沈超波 許觀龍

【摘 要】隨著我國經濟的飛速發(fā)展，我國各個領域都對自身的要求都不斷的加強。由于目前鋼結構使用廣泛，為土木工程的飛速發(fā)展提供了便利。鋼結構設計以及加固方面的技術也在飛速發(fā)展，本文通過對鋼結構穩(wěn)定性設計理論以及失穩(wěn)原因分析，提出了相應的設計注意事項以及加固的改善方法。

【關鍵詞】鋼結構；設計；加固方法

隨著經濟的快速發(fā)展，鋼結構在工程中的應用越來越廣泛。在很多鋼結構建筑中，普遍存在鋼結構穩(wěn)定性差的問題，這不僅會使建筑工程存在巨大的安全隱患，還會造成重大的經濟損失和人員傷亡，所以，鋼結構的穩(wěn)定性設計在建筑工程中是非常重要的。而鋼結構穩(wěn)定性差的問題是由多方面原因造成的，比如設計人員經驗不足、對鋼結構和構件性能的了解不充分和缺乏對鋼結構工程中穩(wěn)定性的專業(yè)認識等。

一、鋼結構穩(wěn)定性的設計原則

（一）構件與細部構造穩(wěn)定性計算方法一致

在鋼結構設計中，要使構造設計與結構計算相匹配，以滿足構件穩(wěn)定性和設計結構細部構造的一致性。對傳遞彎矩和不傳遞彎矩的連接節(jié)點，應該分別給予足夠的剛度和柔度；對桁架節(jié)點的設計也應盡量減少桿件偏心等，這些僅僅是設計構件細部構造。但是，當涉及到穩(wěn)定性時，對細部構造就會有其他要求，比如簡支梁就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求只是阻止位移和允許其在平面內轉動，然而在處理梁整體的穩(wěn)定性時，支座除了要滿足上述要求外，還需要阻止梁繞縱軸扭轉，允許梁在水平面內轉動和梁端截面自動翹曲。

（二）兼顧整體和組成部分穩(wěn)定性的要求

目前，大部分鋼結構設計都是以平面體系為出發(fā)點的，比如桁架設計和框架設計等。為了避免出現平面失穩(wěn)問題，需要從鋼結構的整體布局出發(fā)，設計有針對性的支撐構件，也就是說要使平面構件的結構布置與平面穩(wěn)定計算保持一致。比如，在平面桁架組成的塔架中，要注意橫隔設置和桿件之間的穩(wěn)定性。

（三）計算方法與結構簡圖一致

在設計單層及多層的框架結構時，并不需要框架穩(wěn)定性，而要計算框架柱的穩(wěn)定性。使用這種方法去計算框架柱穩(wěn)定性時用到的計算長度系數，應該分析框架整體的穩(wěn)定性，這樣才可以使最終框架穩(wěn)定計算等效于柱穩(wěn)定計算。另外，如果計算方法和結構簡圖不一致，就要調整計算方法，從而保證鋼結構穩(wěn)定性分析的要求。

（四）鋼結構設計的特點

4.1通過現行規(guī)范通用的軸心壓桿的穩(wěn)定計算法是臨界壓力求解法和折減系數法。

4.2穩(wěn)定計算的其它特點

在彈性穩(wěn)定計算中，除了需要考慮結構的整體性外，還有一些其他特點需要引起重視。首先要做的就是二階分析，這種分析對柔性構件尤為重要，這是因為柔性構件的大變形量對結構內力產生了不能忽視的影響，其次，普遍用于應力問題的迭加原。在彈性穩(wěn)定計算中不能應用。這是因為迭加原理的應用應以滿足以下條件為前提：材料服從虎克定律變成正比，結構的變形很小。而彈性穩(wěn)定計算一般均不能滿足第結構的變形很小這一條件，非彈性穩(wěn)定計算則兩個前提都不符合。了解鋼結構設計中的一些基本概念，有助于我們在設計中更好地處理穩(wěn)定方面的問題，隨著新型鋼結構體系的不斷發(fā)展，我們對穩(wěn)定問題的研究要求也不斷地提高，之所以在設計中出現結構失穩(wěn)問題，另一個重要原因就是我們對新型結構穩(wěn)定知之甚少，這是目前鋼結構穩(wěn)定研究中存在的問題。

