淺談鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計

李奕寬

（山東省城建設(shè)計院 山東省濟南市 250001）

1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則

①結(jié)構(gòu)的總體布局必須考慮到整個系統(tǒng)及其組件的穩(wěn)定性要求。目前大多數(shù)結(jié)構(gòu)都是按照平面系統(tǒng)設(shè)計的，如桁架和框架。為了確保這些平面結(jié)構(gòu)不會導(dǎo)致平面不穩(wěn)定，有必要從結(jié)構(gòu)的整體布置中解決它們，即設(shè)計必要的支撐構(gòu)件。也就是說，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面穩(wěn)定性計算必須與結(jié)構(gòu)布置一致，并且必須注意構(gòu)件的穩(wěn)定性與橫向分離設(shè)置之間的關(guān)系。②結(jié)構(gòu)計算圖和實際計算方法符合簡圖，這對框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計算非常重要。在設(shè)計單層和多層幀結(jié)構(gòu)時，幀穩(wěn)定性分析通常不會執(zhí)行，而是由幀列取代。穩(wěn)定性計算。當(dāng)使用這種方法時，用于計算框架柱穩(wěn)定性的計算列長度系數(shù)應(yīng)從框架的整體穩(wěn)定性分析中獲得，以便柱穩(wěn)定性計算可等效于框架穩(wěn)定性計算。但是，實際的框架是各種各樣的。在設(shè)計中，為了簡化計算，需要根據(jù)規(guī)范設(shè)置一些典型條件。設(shè)計師必須確保所設(shè)計的結(jié)構(gòu)在能夠正確應(yīng)用之前滿足這些條件。在實際工程中，基于框架計算圖和實際方法的示意圖不一致的情況可能有以下兩種類型，即搖桿框架和梁受到較高壓力的框架。如果根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)計算這兩個條件，就會導(dǎo)致不安全的后果。因此，使用的計算方法應(yīng)該與假設(shè)和具體的計算對象一致。③設(shè)計結(jié)構(gòu)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和部件的穩(wěn)定性計算必須相互協(xié)調(diào)，使得結(jié)構(gòu)計算的一致性和兩者的結(jié)構(gòu)設(shè)計是一致的，而且一直是個問題在結(jié)構(gòu)設(shè)計上注重。傳遞彎矩而不傳遞彎矩所需的接頭應(yīng)分別具有足夠的剛度和柔性，并且桁架接頭的設(shè)計應(yīng)盡量減小構(gòu)件的偏心率。設(shè)計師在處理結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)時通常會考慮這些問題。但是，就穩(wěn)定性而言，通常會有不同于施工強度的要求或特殊考慮因素。

2 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的計算方法

2.1 靜力法

靜力法是解決結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極限荷載過程中最基本的方法之一。根據(jù)微小變形的發(fā)生情況分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況，建立微分方程，解決臨界載荷問題。在建立平衡微分方程時，需要以下基本假設(shè)：①施工是等截面的直線鋼筋；②確保壓力始終與構(gòu)造原始輪廓相關(guān)；③材料必須符合胡克定理。整合，即壓力與緊張是一定的關(guān)系；④施工時需要滿足扁平截面的假設(shè)條件，即扁平截面和變形前的變形仍處于同一平面截面狀態(tài)；⑤結(jié)構(gòu)的彎曲變形是最小的差別可以通過移動性函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)來表示。

2.2 能量法

如果鋼結(jié)構(gòu)承受的保守力與實際施工過程中的混凝土變形結(jié)構(gòu)受力條件相結(jié)合，則總體勢能反映出來，如果鋼結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)，則必須計算總勢能。然后結(jié)合勢能駐值的原理，將總勢能從一階變?yōu)榱?。通過這種方法，計算平衡方程，然后與平衡方程相結(jié)合來計算分岔屈曲載荷。

