关于建筑钢结构设计稳定性的研究 发表时间：2018-06-07T10:54:41.107Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第36期作者：杨颖惠 [导读] 对比传统建筑材料，钢结构表现出的强度高、韧性与塑性好、重量轻、节约施工时间等优势。 摘要：近几年随着建筑物越来越向着大跨度、大空间方向发展，传统的钢筋混凝土结构已不能完全满足建筑结构的多样化，钢结构弥补了混凝土结构的种种不足之处，且受到广泛的重视。而钢结构的稳定性在各种类型的钢结构中，由于结构失稳造成的事故时有发生，为了更好地保证钢结构稳定设计中构件不失稳定，保证工程质量及使用安全，有必要对钢结构的稳定性设计进行详细探讨。 关键词：建筑工程；钢结构设计；稳定性 引言 对比传统建筑材料，钢结构表现出的强度高、韧性与塑性好、重量轻、节约施工时间等优势，是节能减排的首选，因而在建筑工程中得到了广泛的应用。但是，如果不能确保钢结构设计的稳定性，那么，不仅会造成经济损失，甚至会导致人员伤亡。因此，有必要对建筑钢结构设计的稳定性进行研究。 1.建筑钢结构稳定性的概念 建筑的钢结构在受到外界干扰力的作用下能否迅速的恢复到建筑最初的平衡状态被人们称之为钢结构的稳定设计。在受到外界作用力的影响下，建筑钢结构往往会由于结构失稳，导致建筑平衡发生变化，使建筑的结构受到破坏，影响建筑的使用寿命。因而，为了提高建筑的使用寿命，人们逐渐开始对钢结构建筑稳定性分析加强了重视.随着对结构的受力分析及计算的不断进步，人们对建筑钢结构的研究开始建立在由外部负载作用，从而导致结构变形的基础上进行的。由于通常状态下建筑钢结构受到的外部负载作用以及和钢结构的失稳受力状态经过分析，发现其均为非线性受力曲线，因而，我们不难发现，现阶段建筑的钢结构的分析曲线均是建立在几何非线性分析的基础上的。 2.建筑钢结构稳定性设计的重要性 稳定性是钢结构工程设计中需要重点考虑的内容之一，现实生活中也发生过由于钢结构失稳造成的工程事故，例如2010年1月3日下午，昆明新机场38m钢结构桥跨突然垮塌，造成7人死亡、8人重伤、26人轻伤，原因是桥下钢结构支撑体系突然失稳，8m高的桥面随机垮塌下来，虽然这是在桥梁工程中发生了钢结构失稳案件，而建筑物作为人们日常工作生活的主要地点，其建筑物中的钢结构稳定性设计更需要引起相关设计人员的关注。在建筑工程中如果出现了钢结构稳定性不达标的现象就一定会导致建筑在某一个方面会存在非常严重的问题，严重的还有可能使得工程完全倒塌，造成严重的人员伤亡现象，所以在当今的钢结构设计中，一定要将钢结构本身的稳定性作为十分重要的一个因素，仔细的观察这一过程中存在的问题，并及时采取相应的措施，这样才能更好的保证建筑结构的施工质量。 3.建筑钢结构稳定性设计方法 3.1设计原则 建筑钢结构的设计必须符合一定的原则，确保所设计的结构合理，安全可靠。首先，所做结构设计应符合建筑物的使用要求。有足够的强度、刚度和稳定性，有良好的耐久性；其次，所设计结构应尽可能节约钢材，减轻钢结构重量；尽量能缩短制造、安装时间，应便于运输、便于维护，减少成本；第三，尽量注意美观，对于外露结构有一定建筑美学要求。 3.2计算方法 实际计算时的计算方法所依据的稳定设计简图应与计算实体结构稳定性所依据的简图保持一致。在一般情况下，分析框架所具有的稳定性水平以及分析框架结构的工作都比较粗糙，部分建筑工程甚至不进行该项工作，仅仅是计算框架柱设计时的稳定值。因为计算杆件稳定值时所依据的模型，均为假设模型或简化模型，所以为了确保计算钢结构的稳定值符合要求，则应使计算方法所依据的稳定设计简图与计算结构稳定性水平所依据的简图保持相同。 某橡胶厂单层采用单跨双坡门式刚架，刚架跨度27m，共10榀刚架，柱距5m，柱高8m，屋面坡度1/10，柱底铰接，按弹性方法设计。屋面及墙面板均为彩色压型钢板，内填充以保温玻璃棉板，考虑经济、制造和安装方便，檩条采用薄壁卷边Z型钢，水平间距1.5米；墙梁采用冷弯薄壁卷边C型钢，间距为1.5米，刚架采用Q345钢，檩条和墙梁采用Q235B钢，焊条采用E43型，下面对该工程平面内的稳定性进行验算。 根据上述相关计算数据显示，该工程满足钢结构稳定性的设计要求。 3.3确保各个层面的稳定性 钢结构的特性使得其在前期的工艺设计中相对复杂，设计师需要借助专门的计算机软件对其进行质量检测，并确定多项技术指标，待其通过质量检测后，才能正式开始投产，并在建筑工程中大量应用。一般来说，钢结构测试的主要技术指标有：水平荷载系数、抗震强度系数以及结构的阻尼比等。通常情况下，建筑设计师需要根据当地环境可能的最大风荷载对钢结构的水平荷载系数进行设计，以免出现因建筑稳定性不佳而导致坍塌的事故。 3.4做好剪力调整 当前，国内高层建筑的形式已经越来越复杂，建筑的不对称设计也已成为设计的潮流，因此，在建筑当中采用斜柱的现象也越来越多的出现在人们的视线当中。和传统的垂直构件比起来，斜柱的倾角比较明显，因而也要求建筑构件能够承受一定的剪力。需要说明的是，不少建筑设计人员在设计钢结构时，往往会为了方便处理而将垂直构件简化成为柱子，将斜柱简化成为斜杆，这种方式在一般情况下不会
