摘要：在现代的建筑工程中，钢结构应用范围越来越广，钢结构是用钢材经过加工、连接以及安装而建成的一种工程结构，其不仅需要满足各个预定功能的要求，而且也需要承受人文环境和自然环境的作用，所以钢结构只有保证足够的稳定性和可靠性以及良好的经济效益，才能在建筑工程中应用。
关键词：钢结构设计；稳定性；研究；
一、钢结构的稳定性设计基本概念
1、钢结构的稳定与强度的区别
钢结构的强度属于应力问题，指在稳定平衡的状态下，对单个结构或构件施加由荷载引发的最大应力，是否突破建筑材料的强度极限。稳定性则属于变形问题，即找出结构内部抵抗力与外荷载之间的不稳定平衡状态，找出并设法避免钢结构变形的急剧增长。
2、钢结构稳定设计的主要特点
（1）稳定性的整体分析，钢结构的杆件是不是能够保证稳定性直接关系到整个钢结构的稳定性，所以在进行分析稳定性时必须从钢结构的整体进行分析。
（2）失稳和整体刚度，在在目前《规范》中的轴心压杆的稳定性计算法是临界压力求解法和折减系数法。
（3）稳定计算的特点，在弹性稳定计算中，除了需要考虑钢结构的稳定性外，还应该充分考虑钢结构的其他的特点，比如二阶分析，其对钢结构的柔性构件是非常重要的，其主要是因为柔性构件的变形量对结构内力产生很大的影响，还有是的迭加原理在计算应力时被广泛应用，而在弹性稳定计算中则不能应用。其主要是因为迭加原理的应用应该满足材料变形服从虎克定理，应力和应变成正比，结构的变形很小等。弹性稳定计算一般都不能满足结构变形很小的条件，而非弹性变形则两个条件都不满足。
3、钢结构的失稳类型
钢结构的失稳问题分为分支点失稳、极值点失稳和跃越失稳。如完善直杆轴心受压时的屈曲和平板中面受压时的屈曲，属于分支点失稳；当建筑钢材的偏心受压构建材料塑像发展到一定程度失去稳定能力时，属于极值点失稳；跃越失稳是丧失平衡之后接着进入下一个稳定平衡状态。区分结构失稳的性质能够保证估量结构的稳定承载力。
二、钢结构稳定设计原则
1、结构整体应考虑整个体系与组成部件的稳定性
钢结构大多按平面体系进行设计，需要从结构的整体布置解决平面结构的稳定问题，设计必要的支撑构件保证其布置不会出现平面失稳。必须保证平面结构的出平面稳定计算和结构布置的一致。
2、结构计算和构造设计应具有一致性
钢结构设计时，设计结构的结构计算和构造设计符合问题一直备受关注。应分别赋予传递弯矩和不传递弯矩的节点足够的刚度和柔度，尽量减少桁架的杆件偏心。例如，就抗弯强度来说，简支梁要求不动铰支座阻止位移并允许在平面内转动；但整体梁除了这些要求外，还需要阻止绕梁纵轴扭转并允许梁端截面自由翘曲和梁在水平平面内转动。
3、结构计算和实用计算方法依据同样的简图
单层和多层框架结构设计，经常采用框架柱的稳定计算，而忽略框架稳定分析。这种方法计算时应通过框架整体分析得出用到的计算长度系数，以保证柱稳定计算与框架稳定计算等效。设计者在实际设计时遇到的框架多种多样，为简化计算，需设定一些典型条件。按照GB50017-2003规范的假定，在实际符合规范设定的假定时能应用简化计算。实际工程中，往往存在结构计算简图和实用计算方法简图不一致的情况，这时如果按照规范的系数计算会导致结构不安全。
三、钢结构稳定设计
1、钢结构稳定性设计中存在的问题
（1）研究工具的问题。目前，在研究网壳结构的稳定性时，主要使用的研究工具是梁-柱单元理论，其能否真实的反应网壳结构的受力状态还有待证明，如何反应矩的耦合效应和轴力是其中最主要的问题。
（2跨结构的整体稳定与局部稳定问题。大跨度结构设计中取统一的稳定安全系数，这种方式不能体现整体稳定与局部稳定之间的有机联系。
（3）钢结构设计中还存在预张拉结构体系的稳定性设计理论的发展不够完善的问题。此外，钢结构体系的稳定性还受到许多随机因素的影响，当前分析处理结构随机影响都采用集中的结构参数、随机荷载输入等方面，在具体的实际工程设计时，由于现场结构参数缺乏理论的稳定性，会出现具有明显差异的结构响应。
