與混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)的顯著特點是材料強度高，構(gòu)件截面小，重量輕。但也由此產(chǎn)生了易失穩(wěn)的問題，穩(wěn)定性問題突出。

鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分為整體穩(wěn)定和局部（板件）穩(wěn)定。本文只討論整體穩(wěn)定。且應(yīng)首先說明：a 本文討論問題的前提是不考慮采用壓型鋼板的屋面、墻面對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的(蒙皮)作用（其理由見新舊門規(guī)有關(guān)條文及條文說明，茲不贅述）；b 文中涉及到的一些概念是基于2003版《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱鋼規(guī)），因為筆者至今未見到新版鋼規(guī)。

1 鋼規(guī)中的一些基本概念

為了便于說明門式剛架的問題，先復(fù)習(xí)一下03版鋼規(guī)對于等截面梁、柱穩(wěn)定性的規(guī)定，并說說筆者對這些規(guī)定的理解。

1.1 受彎構(gòu)件（梁）的整體穩(wěn)定性（圖1）

圖1所示工字形截面的梁段，在最大剛度主平面（梁的腹板所在平面）內(nèi)受彎，梁的中性軸以上截面受壓。如果彎矩較大，或梁受壓翼緣對于截面弱軸（y軸）的側(cè)向剛度較小，或受壓翼緣側(cè)向支撐點間的距離較大，則梁的受壓翼緣將向側(cè)向（向左或向右）偏轉(zhuǎn)。從上往下看，梁的軸線由直線變成曲線（如圖1中1-1剖面所示）。對于截面尺寸和支撐條件都確定的梁，隨著彎矩的增大，梁的受壓翼緣將最終失去側(cè)向穩(wěn)定。由此確定的梁的受彎承載力，低于按強度計算的梁的受彎承載力，二者的比值就是φb——梁的整體穩(wěn)定系數(shù)（大致如此)，參見鋼規(guī)（4.2.2）式：

[4.2.2]

由上述可見，鋼規(guī)4.2.2條所謂的梁的整體穩(wěn)定性，實質(zhì)上就是梁受壓翼緣在彎矩作用平面外的穩(wěn)定性。由鋼規(guī)附錄B的（B.5-1）式可見，影響 φb的主要因素是梁在側(cè)向支撐點間對截面弱軸(y-y)的長細比λy＝l1/iy，l1為受壓翼緣側(cè)向支承點間的距離（平面外計算長度），iy為梁毛截面對y軸的截面回轉(zhuǎn)半徑。

值得注意的是鋼規(guī)4.2.5條：“梁的支座處，應(yīng)采取構(gòu)造措施，以防止梁端截面的扭轉(zhuǎn)?！?否則，鋼規(guī)4.2.1條規(guī)定“梁的支座處視為有側(cè)向支承”就不能成立(某規(guī)范9.1.6條與此不符。按照它的規(guī)定，假設(shè)檁條腹板厚度為2.5mm，當(dāng)腹板高度不大于200x2.5=500mm時就可以不設(shè)檁托)。

1.2 軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性

圖2為兩端鉸接的軸心受壓工字形截面柱，其穩(wěn)定性計算很簡單，即鋼規(guī)的(5.1.2-1)式：

其強軸（x-x軸）和弱軸（y-y軸）的計算長度（l0x、l0y）與回轉(zhuǎn)半徑（ix、iy）各不相同，因此需要分別按兩個方向的長細比（

）查鋼規(guī)附錄C的表求得穩(wěn)定系數(shù)（φx、φy），再按(5.1.2-1)式計算柱在x、y兩個方向的穩(wěn)定性。

軸心受壓構(gòu)件實際應(yīng)用的一個典型例子是由雙角鋼組合截面構(gòu)成的簡支桁架的上弦和受壓腹桿。其中上弦桿在桁架所在平面內(nèi)的計算長度l0x等于桁架上弦節(jié)間長度，但在桁架平面外，因側(cè)向支撐點的距離一般大于節(jié)間長度，因此需要分別計算桁架上弦桿在桁架平面內(nèi)、外的穩(wěn)定性。

1.3 壓彎構(gòu)件（偏心受壓柱）的穩(wěn)定性

圖3為單層門式剛架邊柱的計算模型（假定柱腳鉸接，且僅考慮剛架橫梁豎向荷載）。因剛架在兩個方向的剛度、支撐情況等等均不相同，應(yīng)分別計算彎矩作用平面內(nèi)（對于門式剛架，彎矩作用平面內(nèi)即剛架所在平面內(nèi)）和平面外（垂直于剛架所在平面，即與縱墻平行的平面）的穩(wěn)定性。