d e f 钢结构的构件连接方式 钢结构的连接方法大体来看，有以下几种： 焊接——是使用最普遍的方法，该方法对几何形体适应性强，构造简单，省材省工，易于自动化，工效高；但是焊接属于热加工过程，对材质要求高，对于工人的技术水平要求也高，焊接程序严格，质量检验工作量大。 铆接——该方法传力可靠，韧性和塑性好，质量易于检查，抗动力荷载好；但是由于铆接时必须进行钢板的搭接，相对来讲费钢、费工。 普通螺栓连接——这种方式装卸便利，设备简单，工人易于操作；但是对于该方法，螺栓精度低时不宜受剪，螺栓精度高时加工和安装难度较大。 高强螺栓连接——此法加工方便，对结构削弱少，可拆换，能承受动力荷载，耐疲劳，塑性、韧性好摩擦面处理，安装工艺略为复杂，造价略高 射钉、自攻螺栓连接——较为灵活，安装方便，构件无须预先处理，适用于轻钢、薄板结构不能受较大集中力。 焊接连接 焊接是钢结构较为常见的连接方式，也是比较方便的连接方式，在众多的钢结构中，焊接是最为常见的一种。 根据焊接的形式，焊缝可以分为对接（平接）焊 缝、角焊缝、和顶接焊缝三大类。 对接焊缝 对接焊缝按受力与焊缝方向分直缝——作用力方 向与焊缝方向正交；斜缝——作用力方向与焊缝方向 斜交两类。从直观来看，直缝受拉，斜缝受拉与剪的同时作用。 对接焊缝在焊接上有以下处理形式： a ）直边缝：适合板厚t 10mm b ）单边V 形：适合板厚t ＝10～20mm c ）双边V 形：适合板厚t ＝10～20mm d ）U 形：适合板厚t > 20mm e ）K 形：适合板厚t > 20mm f ）X 形：适合板厚t > 20mm 对接焊缝的优点是用料经济、传力均匀、无明 显的应力集中1[1]，利于承受动力荷载；但也有缺点，需剖口，焊件长度要精确。 对接焊缝需要做以下构造处理：首先，在施焊过程中，起落弧处易有焊接缺陷，所以用引弧板；但采用引弧板施工复杂，除承受动力荷载外，一般不用，计算时将焊缝长度两端各减去5mm 。其次， 变厚度板对接，在板的一面或两面切成坡度不大于1：4的斜面，避 免应力集中。 另外，变宽度板对接，在板的一侧或两侧切成坡度不大于1：4 的斜边，避免应力集中。对于对接焊缝的强度，有引弧板的对接焊 缝在受压时与母材等强，但焊缝的抗拉强度与焊缝质量等级有关。 对接焊缝的应力分布认为与焊件原来的应力分布基本相同。计 算时，焊缝中最大应力（或折算应力）不能超过焊缝的强度设计值。 对接焊缝的计算包括：轴心受力的对接焊缝、斜向受力的对接焊缝、 钢梁的对接焊缝、牛腿与翼缘的对接焊缝。 a b c 斜缝 直缝
钢结构稳定设计指南 钢结构失稳形式存在多样性外，还应了解下列四个方面的特点：(1)稳定问题要考虑构件及结构的整体作用；(2)稳定计算要按二阶分析进行；(3)考虑初始缺陷的极值稳定计算正在取代完善构件的分岔点稳定计算；(4)稳定性不仅通过计算来保证，还需要从结构方案布置和构造设计来配合。 关键字：钢结构稳定，轴心压杆，计算长度，受弯构件，框架稳定 一．钢结构稳定问题的待点 失稳形式存在多样性外，还应了解下列四个方面的特点：(1)稳定问题要考虑构件及结构的整体作用；(2)稳定计算要按二阶分析进行；(3)考虑初始缺陷的极值稳定计算正在取代完善构件的分岔点稳定计算；(4)稳定性不仅通过计算来保证，还需要从结构方案布置和构造设计来配合。 二．轴心压杆的稳定计算 (1)影响轴心压杆稳定承载力的最主要因素是残余应力，它是把稳定系数分成a、b、c三类的依据，残余压应力越大，位置距形心轴越远，值越低。 (2)轴心压杆不仅会发生弯曲失稳，也可能发生扭转失稳。在采用单轴对称截面时．需要特别注意扭转的不利作用。 (3)设计格构柱时，需要了解几何缺陷的不利影响和柱肢压缩对缀条的影响。 三．轴心压杆的计算长度 关于压杆计算长度的确定，需要明确以下几点： (1)确定杆系结构中的杆件计算长度时，应把它和对它起约束作用的构件一起作稳定分析。这是稳定性整体计算的一种简化方法。压杆一般不能依靠其他压杆对它的约束作用，除非两者的压力相差悬殊。 (2)节点连接的构造方式会影响杆件的稳定性能。因此，杆件计算长度和构造设计有密切联系。比如杆件在交叉点的拼接会影响它的出平面弯曲刚度并使计算长度增大。又如起减小计算长度作用的撑杆的连接有偏心，会降低它的有效性。 (3)塔架杆件的计算长度有不同于平面桁架(屋架)的特点．主杆和腹杆都各有其特殊之处。此外、塔架中单角钢杆件预期绕平行轴失稳时，需要考虑扭转的不利影响。 (4)桁架体系的支撑构件和塔架中的横隔构件都对杆件的计算长度有直接影响。确定桁架杆件出平面计算长度时，需要特别注意杆系的相互关系 四. 受弯构件的整体稳定
第39卷第5期2011年10月 福州大学学报（自然科学版） Journal of Fuzhou University（Natural Science Edition） Vol．39No．5 Oct．2011 DOI：CNKI：35－1117/N．20111014．1025．019文章编号：1000－2243（2011）05－0658－08钢结构梁柱连接节点抗震性能研究进展 吴兆旗，何田田，姜绍飞，苏建强 （福州大学土木工程学院，福建福州350108） 摘要：钢结构梁柱连接节点是保证梁和柱协同工作的关键部件，其性能直接影响结构的刚度、稳定性和承载能 力．对钢结构梁柱节点应用及发展历史进行回顾，对近年来节点抗震性能的研究进展及其构造措施的改进进 行总结．发现目前梁柱连接节点的耗能能力和塑性变形多是由梁端形成的塑性铰提供；尽管这些节点在实验 中表现出优越的抗震性能，但实际工程这些节点若受到损坏，修复相对困难且费用较高．为便于震后修复，基 于控制思想提出了带有耗能元件的梁柱节点构造．然而目前该技术尚存在一些不足，需要进一步研究． 