2.3 動力法

動力法是一種結(jié)構(gòu)動力穩(wěn)定性計算方法，如果能夠通過輕微擾動進行振動，表明該結(jié)構(gòu)的振動加速度和變形已經(jīng)在結(jié)構(gòu)荷載中反映出來，如果靜態(tài)穩(wěn)定極限荷載值比較相對較小，則變形方向與加速度相反，因此在消除整個擾動后，運動將逐漸變?yōu)殪o止，結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)處于穩(wěn)定狀態(tài)，如果荷載和穩(wěn)定性隨著極限荷載的變化變形方向和加速度方向相同，即去除干涉后，運動仍處于發(fā)散狀態(tài)，因此結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，臨界狀態(tài)為負(fù)荷也是整個結(jié)構(gòu)的屈曲載荷?？梢愿鶕?jù)結(jié)構(gòu)振動頻率為零的條件進行分析研究。

3 鋼結(jié)構(gòu)加固方法

3.1 改變結(jié)構(gòu)計算圖形

加強結(jié)構(gòu)計算圖的方法是增加載荷分布，力傳遞路徑，接頭的性質(zhì)和邊界條件，并增加附加構(gòu)件和支撐件的數(shù)量，施加預(yù)應(yīng)力，并考慮空間合作努力加強結(jié)構(gòu)。支持形成空間結(jié)構(gòu)，并根據(jù)空間結(jié)構(gòu)進行檢查。增加支撐以增加結(jié)構(gòu)剛度，或調(diào)整結(jié)構(gòu)的固有振動頻率以增加結(jié)構(gòu)承載能力并改善結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。增加支撐或輔助桿以降低結(jié)構(gòu)的長細(xì)比。為了提高其穩(wěn)定性，在桁架結(jié)構(gòu)中強調(diào)了柱的剛度，以便可以占用大部分水平力來減小其他柱上的載荷。拉桿或適度張緊的電纜安裝在塔架或其他結(jié)構(gòu)中。

3.2 連接的加固與加固件的連接

鋼結(jié)構(gòu)的連接方法，即焊縫，鉚釘，普通螺栓和高強度螺栓連接方法，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)加固的原因，目的，受力條件，結(jié)構(gòu)和施工條件，并應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的原始連接方式來確定。鋼筋結(jié)構(gòu)一般是焊接接頭，摩擦式高強度螺栓連接，也有基于使用焊接接頭和摩擦式高強度螺栓的混合連接方式。當(dāng)使用焊接接頭時，應(yīng)使用經(jīng)批準(zhǔn)的焊接工藝和連接材料。

4 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具體設(shè)計

4.1 工程概況

整個工程處在高濃度磷酸罐區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)中，整個結(jié)構(gòu)的高度達(dá)到了17m，為了符合工藝的具體要求，軸距縱向的長度為19.5m，橫向的長度為3m，工程主要通過q235b鋼材，焊條一般通過E43型，柱和獨立基礎(chǔ)通過剛性方式進行連接，構(gòu)架柱間支撐通過梯形鋼水平進行支撐，本工程的希望能夠達(dá)到50年的設(shè)計使用年限，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級達(dá)到了二級。

4.2 設(shè)計計算

整個項目需要計算梁和柱的整體。在傳遞水平推力的過程中，會發(fā)生一定程度的水平位移，從而有助于利用其自身的變形釋放大部分力，從而使內(nèi)力處于平衡狀態(tài)。只要鋼梁具有一定的高度，在柱不太大的情況下，也可以達(dá)到對變形和強度的特定要求。結(jié)構(gòu)分析過程由STS模型建模，穩(wěn)定性和強度由Satwe軟件確定。自振周期的合理計算和節(jié)點強度的變化需要注意以下兩點：①整個結(jié)構(gòu)的跨度非常大。根據(jù)工藝要求，必須設(shè)計較大的孔，并且必須接受大扭矩。在施工過程中，必須增大梁的橫截面寬度，增加縱向截面力，增加開口附近支撐的數(shù)量，使平面處于內(nèi)部穩(wěn)定狀態(tài)。②有必要注意雙向結(jié)構(gòu)。考慮到，所以列長度計算必須根據(jù)相關(guān)規(guī)范計算。

5 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題與強度問題不同。在實際設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)清楚知道結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性，以免在設(shè)計過程中造成不必要的不穩(wěn)定性損壞。針對上述問題，本文提出了設(shè)計人員在設(shè)計過程中應(yīng)該明確的一些基本概念?？傊?，只有深入了解這些問題才能使鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計不斷完善。

[1]楊耀森，呂輝，白寶生.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計中相關(guān)問題探討[J].當(dāng)代化工，2015（6）：1353～1356.