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【摘要】稳定问题一直是钢结构设计的关键问题之一，随着我国经济的飞速发展，钢结构体系的广泛应用凸显了稳定问题研究的重要性和紧迫性。本文通过对钢结构稳定性的定义、原理、设计方法三个方面阐述了我对钢结构稳定性的体会。
【关键词】钢结构；稳定性
钢结构以其特有的结构特征及受力性能得到了越来越广泛的应用，但是一旦出现失稳事故，不但对经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡，因此稳定问题是钢结构设计中目前需要解决的首要问题。
1、钢结构稳定设计的原则
1.1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，需要从结构整体布置来保证这些平面结构不出现平面失稳，亦即设计必要的支撑构件。例如，大跨度管架，一般需要做成桁架型式，而用PKPM进行桁架设计时，一般只拿出一榀来进行平面内构件的强度和稳定计算，桁架平面外稳定则需要通过在上下旋分别设横梁及水平支撑来保证。
1.2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。目前设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分折而是代之以框架柱的稳定计算。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，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、钢结构稳定性的计算方法
2.1静力法
静力法是求解结构稳定极限荷载的最基本的方法。根据已发生了微小变形后结构的受力条件建立平衡微分方程，然后解出临界荷载。在建立平衡微分方程时遵循如下基本假定：
（1）构件是等截面直杆。
（2）压力始终沿构件原来轴线作用。
（3）材料符合胡克定律，即应力与应变成线性关系。
（4）构件符合平截面假定，即构件变形前的平截面在变形后仍为平截面。
（5）构件的弯曲变形是微小的，曲率可以近似地用挠度函数的二阶导数表示。
即可解得两端铰支的轴压构件的临界荷载。
2.2能量法
能量法是求解稳定承载力的一种近似方法，通过能量守恒原理和势能驻值原理求解临界荷载。
（1）能量守恒原理求解临界荷载。保守体系处在平衡状态时，贮存在结构体系中的应变能等于外力所做的功，即能量守恒原理。其临界状态的能量关系为：
△U=△W
式中△U一指应变能的增量；
△W一指外力功的增量。
由能量守恒原理可建立平衡微分方程。
（2）勢能驻值原理求解临界荷载。势能驻值原理指：受外力作用的结构，当位移有微小变化而总势能不变，即总势能有驻值时，结构处于平衡状态。表达式为：
式中 — 指虚位移引起的结构内应变能的变化，它总是正值；
一指外力在虚位移上作的功。
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。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。
2.3动力法
动力法属于结构动力稳定问题。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荷载值时，加速度和变形的方向相反，因此干扰撤去后，运动趋于静止，结构的平衡状态是稳定的；当荷载大于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相同，即使撤去干扰，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，可由结构的振动频率为零的条件解得。
3、工程实例
3.1工程背景
该工程是位于的一个高浓度磷酸罐区的钢框架。本结构设在多个磷酸罐之上，高度为17m，为满足工艺的要求，柱距纵向为19.5m，横向为3m；根据我国现行《抗震设计规范》和《钢结构设计规范》要求.钢结构框架结构应遵循强柱弱梁，强节点弱构件的一般设计原则。本工程主要采用Q235B钢材，焊条采用E43型，框架梁为HN800x300x14x26型钢，次梁主要采用HW300x300，HW250x250，HN250X125，框架柱主要采用HM588x300x12x20。柱与独立基础刚性连接；框架柱间支撑采用T型钢支撑TM125x175x7x11，水平支撑为L125X8。