关键词：钢结构；梁柱节点；抗震性能；焊接连接；螺栓连接；耗能元件 中图分类号：TU391文献标识码：A Research advances in seismic performance of steel beam－to－column connections WU Zhao－qi，HE Tian－tian，JIANG Shao－fei，SU Jian－qiang （College of Civil Engineering，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian350108，China）Abstract：Beam－to－column connections are the key parts for guaranteeing beams and columns to work together．Their performance can affect significantly the stiffness，stability and bearing capacity of structures．This paper looked back the history of application and development of the beam－to－col- umn joints，and summarized the seismic performance research and some improvements of connection details recently．It was found that the energy dissipation and plastic rotation of the common joints are provided by the plastic hinges which are formed in the beams．Although the joints display excellent seismic performance in laboratory，the damaged joints in practice will be repaired difficultly and cost- ly．Some innovative connections，based on the intelligent control concept，could not only provide good seismic performance but could also be easily repaired after a heavy earthquake．However，the technol- ogy of the connections is not enough to use in practice and the further research need carry out． Keywords：Steel structure；beam－to－column connections；seismic performance；welded connec-tions；bolted connections；energy absorption parts 钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、地基费用省、占用面积小、工业化程度高、外形美观等一系列优点，与混凝土结构相比它是环保型的和可再次利用的，也是易于产业化的结构［1－2］．钢框架结构是由钢梁、钢柱构件通过节点连接构成，既承受竖向荷载又承受水平荷载的结构体系．框架结构由于建筑平面布置灵活、抗震性能好以及计算理论相对成熟，在中低层到高层建筑中广泛应用．钢框架结构中，连接节点是保证梁与柱协同工作、形成结构整体的关键部件，它的性能直接影响结构体系的刚度、稳定性和承载能力．本文对钢结构梁柱节点的历史进行回顾，并对近年来节点抗震性能的研究进展及其构造措施的改进进行总结，进而对钢结构梁柱节点抗震性能研究提出一些看法． 1发展历程 1．1铆钉连接 远在利用铸铁和锻铁作为结构材料时期，铆钉连接就是结构构件之间的主要连接方式．19世纪末期， 收稿日期：2010－06－30 通讯作者：吴兆旗（1977－），博士，助理研究员，zhaoqi_wu@fzu．edu．cn 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51008081）；中国博士后科学基金资助项目（20100470867）；福州大学科技发展基金资助项目（2010－XQ－25）
梁柱全焊接节点火灾响应特性研究 中国科学技术大学 硕士学位论文 梁柱全焊接节点火灾响应特性研究 姓名:王汉杰 申请学位级别:硕士 专业:安全技术及工程 指导教师:姚斌 20100503摘要 摘要 钢结构梁柱节点是钢结构建筑中的关键组成部分,在保持钢结构完整性和 稳定性方面发挥至关重要的作用。梁柱全焊接节点是现有钢结构建筑中应用非 常广泛的节点形式之一,研究全焊接节点的抗火性能是进行钢结构抗火设计、 火灾安全评估的重要前提和基础,具有很重要的现实意义。 本文首先对前人所完成的钢结构全焊接节点试验进行了有限元模拟的初步 验证,分析验证了有限元分析方法在梁柱全焊接节点抗火性能研
究中的适用性; 其次运用 ANSYS有限元分析软件对梁柱全焊接节点试件进行模拟计算,分析不 同升温条件下全焊接节点的火灾行为,揭示特定参数对全焊接节点的火灾响应 特性,对比分析全焊连接和栓焊连接节点的抗火性能;然后建立具有防火涂层 的有限元模型,研究不同受火方式和不同防火涂层厚度在不同温升条件对全焊 接节点抗火性能的影响;最后探索性的研究了梁柱全焊节点在降温阶段的抗火 性能变化,研究结果表明: 1、有限元分析方法在梁柱全焊接节点抗火性能研究方面具有较强的适用 性。利用有限元分析方法的结果与全焊接节点试验结果对比得到有限元分析结 果和试验结果有较强一致性的结论。 2、不同升温曲线对全焊节点到达极限状态的时间有显著影响。在具有相同 升温曲线的条件下,全焊接节点加载的荷载比越大,节点到达极限状态的时间 越短。带有加劲肋的全焊节点耐火时间略长于无加劲肋的节点。
