状态； 钢结构容易失稳的原因； 失稳的例子；
钢结构受压失稳的脆性破坏特征
脆性破坏的特征 可靠度指标b
2020/8/5
失稳实例－－Quebec 钢桥的破坏
2020/8/5
1900 开始修建
失稳实例－－Quebec 钢桥的破坏
2020/8/5
2020/8/5
2020/8/5
门式钢架摇摆柱的稳定问题与此类似 注意边柱的计算长度
局部稳定和整体稳定的关系
2020/8/5
整体缺陷促使截面局部弱化， 局部弱化反过来又影响整体承载力
5.失稳的多样性
2020/8/5
1.4 稳定设计的几项原则
• 结构整体布置必须考虑整个体系组成部分的稳 定性要求
2020/8/5
课程安排
• 钢结构基本性能（钢材的性能） • 钢结构的疲劳
• 钢结构的断裂 －－－－－《钢材材性》
钢结构稳定问题概述 拉杆 轴心压杆 受弯构件 压弯构件和框架 连接 构造设计 冷弯薄壁型钢结构特点 钢结构设计其它问题
2020/8/5
1. 钢结构稳定问题概述
• 1.1 钢结构失稳破坏概述 • 1.2 失稳的类别 • 1.3 稳定问题的特点 • 1.4 稳定设计的原则
2020/8/5
静定和超静定结构的区分失去意义
2020/8/5
3.叠加原理不再适用
叠加原理：适用条件－－弹性；小变形
2020/8/5
2020/8/5
4.稳定要作整体分析 强度问题：某个截面的应力大小问题 稳定问题：与构件的整体刚度有关系，而仅非截面问题
2020/8/5
构件和整体结构的关系
***错误的解答：左柱按两端铰接，计算长度1.0； 右柱按悬臂柱，计算长度2.0；
长度相同的一对拉杆和压杆安装错误
1970年前后大跨度箱形截面钢梁桥事故：
带纵向加劲肋受压板未考虑初始缺陷和残余应力影响
输电线塔架腹杆失稳破坏：
未考虑支撑杆件在平面外自身的变形问题导致的约束作用下降
…….go back
2020/8/5
失稳破坏的脆性特征
* 突然性，小变形，无征兆－－不同于受拉时的性能
第I类稳定：分岔屈曲－－稳定分岔屈曲
屈曲的特点：
由直的平衡状态过渡到微弯的平衡状态；完善构件在理想状态下发生； 屈曲后荷载有所增加，甚至增加很显著（可利用其屈曲后强度） 2020/8/注5 意：图中是N-△关系，而非N-挠度关系
第I类稳定：分岔屈曲－－稳定分岔屈曲
2020/8/5
第I类稳定：分岔屈曲－－不稳定分岔屈曲
2020/8/5
1.3 稳定问题的特点
• 要考虑变形对外力效应的影响
一阶分析；二阶分析；三阶分析
静定和超静定结构的区分失去意义 叠加原理不再适用 失稳分析的整体性 失稳的多样性
2020/8/5
1.要考虑变形对外力效应的影响
内力计算：不考虑变形的影响－－一阶分析
稳定计算：原则上要考虑变形的影响－－二阶分析
2020/8/5
1907 倒塌场景
破坏后果：
9000顿钢材掉入河 中；75人遇难。
原因分析：
悬臂4肢格构式下 弦压杆的缀材面积 太小（1.1％），导 致压杆单肢失稳， 而后整体失去稳定。
失稳实例－－Quebec 钢桥的破坏
1916 倒塌场景
（支点强度不足，10人死亡）
2020/8/5最长的悬臂桥 Nhomakorabea失稳实例－－Hartford 城体育馆
2020/8/5
失稳破坏的脆性特征
* 突然性，小变形，无征兆－－不同于受拉时的性能
2020/8/5
附：脆性破坏的可靠性指标b
* 脆性破坏更危险，可靠度指标要大些－－3.2；3.7
2020/8/5
1.2 钢结构失稳的类别
• 分岔屈曲
稳定分岔屈曲； 不稳定分岔屈曲
极值点失稳 跃越失稳
2020/8/5
屈曲的特点：
屈曲后荷载显著降低方可保持平衡（有限干扰屈曲）； 缺陷敏感性
2020/8/5
第II类稳定：极值点失稳
屈曲的特点：
2020/8/5
偏心压杆及非完善构件；失稳时一般已进入塑性状态； 破坏的本质是考虑双重非线性后的强度问题
第III种失稳类型：跃越失稳
屈曲的特点：
发生屈曲后，经历一个大变形过程到达一个新的强度回升的路径（但是：此 时结构一般不能正常使用）；
2020/8/5
失稳实例－－辽宁某重型机械厂会议室
原因分析：
14米跨长的重型屋架设 计成梭形轻钢屋架； 受压腹杆中部的矩形钢 箍支撑没区分绕两个轴 的稳定性； 误用计算长度系数。 受压腹杆失稳导致破坏
破坏后果：
42人死亡； 179人受伤。
2020/8/5
失稳实例－－其它
前苏联古比雪夫列宁冶金厂车间钢屋架塌落：
大变形、大挠度：－－三阶分析
2020/8/5
1
3
12 2
1
2.静定和超静定结构的区分失去意义 内力计算：
静定结构－－静力平衡关系，与变形无关 超静定结构－－静力平衡关系+变形协调 稳定计算：平衡法－－平衡微分方程同，边界条件有差
异，但都是基于变形后的状态
2020/8/5
静定和超静定结构的区分失去意义
屋架系统的支撑布置；门架系统的支撑布置；体育馆
看台－－悬臂杆件；塔架杆件与横隔－－面外
要明确稳定设计方法的假设条件
框架柱－－横梁无轴力假定； 摇摆柱－－专门的计算长度
注意细部构造
隅撑的设置；拉条的设置；梁端部约束的作用……
2020/8/5