本工程设计使用年限为50年，建筑结构的安全等级为二级.抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第二组.抗震设防类别为丙类，场地类别为三类。
3.2荷载取值
（1）主要荷载：
（2）风荷载选取： 0.35kN/ ?；基本雪压选取： 0.20kN/ 。
（3）计算时特别注意，把搅拌桨所产生弯矩和扭矩，弯矩以相反竖向力加在节点，扭矩以最小支座边长以水平力形式加到受力点，并且需要考虑荷载的动力系数（这里取了1.4的系数）。
3.3设计分析计算
（1）荷载工况。按《建筑结构荷载规范》规定，该工程应考虑X方向地震力作用，Y方向地震力作用，X方向风力作用，Y方向风力作用，恒载作用，活载作用下的标准内力。
（2）计算方法。可以将梁柱作为整体计算，梁传来的水平推力使柱顶发生水平位移，反过来柱通过自身变形释放了大部分剪力，（下转79页）（上接77页）内力达到平衡。只要钢梁具备足够的刚度，不设太大的柱子同样满足了强度与变形要求。可见整体算法具有明显的优越性。结构分析采用了STS空间建模，并用Satwe软件完成框架杆件的强度和稳定、自振周期和节点强度等计算。其中需要特别注意的一下两点：①该结构跨度大，又根据工艺要求需要开较大洞口，并且承受较大的弯矩和扭矩，所以洞口周边支撑设备的钢梁采取增大梁的截面宽度和增加纵向加劲肋并且增加洞口周边支撑数量，形成平面内稳定；②结构考虑为双向有侧移，所以柱子计算长度系数需要按照《钢结构设计规范》中附录D，按有侧移框架柱计算长度系数，再带入计算。
3.4结果分析
先根据经验假设构件断面尺寸进行试算，然后调整应力比过大和过小的断面再试算；利用计算机软件可以将此过程快速反复多次，最终得到大多数构件应力比都接。根据以往的结构振型与自振周期表来看，结构水平方向的主要振型无明显突变，结构沿高度方向的质量和刚度分布也比较合理，得出以下验算结果：见表2
表2 结构整体稳定验算结果
计算结果：构件的强度、刚度、稳定性。计算分析表明，各种梁、柱设计应力均控制在规范允许设计限值的90% ，结构构件的强度、刚度、稳定性好。各类节点验算也符合规范的要求。
结语：
随着钢结构的不断发展，设计人员在钢结构稳定计算时，需根据结构的特点以及工程需要选择合适的计算方法，更加准确的计算和把握结构体系的稳定状态，克服结构中的设计缺陷，最大程度地减少钢结构失稳的工程事故，不断完善钢结构稳定设计，从而使得钢结构可以得到更好的发展。
【关键词】钢结构；稳定性
钢结构以其特有的结构特征及受力性能得到了越来越广泛的应用，但是一旦出现失稳事故，不但对经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡，因此稳定问题是钢结构设计中目前需要解决的首要问题。
1、钢结构稳定设计的原则
1.1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，需要从结构整体布置来保证这些平面结构不出现平面失稳，亦即设计必要的支撑构件。例如，大跨度管架，一般需要做成桁架型式，而用PKPM进行桁架设计时，一般只拿出一榀来进行平面内构件的强度和稳定计算，桁架平面外稳定则需要通过在上下旋分别设横梁及水平支撑来保证。
1.2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。目前设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分折而是代之以框架柱的稳定计算。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，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、钢结构稳定性的计算方法
2.1静力法
静力法是求解结构稳定极限荷载的最基本的方法。根据已发生了微小变形后结构的受力条件建立平衡微分方程，然后解出临界荷载。在建立平衡微分方程时遵循如下基本假定：
（1）构件是等截面直杆。
（2）压力始终沿构件原来轴线作用。
（3）材料符合胡克定律，即应力与应变成线性关系。
（4）构件符合平截面假定，即构件变形前的平截面在变形后仍为平截面。
（5）构件的弯曲变形是微小的，曲率可以近似地用挠度函数的二阶导数表示。
即可解得两端铰支的轴压构件的临界荷载。
2.2能量法
能量法是求解稳定承载力的一种近似方法，通过能量守恒原理和势能驻值原理求解临界荷载。