在相同升温条 件下,全焊节点的耐火时间比栓焊节点的长,抗火临界温度略高于栓焊节点。 3、不同受火方式能够显著影响梁柱全焊接节点的耐火时间,节点受火方式 比梁柱受火方式更容易缩短节点的耐火时间,从而使节点更容易达到危险状态。 对于梁柱全焊接节点,在不同的温升条件下,不同厚度的防火涂层对节点的温 度变化有着显著的影响,涂层越厚,节点的温度变化范围越小,节点的耐火时 间越长。 4、不同降温速率对相同约束荷载水平的梁柱全焊接节点的抗火性能有着重 摘要 要影响。降温速率越慢,节点经历的温度越高,且经历的高温过程越长,导致 节点变形越大;降温速率越快,节点经历的温度越低,且经历的高温过程越短, 导致节点变形越小。不同升温速率对梁柱全焊接节点降温阶段的抗火性能也有 着重要影响,升温速率越快,节点在降温阶段的抗火性能的下降
5.方茴说：“那时候我们不说爱，爱是多么遥远、多么沉重的字眼啊。我们只说喜欢，就算喜欢也是偷偷摸摸的。” 6.方茴说：“我觉得之所以说相见不如怀念，是因为相见只能让人在现实面前无奈地哀悼伤痛，而怀念却可以把已经注定的谎言变成童话。” 7.在村头有一截巨大的雷击木，直径十几米，此时主干上唯一的柳条已经在朝霞中掩去了莹光，变得普普通通了。 8.这些孩子都很活泼与好动，即便吃饭时也都不太老实，不少人抱着陶碗从自家出来，凑到了一起。 9.石村周围草木丰茂，猛兽众多，可守着大山，村人的食物相对来说却算不上丰盛，只是一些粗麦饼、野果以及孩子们碗中少量的肉食。 §3-1钢结构的连接 钢结构的构件是由型钢、钢板等通过连接（connections）构成的，各构件再通过安装连接架构成整个结构。因此，连接在钢结构中处于重要的枢纽地位。在进行连接的设计时，必须遵循安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材的原则。 钢结构的连接方法可分为焊接连接、铆钉连接、螺栓连接和轻型钢结构用的紧固件连接等（图3.1.1）。 3.1.1 焊缝连接 一、焊缝连接的特点 焊接连接(welded connection)是现代钢结构最主要的连接方法。其优点是：构造简单，任何形式的构件都可直接相连；用料经济，不削弱截面；制作加工方便，可实现自动化操作；连接的密闭性好，结构刚度大。其缺点是：在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低； 焊接结构对裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到整体，低温冷脆问题较为突出。 二、钢结构常用的焊接方法 1、手工电弧焊 这是最常用的一种焊接方法（3.1.2）。通电后，在涂有药皮的焊条和焊件间产生电弧。电弧提供热源，使焊条中的焊丝熔化，滴落在焊件上被电弧所吹成的小凹槽熔池中。由电焊条药皮形成的熔渣和气体覆盖着熔池，防止空气中的氧、氮等气体与熔化的液体金属接触，避免形成脆性易裂的化合物。焊缝金属冷却后把被连接件连成一体。 1.“噢，居然有土龙肉，给我一块！” 2.老人们都笑了，自巨石上起身。而那些身材健壮如虎的成年人则是一阵笑骂，数落着自己的孩子，拎着骨棒与阔剑也快步向自家中走去。
钢结构常见的几种梁柱刚性连形式(1)梁与柱刚性连接的构造形式有三种，如图所示： (2)梁与柱的连接节点计算时，主要验算以下内容： ①梁与柱连接的承载力 ②柱腹板的局部抗压承载力和柱翼缘板的刚度 ③梁柱节点域的抗剪承载力 (3)梁与柱刚性连接的构造 ①框架梁与工字形截面柱和箱形截面柱刚性连接的构造:
框架梁与柱刚性连接 ②工字形截面柱和箱形截面柱通过带悬臂梁段与框架梁连接时，构造措施有两种： 柱带悬臂梁段与框架梁连接 梁与柱刚性连接时，按抗震设防的结构，柱在梁翼缘上下各500mm的节点范围内，柱翼缘与柱腹板间或箱形柱壁板间的组合焊缝，应采用全熔透坡口焊缝。 (4)改进梁与柱刚性连接抗震性能的构造措施 ①骨形连接
骨形连接是通过削弱梁来保护梁柱节点。 骨形连接 梁端翼缘加焊楔形盖板 在不降低梁的强度和刚度的前提下，通过梁端翼缘加焊楔形盖板。 (5)工字形截面柱在弱轴与主梁刚性连接
当工字形截面柱在弱轴方向与主梁刚性连接时，应在主梁翼缘对应位置设置柱水平加劲肋，在梁高范围内设置柱的竖向连接板，其厚度应分别与梁翼缘和腹板厚度相同。柱水平加劲肋与柱翼缘和腹板均为全熔透坡口焊缝，竖向连接板与柱腹板连接为角焊缝。主梁与柱的现场连接如图所示。 2梁与柱的铰接连接 (1)梁与柱的铰接连接分为：仅梁腹板连接、仅梁翼缘连接： 仅梁腹板连接仅梁翼缘连接
柱上伸出加劲板与梁腹板相连梁与柱用双盖板相连 （2）柱在弱轴与梁铰接连接分为：柱上伸出加劲板与梁腹板相连、梁与柱用双盖板相连 柱的拼接节点一般都是刚接节点，柱拼接接头应位于框架节点塑性区以外，一般宜在框架梁上方1.3m左右。考虑运输方便及吊装条件等因素，柱的安装单元一般采用三层一根，长度10～12m左右。根据设计和施工的具体条件，柱的拼接可采取焊接或高强度螺栓连接。 按非抗震设计的轴心受压柱或压弯柱，当柱的弯矩较小且不产生拉力的情况下，柱的上下端应铣平顶紧，并与柱轴线垂直。柱的25％的轴力和弯矩可通过铣平端传递，此时柱的拼接节点可按75％的轴力和弯矩及全部剪力设计。抗震设计时，柱的拼接节点按与柱截面等强度原则设计。 非抗震设计时的焊缝连接，可采用部分熔透焊缝，坡口焊缝的有效深度不宜小于板厚度的1/2。有抗震设防要求的焊缝连接，应采用全熔透坡口焊缝。
