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【摘要】钢结构拥有极强的抗震性与稳定性，但在其设计过程中的一个关键性问题在于其结构的稳定性，若设计不合理导致钢结构出现失稳问题，将会在很大程度上影响钢结构工程的质量安全。实际上有太多的事故案例都是由于钢结构设计缺陷导致其失稳所致，因此我们必须重视这一问题。本文探讨了钢结构失稳的分类、钢结构稳定性设计的基本原则，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】钢结构稳定性设计失稳
由于钢结构设计过程中所存在的缺陷，因此，导致钢结构出现失稳，使人的生命和财产安全受到威胁。目前，随着高层建筑量的增加，作为钢结构工程设计的重要内容之一，越来越多的设计者对钢结构稳定性的考虑将更为突出。例如：位于加拿大的一座大桥在施工过程中由于受到悬臂受压下弦失稳，导致9000t的钢结构全部掉入河中，造成75人遇难。由此可以得知，造成钢结构失稳的主要原因是因为其钢结构稳定性设计的不合理而造成，为了能够避免事故的发生，合理进行稳定性设计是关键。
1钢结构稳定设计的基本概念
1.1钢结构稳定设计的概念
钢结构稳定设计主要是指在钢结构受到外界干扰的情况下能否恢复到最初的平衡状态。在这种情况下，钢结构失稳是指结构构件逐渐从原始的平衡位置转移到另一个平衡位置的状态。在这种情况的影响下，如果在钢结构设计过程中出现了强度不足或失稳的问题，在某种程度上都对相应的结构造成了破坏。但在实际针对钢结构稳定设计时，强度和稳定的概念并不是完全相同的。
1.2钢结构稳定性的分析方法
在分析和计算钢结构的稳定性时，是建立在外部负载作用导致结构变形的基础上。外部负载作用和钢结构的失稳都是非线性的，所以，钢结构稳定性分析是几何非线性分析问题。不管是“屈曲”或者“极限”，通过对钢结构或者构件的稳定承载力计算可以当作稳定承载力。
2结构失稳类型
钢结构的失稳现象是丰富多彩、多种多样的,但是就其性质而言，可以分为以下三类。
2.1平衡分岔失稳
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。平衡分岔失稳还分为稳定分岔失稳和不稳定分岔失稳两种。
2.1.1稳定分岔失稳
按照结构稳定性分析理论，结构在达到临界状态时，从未屈曲的平衡位形过渡到无限临近的屈曲平衡位形，即由直杆而出现微弯。此后，变形的进一步增大,要求荷载增加。直杆轴心受压和平板在中面受压，都属于这种情况。板的屈曲后强度比较显著，在工程设计中往往可以利用。
2.1.2不稳定分岔失稳
结构屈曲后只能在远比临界荷载低的条件下才能维持平衡位形。属于这种情况的有承受轴向荷载的圆柱壳和承受均匀外布压力的外球壳，钢结构常用的缀条柱和圆柱壳很相似。薄壁型钢方管压杆也在一定条件下表现出类似特性。这种屈曲也叫做“有限干扰屈曲”，因为在有限干扰下，在达到分岔屈曲荷载前就可能由未屈曲平衡位形转到非临近的屈曲平衡位形。
2.2跨越失稳
如图1所示两端铰接较平坦的拱结构，在均布荷载作用下突然有挠度w，其荷载挠度曲线也有稳定的上升段OA，但是到达曲线的最高点A后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——挠度曲线上，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，故不能被利用。与A点对应的荷载坦拱的临界荷载。这种失稳现象称为跨越失稳，它既无平衡分岔点，又无极值点，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跨越失稳。
3稳定计算方法
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。总体上来说，稳定问题的计算方法有以下三种。
3.1能量法
如果结构承受着保守力，可以根据有了变形的结构的受力条件建立总的势能，总的势能是结构的应变能和外力势能两项之和。如果结构处在平衡状态，那么总势能必有驻值。根据势能驻值原理，先由总势能对于位移的一阶变分为零，可得到平衡方程，再由平衡方程求解分岔屈曲荷载。根据小变形理论，能量法一般只能获得屈曲荷载的近似解；但是，如果事先能够了解屈曲后的变形形式，采用此变形形式作计算可以得到精确解。稳定平衡时总势能最小的原理称为最小势能原理。当总势能具有最小值时，它的二阶微分是正值，平衡状态是稳定的。这就是说,用总势能驻值原理可以求解屈曲荷载，而用总势能最小原理可以判断屈曲后平衡的稳定性。
3.2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。
3.3平衡法
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。对于有平衡分岔点的弹性稳定问题，在分岔点附近存在着两个极为临近的平衡状态，一个是原结构的平衡状态，一个是已经有了微小变形的结构的平衡状态。平衡法是根据已产生了微小变形后结构的受力条件建立平衡方程而后求解的。如果得到的符合平衡方程的解有不止一个，那么其中具有最小值的一个才是该结构的分岔屈曲荷载。平衡法只能求解屈曲荷载，但不能判断结构平衡状态的稳定性。尽管如此，由于常常只需要得到结构的屈曲荷载，所以经常采用平衡法。在许多情况下，采用平衡法可以获得精确解。
4稳定设计的基本原则
在钢结构设计中，为了保证结构不丧失稳定，还应注意以下几点。
(1)杆件稳定计算的选择时，要充分了解结构的实际受力特点，然后再通过合理的假定，选择合适的计算模型，即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》(GB50017-2003)对单层或多层框架给出的柱计算长度系数采用了5条基本假定,按照这些假定,框架各柱的稳定参数、杆件稳定计算的常用方法，是依据一定的简化假设或者典型情况得出的，需确认所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。
(2)结构整体布置必须考虑整个体系及其组成部分的稳定性要求。目前结构大多是按平面体系来设计的，需要从结构整体布置来保证平面结构不致出平面失稳,亦即设置必要的支撑构件。(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。对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，对桁架节点应尽量减少杆件偏心。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。然而在解决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。
5结语
综上所述，在钢结构稳定性设计中，作为主要的因素承载力决定着稳定性设计的关键，而钢结构稳定性设计完善，对我国可持续发展有着重要作用。由于钢结构稳定性受多种因素的影响，使稳定性设计的难度再次加大，因此，在结构稳定设计中，根据钢结构失稳的种类，全面考虑影响钢结构稳定性设计的主要因素条件下，克服以往稳定设计存在的缺陷，加固设计避免失稳造成巨大损失，使钢结构日后应用更为广泛。
参考文献
[1]龚海龙，侯舒兰.钢结构稳定性设计的研究与分析[J].科技传播，2010（13）.
[2]郭明明，付永峰.关于钢结构稳定设计的探讨[A].土木建筑学术文库（第13卷）[C]，2010.
[3]魏震南，宝金良.浅谈钢结构设计的步骤[J].民营科技，2010（02）.