至Ｑ 至 ：Ｑ Ⅱｌｎａ ｅｗ ｉｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ 建筑技术 钢结构稳定性问题探析 梁瞍 （贵州大学职业技术学院，贵州贵阳市５５０００４） 摘要：在钢结构设计中，稳定是较为重要的一个环节。本文从钢结构失稳的类型入手，阐述了钢结构稳定性的分析方法，最后结合实践 经验，提出稳定设计需要注意的问题，并在论述中分析了设计规范中的相关条文的根据及其合理性，对设计人员加深对规范的理解和正 确应用具有一定借鉴意义。 关键词：钢结构；稳定性；设计 中图分类号：ＴＵ９７ 文献；际识码：Ａ １．钢结构失稳的类型 （１）第一类稳定问题或者具有平衡分岔 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荷载值时，加速度和 缘厚而窄，冷却得慢，最后呈现残余拉应力， 而腹板上大部分是残余压应力。另外，一般来 的稳定问题（也叫分支点失稳）。完善直杆轴 心受压时的屈曲和完善平板中面受压时的屈 曲都属于这一类。 （２）第二类稳定问题或无平衡分岔的稳 定问题（也叫极值点失稳）。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）跃越失稳是一种不同于以上两种类 型，它既无平衡分岔点，又无极值点，它是在 丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状 态。但和不稳定分岔失稳又有某些相似的现 象，都在丧失平衡之后又跳跃到另一个稳定 平衡状态。当前，随着稳定问题研究的逐步深 入，上述分类看起来已不够了。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。一方面要真正掌握 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；另一方 面就是深入构件屈曲后性能的研究。 ２．钢结构稳定性的分析方法 ２．１平衡法 该法是求解结构稳定极限荷载的最基本 方法。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，然后解出临界荷 载。在建立平衡微分方程时遵循如下基本假 定：ｆ１）构件是等截面直杆。（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形后仍为平截面。 （５）构件的弯曲变形是微小的，曲率可以近似 地用挠度函数的二阶导数表示。根据以上假 定条件，建立平衡微分方程，代人相应的边界 条件，即可解得轴压构件的临界荷载。 ２．２能量法 能量法是求解稳定承载力的一种近似方 法，通过能量守恒原理和势能驻值原理求解 临界荷载。ｆ１）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，即能量 守恒原理。其临界状态的能量关系为：Ａｗ＝ △ｕ，式中△ｕ指应变能的增量；ＡＷ指外力 功的增量。由能量守恒原理可建立平衡微分 方程。ｆ２）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。表达式为：ｄ ＩＩ＝ｄＵ－－ｄＷ＝０。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指外力在虚位移上作的 功。 ２－３动力法 处于平衡状态的结构体系，若施加微小 干扰使其发生振动，这时结构的变形和振动 变形的：手向相反，因此干扰撤去后，运动趋于 静止，结构的平衡状态是稳定的；当荷载大于 稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向 相同，即使撤去干扰，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，可由结构的振动频 率为零的条件解得。 ３．钢结构稳定设计中需注意的问题 ３．１正确选择轴心受压构件的截面类型 一般，钢结构的稳定设计多采用长度系 数计算法，该法方便简单，但关键是如何确定 构建的截面类型，从而根据构建的长细来确 定稳定系数‘ｐ。