STAAD在钢结构稳定设计中的应用 李晓峰孙立夫林润松 （BENTLEY软件（北京）有限公司） 稳定问题在钢结构设计中居于中心地位。本文试图结合 STAAD对三个常规钢结构的稳定问题进行讨论，整理出来 进行稳定计算的大致思路和注意事项。这里的模型仅仅是为 了演示的方便为任意创建的“玩具”模型，希望读者不要被 误导。本文重点讨论了所谓考虑初始缺陷的二阶弹性分析在 STAAD中的应用。相对于一阶分析的计算长度法，二阶分 析现在似乎比较流行，而传统的计算长度系数法遭到很多的 诟病。作者认为，计算长度系数法，和其他很多近似算法一 样，因为其结果的近似遭到的指责是不公平的——使用者应 该明确该方法的计算假定，适用范围以及结果的近似程度， 并对结果负责。对真正的结构工程师，使用近似算法仍然可 以设计出具有足够安全储备的合理结构，而对所谓的更精确 的二阶分析的盲目滥用，却大大增加了结构失效的风险。 现在大多数国家的钢结构设计标准都推荐进行二阶分析以 考虑所谓的P-?效应和P-δ效应。我们先明确结构P-?效应 和P-δ效应究竟是什么？考虑如下的一个有侧移简单刚架 （图1，文献1）： 图1 有侧移刚架的P-?效应 上图为一简单刚架成受线载时的弯矩图。左边的弯矩对应为 一阶分析的结果，右边的对应为二阶分析的结果(未考虑任 何缺陷)。可以看出，在右边柱的二阶分析的结果多出来了 弯矩，该弯矩是由柱的轴力（所谓的P）乘以框架的侧移（所 谓的?）产生的，所以称之为P-?效应。 类似的，考虑如下的无侧移框架（图2，文献1） : 图2 无侧移框架的P-δ效应 在图2的两个无侧移框架的模型中，左边为一阶分析的结 果，右边为二阶分析的结果。相对前面的有侧移框架，本例 中两个柱子之间的弯矩差别很微小（柱端弯矩由388kN.m 增加到393kN.m，且弯矩图的形状由直线变为具有微小曲率 的曲线）。柱弯矩的增大部分主要是由柱本身的局部侧移δ 产生的，因为框架几乎不产生任何水平位移?，所以称为 P-δ效应。 由这个小例子，文献1归纳并指出了二阶分析和一阶分析的 一些基本的区别： a)二阶效应不仅仅影响弯矩，还会影响整个的剪力与轴 力； b)二阶效应中的内力分布形态完全不同于一阶分析，并不 是一阶分析结果的简单放大。 c)在实际的结构中，总是同时存在有P-?效应和P-δ效 应，只不过其影响的程度和结构的具体形式有关。一般 来说，在抗侧刚度大的结构中，是局部的P-δ效应占 主导；在抗侧刚度小的结构中，是整体P-?效应占主导。 d)因为前述原因，通常的荷载线性组合不适用于二阶分 析。因此必须在每个组合好的工况进行二阶分析。 在实际的结构中，通常P-?效应是针对结构的整体而言，是 一个宏观的概念；而P-δ效应是针对具体的单个构件而言， 是相对微观的概念。对FEA软件而言，两者都可通过在分 析中考虑附加的所谓的几何刚度（geometric stiffness）反应 出来（考虑P-?效应的方法很多，包括很多迭代法等等，但 考虑几何刚度的方法是这些方法中最有效率的方法之一）。 在STAAD中，用户如果选择执行所谓的PDELTA分析时， 可以让程序考虑几何刚度，分析命令的关键词为PDELTA KG ANALYSIS ，KG关键词指示程序考虑几何刚度。可 同时考虑杆件和板壳的几何刚度，这可应用在对二维板壳模 型的分析中。 结构不可避免的会存在各种几何和物理的缺陷，而这些缺陷 会直接影响结构的稳定承载力，因此用于工程设计的分析必 须能反映缺陷的影响。使用二阶弹性分析计算稳定时，最重 要的一步是对结构的缺陷的估计和模拟，这往往也是最困难
建筑工程中钢结构稳定设计的重要性 建筑工程中钢结构稳定设计的重要性 摘要：下文主要依据笔者从事设计工作的多年工作实践经验，针对钢结构设计中容易出现的稳定的问题进行了阐述，仅供同行参考。 关键词：概念；设计原则； 中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 改革开放以来，我国的现代城市化建设在快速的发展，钢结构设计在城市建设中也越来越重要。现如今，钢结构中的失稳事故大都是由于对结构及构件的稳定性能出现问题造成的，稳定性是钢结构计算中的一个重要环节。在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题。对结构稳定缺少明确概念，造成一般性结构设计中不应有的薄弱环节。本文针对这些问题提出了在设计中应该明确在钢结构稳定设计中的一些基本概念。只有这样我们在设计中才能更好处理钢结构稳定问题。 1 钢结构稳定设计的基本概念 1.1 钢结构的强度与稳定 强度问题是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起地最大应力是否超过建筑材料的极限强度，因此是一个应力问题。极限强度的取值取决于材料的特性，对混凝土等脆性材料，可取它的最大强度，对钢材则常取它的屈服点。 稳定问题则与强度问题不同，它主要是指外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，从而设法避免进入该状态，因此，它是一个变形问题。轴压柱，由于失稳，侧向挠度使柱中增加数量很大的弯矩，因而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度。显然，轴压强度不是柱子破坏的主要原因。 1.2 钢结构的失稳 1.2.1 受弯构件中梁在最大刚度平面内受弯的梁远在钢材到达屈服强度前就可能因出现水平位移而扭曲破坏，梁的这种破坏被称之
