总结、分析，并针对该问题作了总结，提出了一些提高、改善结构稳定性的相应措施，希望对合理完成钢结构稳定设计起到一定的借鉴作用。
关 键 词：钢结构;稳定性设计;特征值屈曲分析;整体稳定性;局部稳定性
中图分类号：TU 391 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）06-1353-4
Discussion on Related Problems of Steel Structure Stability Design
YANG Yao-sen， LV Hui， BAI Bao-sheng
（HQC Liaoning Branch， Liaoning Shenyang 113000，China）
Abstract： In the field of petroleum chemical industry engineering， steel structure has been widely used because of high strength， good level of industrialization and light weight， but ueasonable stability design sometimes leads to accidents or material waste. Therefore， the rational design of complete structural stability of the steel structure in the petrochemical industry plays a crucial role. In this paper，？based on ANSYS finite element software， eigenvalue buckling analysis of axial compression column was carried out. Then related problems in the stability design of steel structure summarized and analyzed，and corresponding measures were put forward.
Key words： Steel structure; Stability design; Eigenvalue buckling analysis; Overall stability; Local stability
钢材因其独有优势，被广泛应用到石油化工工程结构中，石油化工厂区内压缩机厂房、装置管架、各类构架等上部结构均采用钢结构。在设计中，承受弯剪扭钢结构构件截面的选择通常是由稳定性控制，其原因在于钢材的强度较高，使其制造的结构截面质量轻、形高且壁薄，因此它们在压力或剪力作用下存在失稳的可能[1]。
现阶段，钢结构失稳事故的发生，很多是因为结构设计人员对结构及构件的稳定性能设计概念不理解或掌握不全面，最后造成钢结构设计中出现结构或构件的薄弱或为满足结构稳定性而采取的性价比较低的设计方案，最后造成大量钢材浪费。
1 钢结构稳定设计的基本概念
1.1 稳定性研究取得的进展
结构稳定性研究进展大约可分为三个阶段：即钱学森非线性大变形理论非线性前屈曲一致理论、初始后屈曲理论[2，3]。这些理论丰富和完善了结构稳定的基础理论。
随着计算机技术的发展和有限元软件的大量应用，国内外工程师和学者在结构几何非线性理论、结构非线性平衡路径的跟踪技术等方面进行了较多的研究与应用，对钢结构稳定设计的精确性起到了推进型作用。
1.2 钢结构失稳的类型
钢结构失稳类型分为三类：平衡分岔失稳：即构件会在同一荷载点出现不同路径的平衡分岔失稳现象;极值点失稳：结构或构件荷载-挠度曲线具有极值点，最后获得该极值点为结构失稳临界荷载，偏心受压钢结构构件属于该类失稳类型;跃越失稳：该类型既无平衡分岔点，又无极值点，构件从一个稳定平衡状态跳跃至另一个稳定平衡状态[4，5]。
1.3 基于ANSYS进行结构稳定性分析