《钢结构设计规范》中把轴心 受压构件的截面分成ａ、ｂ、ｃ、ｄ四类。设计人 员应该明确截面的分类主要是几何缺陷和残 余应力对不同截面影响程度不同，其中残余 应力起主要作用。不同形状的截面会有不同 的残余应力分布，相同形状的截面因成型的 方法不同 Ｌ制或焊接）和尺寸比例的不同也 使残余应力有很大的不同。对于Ｈ形和工字 型截面来说，腹板上的残余应力没有翼缘上 的影响重要，设计人员应注意翼缘中的残余 应力的分布特点和数值优其是残余压应力）。 对于轧制Ｈ形钢翼缘上的残余压应力 很大，对截面绕Ｙ轴的刚度削弱很多，对稳定 不利，且残余应力大小随着宽高比ｂ／ｈ而异。 宽高比越大，翼缘上的残余压应力也越大，因 此就轧制Ｈ形钢而言，当ｂｌｈ≤０．８时，对ｘ 轴是Ａ类截面，对ｙ轴是Ｂ类截面。当ｂ／ｈＩ＞ Ｏ．８时，对ｘ轴和ｙ轴都是Ｂ类截面；而对于 焊接的Ｈ形截面来说，焊缝附近有很高的残 余拉应力。对于焊接构件，若翼缘板是轧制而 成的宽扁钢或是经剪切机剪切时，翼缘两边 有很高的残余压应力带，对于Ｙ轴的稳定不 利，故该截面类型对于ｘ轴和ｙ轴分别属于 Ｂ、ｃ类；而若翼缘板是火焰切割而成，且未经 过刨边，翼缘边缘为残余拉应力，对于Ｙ轴 稳定就有利得多，故该类型的截面对于ｘ轴 和Ｙ轴均属Ｂ类截面。对于轧制工字钢，因翼 缘较厚，故翼缘残余应力全为拉应力，稳定性 能良好。但是考虑到轧制工字钢翼缘宽度较 小，故对Ｘ轴和Ｙ轴的稳定计算分别属Ａ和 Ｂ类。对于钢管残余压应力很小，稳定性能良 好，故对ｘ轴和Ｙ轴的稳定计算均属Ａ类。 对于焊接箱形截面残余压应力的大小主要是 和壁板的宽厚比ｂ／ｔ有关，ｂ，ｔ越大，残余应力 就越小，故规范按照壁板的宽厚比ｂ／ｔ＞２０和 ｂ／ｔ＜２０分别属于Ｂ和ｃ类截面。截面残余应 力主要是因为在轧制过程中不均匀冷却造成 的。宽翼缘的Ｈ形钢翼缘和腹板交接处的材 料最厚，冷却最慢，其翼缘的残余应力分布和 板类似，但腹板两端受拉。普通的工字形钢翼 说，板件的厚度越大，残余应力就越大，且有 沿着厚度变化的特点，导致其抗压性能有别 于一般的压杆。这主要是钢材在轧制过程中 可以破坏钢锭的铸造组织，细化钢材的晶粒， 并消除显微组织的缺陷。经过热轧后，钢材组 织密实，力学性能得到改善。所以规范中把板 件的厚度大于或等于４０ｍｍ的厚壁构件用表 列出来，且其中有两种情况属于Ｄ类。 ３．２结构计算简图和实用计算方法所依 据的简图相一致 杆件稳定计算的常用计算方法，往往是 根据一定的简化和假设或是典型情况得到 的，设计者须明确所设计的结构符合这些假 设才能正确使用。当计算的对象和实用计算 方法的简图有差别时，设计人员应对简图的 差异造成的后果作到心中有数。如：框架柱稳 定计算所用的计算长度系数是针对横梁不承 受轴力的情况得出的。若横梁承受比较大的 轴压力时，采用这些数据就会得出不安全的 后果。所以规范附录（规范Ｐ１３一Ｐ１３５）说明： “当与柱刚性连接的横梁所受轴心压力Ｎｂ比 较大时，横梁线刚度应该乘以折减系数 ０【Ｎ。” 对于无侧移框架柱：当与柱子刚性连接 的横梁所受轴心压力Ｎｂ较大时：ｃｔＮ＝ｔ—Ｎｂ／ ＮＥｂ；横梁远端嵌固时：ｃ￣Ｎ＝ｌ—Ｎｂ／（２ＮＥｂ）。 对于有侧移框架柱：横梁远端与柱刚接 时：ｏ【Ｎ＝１一Ｎｂ／（４ＮＥｂ）；横梁远端铰支时：ｃｔＮ＝ １一Ｎｂ／ＮＥｂ；横梁远端嵌固时：ｃｔＮ＝１一Ｎｂ／ （２ＮＥｂ）。 式中，ＮＥｂ＝ｗ２ＥＩｂ／１２；Ｉｂ为横梁截面的惯 性矩；Ｌ为横梁的长度。 ３－３设计结构的细部构造和构件的稳定 计算相一致，使两者有很好的一致性。例如： 按照简支梁计算其稳定性，就要求在细部构 造上确保梁端不发生扭转。如果梁端支座不 能有效地阻止扭转，则稳定性能将在一定程 度上有所降低。 ３．４设置必要的支撑构件确保框架等的 杆件不出现平面失稳现象。平面结构构件的 平面稳定计算必须和结构布置相一致。 参考文献 【１】建华．铜结构稳定性分析 科技信息， ２００９，（１０）：６５． 【２】孙普，张娜．铜结构稳定设计心得［Ｉ１．建设科 技，２００９，（４）：４９—５０． 中国新技术新产品 一１９３—