为整体失稳。 1.2.2 受弯构件中组合梁大多是选用高而薄的腹板来增大截面 的惯性矩与底抗矩，同时也多选用宽而薄的翼缘来提高梁的稳定性，如钢板过薄，梁腹板的高厚比或是翼缘的宽厚比大到一定的程度时，腹板或受压翼缘在没有达到强度限值就发生波浪形的屈曲，使梁失去了局部稳定。它是使钢结构早期破坏的因素。 1.2.3 受力构件中，截面塑性发展到一定程度构件突然而被压坏，压弯构件失去稳定。而压弯构件的计算则要同时考虑平面内的稳定性与平面外的稳定性。结构失稳的问题十分重要，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。因此，我们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。 2 钢结构设计的原则 为更好地保证钢结构稳定设计中构件不会丧失稳定出了以下原则。 2.1 结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求,结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此。保证这些平面结构不致出平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致。 2.2 结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要。在采用这种方法时，计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，自应通过框架整体稳定分析得出，才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。 2.3 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。结构计算和构造设计相符合，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。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。然而在处理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，同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面
钢结构设计中稳定性分析探讨 发表时间：2019-05-28T15:46:37.827Z 来源：《建筑学研究前沿》2019年3期作者：曹敏 [导读] 现阶段，由于我国社会经济的蓬勃发展，社会各阶层的生活都朝着更好的方向发展，工程项目种类繁多，正在继续施工。 浙江八达集团有限公司监理分公司浙江金华 321000 摘要：现阶段，由于我国社会经济的蓬勃发展，社会各阶层的生活都朝着更好的方向发展，工程项目种类繁多，正在继续施工。无论是在现代建筑还是公路桥梁施工中，钢结构都得到了广泛的应用。因钢结构具有自重较轻且强度较高等优点，在各种工程的施工领域中被广泛的应用着。所谓的钢结构主要指的是以钢为主要建筑材料的现代建筑结构。型钢和钢板是钢结构的主要形式。其构件间主要是通过铆钉和焊缝等方式进行的连接，从而才能够形成轻度高和结构特性的钢结构部件。因为钢结构通常会应用在桥梁建筑等中，所以钢结构对稳定性的要求极其高，如果稳定性失衡则将会引发严重的事故，使财产和人身安全受到严重的损害，所以，在钢结构的发展中，最关键的一个问题就是如何提升钢结构的稳定性，有待遇业界人士持续的研究和探索。 关键词：钢结构设计；稳定性；分析 前言 现阶段，随着社会经济以及科技的持续发展，建筑功能性也逐渐趋于多样化，而因为钢结构有较大的空间热性，所以，在一些商业、工业建筑中应用较广。又因钢结构有较低的节点，整体性能不及钢筋混凝土，因此，钢结构的稳定性成为了有关设计和施工单位主要强化的一个指标。从目前的研究现状来看，稳定性失稳的来源分析和稳定性失稳的处理占了较为主要的地位。然而，对结构设计的稳定性分析和设计原则、结构设计中内容的关键领域的研究还较为稀少。为此，文章将以此为基础，详细阐述了建筑工程项目中钢结构设计中的稳定性，以期可以为业界人士提供一定有价值的参考。 1钢结构稳定性设计的特点 1.1 设计同实际状况统一 对于实际的建筑物在设计时，通常要对多种因素进行充分的考虑，如建筑性能、钢结构的搭配材料质量、施工对施工水准、施工环境、楼层高度以及抗震性等。如果要使钢结构具备良好的安全、稳定性，则需要充分考虑影响钢结构设计的这些因素，从而科学的制定出一套经济合理、符合多种因素的最理想的结构设计方案。 1.2钢结构形式多样化 钢结构的形式呈现多样化形式，和普通钢结构的自重相比，其自重较轻；预应力钢结构的承载力明显高于普通钢结构，但钢耗较低；与普通钢结构相比，它更美观，节省了大量钢材；与普通钢结构相比，钢结构的整体强度和塑性韧性有了较大的提高，钢耗降低，目前钢筋混凝土组合结构得到了广泛应用等。不同的建筑物会应用不同的钢结构，具有各自的优点，在对建筑进行设计时，应根据建筑物的实际需要选择最佳的使用。不管何种钢结构，都必须考虑其稳定性。钢结构的重量、塑性、强度、韧性和工业化程度都很好，然而，刚度保证了低稳定性，这通常需要验算。钢结构稳定性包括局部稳定性和整体稳定性。单钢构件对大型建筑的承载力影响不大，它必须以许多单独的刚性构件连成一个整体而进行受力，不同的连接方式有不同的受力范围，需要科学的分析、讨论和研究。但，站在局部角度看，钢结构构件是由多个效的钢杆件组成，它还承受一定的压力，并逐层细分。