（4）框架柱设计中，设计人员很容易忽视角柱的自定义计算、短柱以及超短柱的剪跨比，或对短柱进行强代换，结果导致无法满足计算结果及配筋率不足的问题。角柱是指两个方向与框架梁相连的框架住，计算时要进行自行定义，短柱是指剪跨比不大于2，以及因填充墙设置或楼梯平台梁、雨篷梁的设置形成柱净高与其界面高度之不大于4的框架柱。对于短柱而言，箍筋的间距应小于等于100 mm，箍筋体积的配筋率大于1.2％。对于剪跨比不大于2的框架柱，程序能自行判定，不能直接进行强代换，不同强度级别的箍筋均应满足计算结果。超短柱是指剪跨比小于1.5或柱净高与柱截面高度之比小于3的框架柱。设计人员在建筑混土结构设计中，要避免超短柱的出现。若无法避免，则要采取控制轴压比、添加芯柱等措施。
2、钢结构稳定性的计算方法
（1）长度计算法
在规定的《钢结构设计规范》中采用计算长度系数法对结构中稳定性进行验算，以得出结构的稳定性，其中在国标规定的《钢结构设计规范》中将钢结构框架分为有支撑框架和无支撑框架，其中如果采用一阶弹性分析方法计算内力时在，框架柱的计算长度系统根据《规范》查表可以得出，也可以根据高层民用建筑钢结构技术规程公式进行计算。其计算公式为：（1）无侧移时
（2）有侧移时：
其中公式中k1k2主要是指交于柱上两端的横梁线刚度之和的比值。
其中当有侧移失稳时，则钢结构横梁两端的转角的大小相等，其方向相反。但是在实际的钢结构中，柱子和梁都存在弯曲应力和弯矩，而并不是都是理想的没有弯曲的构建。所以在进行计算机长度系数时，如果只考虑与柱子直接相连的横梁约束作用，则结构失稳将会是整层或者整个结构的失稳，而不是单个柱子失稳。并且在钢结构设计柱子的计算长度也很难进行确定。
针对上述问题，在《规范》中也明确规定出对于有摇摆柱的无支撑框架柱和弱支撑框架柱计算长度系数应乘以增大系数其中，在公式中为各框架轴心压力设计值与柱子高度比值之和，为摇摆柱轴心压力设计值与柱子高度比值之和。
（2）二阶分析法
（3）能量法：钢结构如果能够承受着保守力，则钢结构就能够根据具有变化结构的受力条件建立总的势能，如果钢结构在相对比较的平衡的状态下，则钢结构的总势能一定存在驻值。然后我们可以根据势能驻值定理，首先由总势能对位移的一阶变形变为0，然后可以得到平衡方程，从而可以根据平衡方程求解出屈曲荷载。并且采用总势能的最小原理还可以进行判断屈曲后平衡的稳定性。
3、钢结构设计的抗震设计
必须增强钢结构的抗震设计，尤其是高层建筑。高层建筑在承担必要的建筑物追至荷载以外，更为重要的是能有效承受侧向风荷载及地震的冲击。我国目前的抗震设计规范对建筑物的抗震提出三大水准的设防要求：小震不坏、中震可修、大震不倒。在汶川大地震中，凡是按抗震相关规范进行正规设计、且施工质量有保证的房屋，在遭遇超出设防烈度l度的地震时，做到了裂而不倒；而在低烈度地区震害程度大部分较轻。
四、总结
钢结构自身拥有许多优点，如其自重轻、强度大，材料均质性好、塑性韧性好等，在钢结构设计中，要充分结合钢结构的重要特点和特性，不断加强研究钢结构的稳定性，合理有效得运用钢结构，钢结构住宅是我国未来住宅的发展方向，它的稳定性问题至关重要。在进行设计时，设计人员应加强结构构件的稳定性能，加强对新型结构的认识和了解，并随时分析出现问题的原因，避免设计中发生不必要的失稳，这样才能保证钢结构在建筑使用中发挥最大的作用。
参考文献
[1] 陈绍蕃．钢结构稳定设计指南[M]．北京：中国建筑工业出版社，2005：89-90.
[2] 陈骥．钢结构稳定理论与设计（第三版）[M]．.科学出版社，2006：1014-1015.
[3] 王红，胡晶晶．钢结构设计中稳定性分析探讨[J]．城市建设理论研究（电子版），2012（2）：45-46.
论文作者:周华元
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/7
标签：钢结构论文; 结构论文; 稳定性论文; 稳定论文; 框架论文; 荷载论文; 势能论文; 《建筑学研究前沿》2018年第17期论文;