基于 ANSYS进行结构稳定性分析，将结构稳定性分析划分为线性特征值屈曲分析和非线性屈曲分析两种类型。
1.3.1 特征值屈曲分析
特征值屈曲分析是通过有限单元法对线性屈曲问题的求解，最终得出结构所能承受的临界荷载及固有屈曲模态。
受压构件，由于初始弯矩、初始缺陷及初始偏心等存在，当竖向压力增大时，结构会产生平面外变形，其本身抵抗平面外变形能力下降，最后由于横向变形过大而使结构总刚度减小至零，使得受压结构丧失稳定，而发生屈曲破坏。结构处于失稳破坏前，其刚度矩阵出现奇异，将失稳问题转化为特征值问题处理。几何非线性方程表示：
（1）
式中： -线性刚度矩阵;
-初应力刚度矩阵;
-特征值。
1.3.2 非线性屈曲分析
结构刚度的变化是由几何变形而导致的这类问题，属于非线性问题。是由于大应变中有限单元形状改变或因为单元应力刚化及方向改变而引起的结构总刚度发生变化。此种情况应将应变定义成大应变而非小应变。
非线性屈曲分析方法是通过结构几何非线性荷载-位移全过程曲线来反应结构非线性屈曲。通过能量原理修正后的 方程[6]：
（2）
式中：—在i阶迭代状态下结构切线刚度矩阵;
其中：，
-线弹性刚度矩阵;
- i阶迭代状态下初应力刚度矩阵;
- i阶迭代状态下初位移刚度矩阵;
-阶迭代状态下位移增量列阵;
- 阶迭代状态的荷载比例系数;
-初始节点荷载向量;
-i阶迭代状态时各单元内力等效的节点力向量。
1.3.3 基于ANSYS分析
特征值屈曲分析
选取图1模型进行轴心受压杆的特征值屈曲分析，提取5阶屈曲模态，。不同模态的结果如图2至图6。
特征值屈曲分析所获取的多阶模态屈曲变形曲线，是由相应特征值所对应的屈曲变形曲线，该分析结果由线性屈曲所计算形成，屈曲模态阶数越高所能承受竖向力越大。工程设计中同一结构只会出现一种屈曲模态，当达到第一阶屈曲模态荷载时结构已经达到屈曲状态，因此计算工程中钢结构稳定性时只取第一阶失稳模态。由此可见，在实际结构工程设计及加固中，结构设计人员应根据构造措施驱使结构达到高阶失稳，使结构达到更高竖向承载力，满足经济合理、技术先进的要求。
图1 计算模型图
Fig.1 Calculation model
图2 第一阶屈曲模态
Fig.2 The first order buckling mode
图3 第二阶屈曲模态
Fig.3 The second order buckling mode
图4 第三阶屈曲模态
Fig.4 The third order buckling mode
图5 第四阶屈曲模态
Fig.5 The forth order buckling mode
图6 第五阶屈曲模态
Fig.6 The fifth order buckling mode
2 稳定性系数的确定
2.1 轴心受压构件整体稳定系数确定
定义如下：
（3）
根据《钢规》由构件长细比及截面类型最终确定构件整体稳定系数值。值表达，即：
（4）
此时值计算按最大强度理论确定出轴心受压构件的极限承载力，之后计算得到值，式中值为等效初弯曲率，为考虑到结构本身残余应力、初弯曲等初始作用的影响。
但当时，《钢规》将与采用一条拟合曲线将其连接，即：
（5）
系数当截面类型为a类时取0.41、b类取0.65、c类截面取0.73和d类截面1.35。
2.2 受弯构件
弯构件的整体稳定系数同式（3），即
（6）
根据《钢规》：
（7）
（8）
根据弹性理论求得梁整体稳定系数。实践证明，按式（6）得出的时，当梁达到极限承载力时，梁已经进入非弹性工作阶段，其将降低明显，故将修正整体稳定系数。《钢规》规定，当式（8）求得的时，按式（9）求得的代替[7]：
（9）
2.3 拉弯和压弯构件
针对压弯、拉弯构件，按弯矩作用在构件的平面内和平面外两种工况计算，构件平面外受弯时除计算稳定系数、外，还应考虑构件的整体稳定系数（根据式（10～15）确定），、该数值由构件长细比、截面类型、钢材屈服强度根据《钢规》查表确定。
1）工字形截面（含H型钢）
双轴对称时：
（10）
单轴对称时：
（11）
式中：
I1-受压翼缘y轴的惯性矩;
I2-受拉翼缘对y轴的惯性矩。
2）T形截面
①弯矩使翼缘受压时
双角钢T形：
（12）
两板组合T形（含部分T型钢）：
（13）