在钢结构设计中，还需要充分考虑防止由于小错误导致整个钢结构的倒塌。 1.3局部连接安全影响钢结构整体稳定性 许多构件通过各种施工技术组装成钢结构。构件连接的稳定性影响着局部结构的安全，因此，它威胁到整体安全，只有处理好细节，才能充分保证结构的整体安全。在进行实际施工时，需要安全评估部件连接处的施工工艺，从而选择出最佳的方案开展施工，另外，要详细记录施工细节，从而为后期查验和复核奠定基础，为了防止返工问题的发生，钢结构的经济性和安全性必须统一。 2钢结构设计中的稳定性分析 当前阶段，随着建筑技术的持续进步，高层与超高层建筑不管数量亦或是规模都呈现增多的趋势，并且在多数高层建筑中，广泛的应用着非对称式的设计，鉴于此种形势下，在工程建设中越来越多的应用斜柱，其相比于垂直构建，斜柱的倾角较为显著，这在一定程度上使得建筑构建的剪力设计难度更大。需要重点关注的问题是，在对钢结构进行设计时，很多设计者为了方便操作，经常将垂直构件简化成柱子，另外，将斜柱简化成斜杆，这样，尽管操作变得简单了，然而在剪力调整时，会严重影响到设计方案，斜柱虽然使为了支撑水平方向的，然而在具体应用中斜柱同样也会对相应的水平荷载进行支撑，在对剪力进行调整时，若将斜柱简化成斜杆，对这些问题加以忽略，将产生较大的偏差。想要解决上述问题，则需要严格根据有关规范标准去开展设计，避免对设计流程进行盲目简化，并对多方面因素加以综合考虑，从而为钢结构的稳定性奠定基础。 2.2强柱弱梁设计中的稳定性 一般而言，在钢结构建筑中，最无法获缺的构件就是柱、梁，在对钢结构进行设计时，若要更好的分析钢结构的稳定性，则需要对柱、梁的整体性进行全面的考虑，而需要对一点加以明确：当遇到强震亦或是有较大的水平荷载时，钢结构的塑性铰不在柱子上，而是在梁上，只有这样，才能最大程度确保钢结构的稳定性，防止破坏钢结构。所以，设计者需要在设计时对国家相关规定进行严格的遵守，特别是在设计强柱弱梁时，要详细的计算弹塑性，从而确保塑性铰在梁上而非柱上，若和上面的标准无法符合，则要对原因进行及时找出，并合理的加以调整，然后再计算弹塑性，一直到塑性铰在梁上为止。 2.3节点连接设计中的稳定性 在之前的钢结构设计中，为了使设计流程简化，设计者通常将梁柱节点的连接看作是完全刚接亦或是理想铰接，然而，需要重点关注的是，对于完全刚结而言，框架在经过负荷变形后，梁柱夹角不会出现变化，理想铰接即为梁柱不会出现传递弯矩。随着当前钢结构节点连接形式的提取丰富，在对钢结构进行设计时，不能一味的将某一部分的节点看作为完全刚接或理想铰接。举个例子，在进行施工时，应用较为广泛的的就是半刚性节点连接，若在进行设计时把半刚性节点连接看作为理想铰接，将会使得框架的侧移量估计太高，而导致梁柱连接刚度估计偏低，最终使得柱的稳定极限承载力有过低的理论值，假如将半刚性节点连接看作为完全刚接，则将会使得框架侧移量估计
建筑钢结构的稳定性设计综述 摘要：建筑钢结构设计不但施工工艺简单，质量轻，而且还具有很高的强度， 但同时钢结构本身也存在一定的不稳定性，在外力干扰作用下，极易发生结构失稳，从而对建筑结构的平衡力和结构产生一定负面影响，一旦结构出现变形，必 然会对钢结构寿命和正常使用造成一定负面影响，从而增加工程事故发生概率。 为了有效改善此情况，有必要进一步分析和研究能够提高建筑钢结构设计稳定性 的设计方法，从而大大提升建筑钢结构的稳定性性能。 关键词：钢结构；稳定性；设计 前言：稳定性是钢结构设计的重要环节。一旦无法保证稳定性，对于这座建 筑而言，将失去它的意义。在建筑钢结构设计中，稳定性的考虑是最基本的问题，假设得到不妥善处理，必然会影响建筑的稳定性。在混凝土钢结构设计中，应先 对钢结构进行计算，再进行验算，以避免钢结构的失稳。为了克服这些困难，保 证建筑结构的性能，目前钢结构稳定设计中存在的缺陷主要集中在钢结构对稳定 性的影响上。 1建筑钢结构概述 1.1建筑钢结构的优点 由于建筑钢结构是一种能保证建设工程稳定的结构，它起着支撑作用，并具 有一定的抗震效果，其塑性和强度都比较强。在发生地震时，钢结构具有一定的 缓冲作用，减少了地震对房屋的破坏，提高了建筑物的安全性。建筑钢结构支撑 着整个建筑物，建筑钢的材料具要比钢筋混凝土材料要精确的多，所以会有部分 人在建筑工程项目中选择使用建筑钢结构。钢结构的可塑性也比较强，钢结构适 用于各种跨度比较大的建筑，较强的可塑性，导致建筑钢结构在受力过程中更加 的合适。而建筑钢结构的施工方法相对简单，建筑钢结构由钢板组成，钢板的生 产工艺也非常简单，大大缩短了施工周期。 1.2建筑钢结构存在的不足 建筑钢结构在建筑工程中的应用还存在一些不足。与其他建筑材料相比，钢 结构的耐腐蚀性和耐火性相对较低。如果有腐蚀性的东西，结构就会损坏。而且，如果发生火灾，房子很容易着火。危险和安全隐患很多。这些情况都不利于房屋 的质量安全。在实际的施工过程中，很多的建筑项目会选择一些强度比较低的钢 结构，这样就会导致建筑项目在施工过程中出现各种各样的问题。 2钢结构稳定设计中的几个问题 2.1结构完整性的影响 在钢结构设计稳定性分析过程中，设计者需要有一种全局感，从整体建筑的 角度考虑钢结构的整体性，充分考虑构件本身的特点。随着数据信息运用效率的 提升，分析钢结构设计中整体刚度、失稳问题的时候常常以临界压力求解法、折 减系数等方式，计算出轴心杆的稳定性。同时弹性稳定性设计也是钢结构设计中 的重要内容，在计算的过程中不仅仅要考虑钢结构本身的稳定性，还要做二阶分析。主要是因为结构内力被建筑结构中部分柔性构件变形量而影响，最后发生变化。对于应力叠加问题，设计人员应充分考虑。由于弹性稳定计算和结构变形关 系分析非常复杂，目前在弹性稳定计算中还没有得到广泛的应用。 2.2不确定因素分析 钢结构设计的稳定性会受到许多不确定因素的影响，主要表现在物理、几何 和力学方面。在结构设计中，涉及到材料、截面面积、构件尺寸、应力等诸多因