二、鋼結構失穩(wěn)的類型

（一）穩(wěn)定分岔失穩(wěn)

在一般情況下，根據分類指導的實踐結構穩(wěn)定性理論分析，結構如果達到臨界狀態(tài)的對應，從無屈曲平衡形狀過渡到無限接近屈曲平衡的時間就是由直桿而出現微彎的階段。結構在經歷這一階段之后，變形的表現會逐漸增大，甚至有時要求荷載的數量也有所增加。在這種因素的影響下，軸向壓縮以及中間的表面壓縮平板下直桿都屬于這種情況。當板屈曲強度變得比較明顯之后，在工程設計的過程中可以對此加以利用。

（二）不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)

當屈曲臨界荷載后，結構則只能在遠低于的狀態(tài)下保持平衡配置。在軸向載荷和均勻外力的作用下，鋼結構使用較多的格構柱與圓柱殼非常相似。薄壁鋼管支柱在一定條件下也會表現出相似的特征。這種屈曲被稱為“干擾受限的屈曲”。

（三）極值點失穩(wěn)

極值點失穩(wěn)是指偏心受壓構件施工鋼制成的穩(wěn)定性與塑性發(fā)展到一定程度的能力喪失，載荷失穩(wěn)發(fā)生時的實際價值就是最終的負荷，這種平衡狀態(tài)是漸進地失穩(wěn)，差異有重要的分支與平衡。

三、影響鋼結構穩(wěn)定性設計的主要因素

盡管鋼結構穩(wěn)定性設計目前仍舊處于不斷完善的階段，但在實際穩(wěn)定性設計中，由于部分設計者忽略了鋼結構材料的缺陷，而僅僅是為了便于計算，在使用鋼結構材料時，常作為彈性塑性材料進行分析，對其材料自身存在的殘余應力、初偏心以及彎曲等客觀存在的缺陷而被忽略，以至造成計算出現偏差，嚴重影響鋼結構穩(wěn)定性。另外，多隨機性也是對鋼結構穩(wěn)定性設計有較大影響的主要因素之一。目前通過鋼結構隨機性影響因素的問題，僅僅局限在結構參數及隨機荷載的確定和輸入范圍內。在實際鋼結構施工過程中，不確定性的結構參數也會使結構響應存在明顯的差異。所以，在實際鋼結構穩(wěn)定的設計中，影響因素涉及物理幾何及統(tǒng)計的不確定性、模型的隨機性。如材料、截面積等都無法在計算中反映出。各種因素的不確定，造成理論與實踐存在較大的差異，因此，只有不斷全面對這些不穩(wěn)定因素進行深入探討，才能進一步完善對鋼結構穩(wěn)定性的設計。

四、鋼結構穩(wěn)定性研究中存在的問題和相應的加固方法

（一）鋼結構穩(wěn)定性研究中存在的問題

梁柱單元理論是進行網殼結構穩(wěn)定性研究的重要工具，但是還無法確定梁柱單元是否能夠真實反映殼體結構的實際應力狀態(tài)。目前研究的主要問題是如何真實反映彎矩的耦合效應以及軸力。局部穩(wěn)定性與整體穩(wěn)定性是個值得探討的問題，大跨度結構的設計，沒有反映相關的整體穩(wěn)定性以及局部穩(wěn)定性。