②弯矩使翼缘受拉且腹板宽厚比不大于18时：
（14）
3）箱形截面 （15）
合理且正确的确定各个工况下构件稳定性系数是进行结构稳定性计算的关键，清晰结构概念使结构设计人员准确且高效的完成结构稳定性设计。
3 提高结构、构件的整体稳定性和局部稳定性措施及方法
3.1 轴心受压构件整体稳定提高措施
轴心受压实腹式构件整体稳定性能的提高的有效措施，第一，缩短结构及构件计算长度，可将构件弱轴或强轴方向选取适当距离加设置侧向支承，将构件的平面外计算长度减小;第二，在组合截面中，使其满足局部稳定的前提下，为获取较大的回转半径，应将截面形状完成开展设计，最后使长细比减小，或在选取型钢截面时如果侧向支撑加设困难时应适当避免选取窄翼缘截面。
通过合理的控制结构构件的计算长度和截面的回转半径，最终使截面的双轴长细比相当，即，使结构双向稳定能力基本一样，这样达到了最佳设计效果，使钢材得到了合理应用，达到技术合理的要求。
3.2 轴心受压构件局部稳定性提高措施
首先应使截面局部稳定尽可能满足《钢规》规定，如设计中截面的选择不能满足规范中要求，一般通过截面悬挑宽度的减小和厚度的增加使截面满足规范规定的局部稳定要求。
当腹板不满足规范规定局部稳定要求时，根据《钢规》4.3.1-4.3.6规定配置横向及纵向加劲肋，可通过该方法最终减小腹板的计算高度，实现局部稳定的满足。
《钢规》规定允许腹板采用塑性设计，既可允许中间部分屈曲，而在计算构件的强度和稳定性时，仅考虑腹板计算高度边缘范围内两侧各位的部分作为有效截面。
3.3 受弯构件及压弯构件整体稳定提高措施
1）以改变构件截面及材质的角度出发，提高受弯构件平面外、抗和是增强该类构件整体稳定的有效措施之一;
2）以改变构件计算长度的角度出发，在不影响安装或其他专业管道通行的情况下，加设结构次梁或采取适当结构措施减小构件的平面外计算长度。根据《抗规》规定梁柱构件在出现塑性铰的截面上下翼缘均应设置侧向支撑[8]。
3）以改变受弯构件端部约束强弱的角度出发，如果梁高度、宽度和平面外支撑加设受限时，可以通过增强受弯构件端部约束的方法适当提高受弯构件的整体稳定要求。
4）通过结构及构造措施使得构件达到高阶失稳状态，使得结构稳定承载力大幅度提高。
3.4 受弯构件及压弯构件局部稳定提高措施
解决构件翼缘局部稳定问题，采取减小截面悬挑宽度与厚度之比，或通过加设横向与纵向加劲肋予以解决。如解决腹板局部稳定超出规定时，通过加设纵向加劲肋将腹板的计算高度减小，或通过加固将腹板厚度增大，最终达到腹板局部稳定要求。
4 结 语
在石油化工工程设计中钢结构应用越来越广泛，但是由稳定性设计不合理或概念不清而导致事故发生或材料大量浪费现象时有发生。很多是因为结构设计人员对结构及构件的稳定性能设计概念不理解或掌握不全面，最后造成钢结构设计中出现结构或构件的薄弱或为满足结构稳定性而采取的性价比较低的设计方案，最后造成大量钢材浪费。从经济性、安全性、合理性出发，本文就稳定性设计问题进行了相应的总结、分析，同时对一些提高且改善结构及构件稳定性的措施进行总结。希望对结构工程师进行钢结构稳定设计能起到一定的借鉴作用。
参考文献：
[1]文枚，李洪昌.钢结构住宅的发展及结构设计概述[J]. 山西建筑，2010，36（8） ： 97-98.
[2]陈骥.钢结构稳定理论与设计[M].第3 版.北京： 科学出版社，2006.
[3]罗永峰，韩庆华，李海旺.建筑钢结构稳定理论与应用[M].北京：人民交通出版社，2010.
[4]郭耀杰.钢结构稳定设计[M].武汉：武汉大学出版社，2003.
[5]Lai J. W，Tsai K. C.Research and Application fo Buckling Restuained Braces in Taiwan[M]. 2004 ANCER Annual Meeting： The Sheraton Princess Kaiulani ，2004
[6]戴国欣.钢结构[M].武汉：武汉理工大学出版社，2008.
[7]GB50017-2003，钢结构设计规范[S].
[8]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].