2012.05 93 施工技术 摘要：稳定性是钢结构的一个突出问题。在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题。对于这个问题处理不好，将会造成巨大的损失。本文对钢结构失稳分类和失稳问题分析方法进行了总结，并对钢结构的稳定性设计原则和设计中存在的问题进行了探讨。 关键词：钢结构；设计；稳定性；存在问题引言 随着我国国民经济的快速发展以及建筑水平的不断提高，出现了大量的高层建筑物或构筑物，钢结构也被越来越多的设计者运用。钢结构与钢筋混凝土结构相比，具有截面轮廓尺寸小、强度高、自重轻等特点。但对于因受压、受弯和受剪等存在受压区的构件或板件，如果技术上处理不当，可能使钢结构出现失稳，一旦出现失稳事故将造成巨大的损失。因此，稳定问题是钢结构的突出问题，分析钢结构设计中的稳定性问题，研究钢结构的加固方法十分必要。 1 钢结构失稳的分类 钢结构的稳定问题主要是指在外荷载的作用下，整个钢结构是否发生屈曲或失稳现象。正确的区分钢结构的失稳类型，可以更好的评价结构或构件的稳定承载能力。钢结构的失稳现象是多种多样 的，从性质上可分为三类。 1.1 平衡分岔失稳(分支点失稳)完善的（即无缺陷、挺直的）轴心受压构件其端部受到的荷载压力P未达到某一限值时，仍能保持挺直的稳定平衡状态，构建截面承受的压应力是均匀的，沿构建的轴线也只产生相应的压缩变形，当构建截面承受的压力达到或超过一定限值时，构建会突然发生弯曲，导致原来的轴心受压的平衡形式转变为与之相邻的但是带 弯曲的新的平衡形式，这就是平衡分岔失稳。这一过程可用图1中的荷载—侧移曲线OAB 来表示。 其特征是当荷载逐渐增加时，结构原有的平衡形式被破坏了，并出现了与原平衡形式有本质区别的新的平衡形式，由稳定平衡转变为不稳定平衡，出现了稳定性的转变。完善的（即无缺陷、挺直）轴心受压构件和完善的在中面内受压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。 1.2 无平衡分岔失稳(极值点失稳) 极值点失稳是指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了稳定的能力，发生失稳时的荷载值Pu 就是构件的实际极限荷载(图1中C 点)，这类的平衡状态是渐变的，与平衡分岔失稳具有本质的区别。 1.3 跃越失稳 如图2所示的两端铰接较平坦的拱结构，在均布荷载q的作用下有挠度w，其荷载曲线也有稳定的上升段OA，但是达到曲线最高点A 时会突然跳跃到一个非邻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 段是稳定的而且保持上升趋势，但是因为结构已经被破坏，固不能被利用。由此可以看出跃越失稳不存在平衡分岔点，也没有极值点，是失稳发生后又跳跃到另一个稳定的平衡状态。 2 钢结构稳定设计的原则 为了更好的保证钢结构稳定设计中构件的稳定性，实际设计时必须遵守以下三项原则。 2.1 结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求 目前结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此。保证这些平面结构不致出平面失稳，需要从构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致。 2.2 结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致目前设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分析而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时，计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，自应通过框架整体稳定分析得出，才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而，实际框架多种多样，而设计中为了简化计算工作，需要设定一些典型条件。 2.3 满足构件的稳定计算必须与设计结构的细部构造保持一致在钢结构的设计中，要使得构造设计和结构计算相互匹配。设计者要区分某些节点的连接是否传递弯矩，从而针对性的赋予其足够的柔度和强度。设计者注意构件细部的设计与处理，如设计桁架节点时，要注意减少杆件偏心的问题等。 3 钢结构稳定性设计中存在的问题 虽然钢结构稳定设计的理论和方法在逐步完善，但在实际设计过程中仍然存在着一些问题，这些问题处理不好对钢结构的稳定性同样会造成很大的影响。 3.1 忽视钢结构材料的缺陷而导致的计算出现误差在钢结构的实际设计和计算过程中，为了方便计算，一般把钢材按照完全弹性材料做一阶分析，但是实际中使用的钢材为弹塑性材料，设计中对钢材客观存在的缺陷（如残余应力、初弯曲、初偏心等）没有重视，从而导致稳定计算和现实结构的稳定承载能力出现偏差。 3.2 钢结构稳定性研究中存在随机因素的影响 钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响，目前结 钢结构的失稳分析及稳定性设计探讨 王炳宇 延安大学西安创新学院建工系 转下页