（二）鋼結構加固的主要方法

要加固鋼結構，可以減少負荷計算，增加構件截面以及連接強度，避免出現裂紋擴展的結構變化。如果實踐經驗非常豐富的情況下可以采用其他方法：第一，對于受彎桿件而言，可以通過改變其截面的方法進行加固：（1）改變荷載分布。比如，將一個集中的荷載轉變?yōu)槎鄠€集中荷載；（2）改變端部的支承情況，比如將鉸接變?yōu)閯偨Y；（3）將簡支結構端部變成連續(xù)結構或是增加中間支座；（4）合理調整連續(xù)結構的支座位置；（5）把結構轉化為撐桿式結構；（6）增加預應力。

第二，對于桁架而言，可以采取以下兩種方法來改變桿件內力，達到加固的效果。第一種方法是增加預應力拉桿；第二種方法是將撐桿變桁架轉化為撐桿式結構。第三，增強構件截面的加固。對于加大截面加固鋼構件而言，需要注意確保在選定的部分的過程中應該有助于強化技術，同時需要考慮存在的缺陷以及損傷狀態(tài)。第四，在選擇鋼結構連接方法、焊接、鋼與鋼鉚釘連接方法、螺栓與高強度螺栓連接方法時，需要考慮具體原因、目標、結構條件、施工條件、結構鋼筋應力條件以及原有連接方法結構測定等因素。焊接接頭的基本用途，摩擦型高強度螺栓能夠加固鋼結構，同時將高強螺栓摩擦混合也能夠加固有效措施針對鋼結構穩(wěn)定性設計中存在的問題，在實際設計中，應找出科學、合理的解決問題的方法，盡量減少影響穩(wěn)定性的因素，這樣才能夠降低由鋼結構設計穩(wěn)定性而引發(fā)事故的概率。

（一）減小不確定性因素影響

不確定性因素對鋼結構穩(wěn)定性設計造成的影響是難以避免的，但是，可以利用一些方法來減小這種影響，提高鋼結構穩(wěn)定性設計的可靠性。比如，可以為鋼結構進行力學性能分析和設計，或者從設計的眾多實驗中選擇一個較為合理的方案等。

（二）合理地運用梁—柱理論

梁—柱理論是當前鋼結構穩(wěn)定性設計中最基礎的理論，也是最重要的理論。在鋼結構設計中，要實際考察鋼結構工程的場地、材料、設計方案等相關事項，合理地運用梁—柱理論分析鋼結構設計中細部構造和構件之間的穩(wěn)定性、整體結構和組成部分之間的穩(wěn)定性等，達到提高鋼結構設計穩(wěn)定性的目的。

（三）完善預張拉結構理論體系

預張拉結構理論體系對鋼結構穩(wěn)定性的設計是極為重要的。建立一套科學、完善、合理的預張拉結構體系理論，根據這個理論體系分析預張拉結構，最終得出準確的結果，這樣能夠確保達到鋼結構穩(wěn)定性設計的要求。

（四）重視局部與整體之間穩(wěn)定性的關系

避免采用根據經驗確定局部穩(wěn)定性與整體穩(wěn)定性之間安全系數的方法，加強對鋼結構局部穩(wěn)定性與整體穩(wěn)定性之間關系的重視程度。根據鋼結構工程的實際情況，考察現場、材料等相關因素，科學地計算出一個較為可靠的安全系數，減小誤差，提高鋼結構穩(wěn)定性設計的準確性。

結語

總之，在鋼結構的設計與加固改造中，方案的選擇是非常復雜的，要按照相關的要求嚴格進行，并重點做好構件以及節(jié)點的設計，保證安全。如果設計不當，就很有可能使得鋼結構本身穩(wěn)定性較差，影響整體建筑的質量。設計人員只有明確了鋼結構構件的基本新能才可能使其在加固過程中發(fā)揮其相應的作用。另外由于鋼結構設計與加固設計因素眾多，只有深入了解并及時發(fā)現相應的問題然后進行解決，才能夠保證設計的完美以及整體鋼結構的穩(wěn)定。

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