（1）能量守恒原理求解临界荷载。保守体系处在平衡状态时，贮存在结构体系中的应变能等于外力所做的功，即能量守恒原理。其临界状态的能量关系为：
△U=△W
式中△U一指应变能的增量；
△W一指外力功的增量。
由能量守恒原理可建立平衡微分方程。
（2）勢能驻值原理求解临界荷载。势能驻值原理指：受外力作用的结构，当位移有微小变化而总势能不变，即总势能有驻值时，结构处于平衡状态。表达式为：
式中 — 指虚位移引起的结构内应变能的变化，它总是正值；
一指外力在虚位移上作的功。
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。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。
2.3动力法
动力法属于结构动力稳定问题。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荷载值时，加速度和变形的方向相反，因此干扰撤去后，运动趋于静止，结构的平衡状态是稳定的；当荷载大于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相同，即使撤去干扰，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，可由结构的振动频率为零的条件解得。
3、工程实例
3.1工程背景
该工程是位于的一个高浓度磷酸罐区的钢框架。本结构设在多个磷酸罐之上，高度为17m，为满足工艺的要求，柱距纵向为19.5m，横向为3m；根据我国现行《抗震设计规范》和《钢结构设计规范》要求.钢结构框架结构应遵循强柱弱梁，强节点弱构件的一般设计原则。本工程主要采用Q235B钢材，焊条采用E43型，框架梁为HN800x300x14x26型钢，次梁主要采用HW300x300，HW250x250，HN250X125，框架柱主要采用HM588x300x12x20。柱与独立基础刚性连接；框架柱间支撑采用T型钢支撑TM125x175x7x11，水平支撑为L125X8。
本工程设计使用年限为50年，建筑结构的安全等级为二级.抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第二组.抗震设防类别为丙类，场地类别为三类。
3.2荷载取值
（1）主要荷载：
（2）风荷载选取： 0.35kN/ ?；基本雪压选取： 0.20kN/ 。
（3）计算时特别注意，把搅拌桨所产生弯矩和扭矩，弯矩以相反竖向力加在节点，扭矩以最小支座边长以水平力形式加到受力点，并且需要考虑荷载的动力系数（这里取了1.4的系数）。
3.3设计分析计算
（1）荷载工况。按《建筑结构荷载规范》规定，该工程应考虑X方向地震力作用，Y方向地震力作用，X方向风力作用，Y方向风力作用，恒载作用，活载作用下的标准内力。
（2）计算方法。可以将梁柱作为整体计算，梁传来的水平推力使柱顶发生水平位移，反过来柱通过自身变形释放了大部分剪力，（下转79页）（上接77页）内力达到平衡。只要钢梁具备足够的刚度，不设太大的柱子同样满足了强度与变形要求。可见整体算法具有明显的优越性。结构分析采用了STS空间建模，并用Satwe软件完成框架杆件的强度和稳定、自振周期和节点强度等计算。其中需要特别注意的一下两点：①该结构跨度大，又根据工艺要求需要开较大洞口，并且承受较大的弯矩和扭矩，所以洞口周边支撑设备的钢梁采取增大梁的截面宽度和增加纵向加劲肋并且增加洞口周边支撑数量，形成平面内稳定；②结构考虑为双向有侧移，所以柱子计算长度系数需要按照《钢结构设计规范》中附录D，按有侧移框架柱计算长度系数，再带入计算。
3.4结果分析
先根据经验假设构件断面尺寸进行试算，然后调整应力比过大和过小的断面再试算；利用计算机软件可以将此过程快速反复多次，最终得到大多数构件应力比都接。根据以往的结构振型与自振周期表来看，结构水平方向的主要振型无明显突变，结构沿高度方向的质量和刚度分布也比较合理，得出以下验算结果：见表2
表2 结构整体稳定验算结果
计算结果：构件的强度、刚度、稳定性。计算分析表明，各种梁、柱设计应力均控制在规范允许设计限值的90% ，结构构件的强度、刚度、稳定性好。各类节点验算也符合规范的要求。
结语：
随着钢结构的不断发展，设计人员在钢结构稳定计算时，需根据结构的特点以及工程需要选择合适的计算方法，更加准确的计算和把握结构体系的稳定状态，克服结构中的设计缺陷，最大程度地减少钢结构失稳的工程事故，不断完善钢结构稳定设计，从而使得钢结构可以得到更好的发展。