1.3.1 等截面柱彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性

其計算公式即鋼規(guī)的（5.2.2-1）式：

上式左邊第一項(軸力項)是柱在軸力N作用下按軸心受壓構(gòu)件計算的應(yīng)力。但應(yīng)注意的是應(yīng)按柱在剛架平面內(nèi)的長細比λx=l0x/ix=μL/ix查鋼規(guī)附錄C的表求得φx。計算長度系數(shù)μ的計算比較麻煩，對于變截面柱更麻煩。

式（5.2.2-1）左邊第二項（彎矩項）是彎矩作用下將柱按剛架平面內(nèi)受彎的構(gòu)件計算所得的應(yīng)力，式中（1-0.8N/N'Ex）是考慮軸力N的作用對Mx的增大。其中N'Ex＝π2EA/(1.1λx2)，λx的計算如上所述，計算長度系數(shù)的計算仍是關(guān)鍵。好在剛架柱的平面內(nèi)穩(wěn)定性可以電算，由軟件自動生成柱的計算長度。這也不是本文要討論的主要問題，本文主要討論構(gòu)件在彎矩作用平面外（剛架平面外）的穩(wěn)定性。

1.3.2 等截面柱在彎矩作用平面外的穩(wěn)定性

其計算公式即鋼規(guī)的（5.2.2-3）式：

上式左邊第一項是軸力項，其實就是按軸心受壓構(gòu)件計算的柱在剛架平面外的穩(wěn)定性。第二項是彎矩項，與受彎構(gòu)件（梁）的整體穩(wěn)定計算公式

相似，其實就是將柱按受彎構(gòu)件（梁）計算其整體穩(wěn)定（受壓翼緣的平面外穩(wěn)定）。注意式中φy、φb分別是彎矩作用平面外（剛架平面外）的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)和受彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù)（將柱看作梁），應(yīng)根據(jù)剛架柱在弱軸（y軸）方向的計算長度l0y(側(cè)向支撐點間的最大距離)和回轉(zhuǎn)半徑iy，計算柱的平面外長細比λy=l0y/iy，再查鋼規(guī)附錄C的表求得φy，并按鋼規(guī)附錄B的（B.5-1）式求得φb。

2 規(guī)范（規(guī)程）和設(shè)計中的問題

2.1 我看過的許多門式剛架計算書，均將門式剛架梁的平面外計算長度取為3m（兩倍檁距或一倍隅撐間距），甚至某設(shè)計手冊中的一道例題也是這樣做的。

有的計算書甚至將門式剛架柱的平面外計算長度也取為3m。

為什么會出現(xiàn)上述普遍現(xiàn)象呢？規(guī)范（規(guī)程）能脫掉干系嗎？請看——

舊門規(guī)6.1.4條第1款的（6.1.4-1）式是剛架柱的平面外穩(wěn)定計算公式，該款最后一句話是：“當(dāng)不能滿足式（6.1.4-l）的要求時，應(yīng)設(shè)置側(cè)向支撐點（隅撐）”，暗示隅撐可以作為門式剛架柱的側(cè)向支撐點。

某規(guī)范7.1.5條與舊門規(guī)如出一轍：“變截面柱的平面外穩(wěn)定應(yīng)分段按下列公式計算，當(dāng)不能滿足時，應(yīng)設(shè)置側(cè)向支撐或隅撐”。

《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱冷鋼規(guī)）10.1.4條對隅撐的側(cè)向支撐點作用更加肯定和明確：“實腹式剛架梁和柱在剛架平面外的計算長度，應(yīng)取側(cè)向支撐點間的距離，側(cè)向支撐點間可取設(shè)置隅撐處及柱間支撐連接點?！保ù颂幩朴泄P誤，“間”字應(yīng)去掉。）

上述規(guī)范(規(guī)程)的條文，為設(shè)計者將門式剛架梁柱的平面外計算長度取為3米（隅撐間距）提供了明確的依據(jù)。但是這樣做安全可靠嗎？隅撐能作為梁的側(cè)向支撐點嗎？這個問題一直令我困惑，也許還要困惑下去。

舊門規(guī)4.1.1條和某規(guī)范5.1.1條都規(guī)定：“主剛架斜梁下翼緣和剛架柱內(nèi)翼緣平面外的穩(wěn)定性，應(yīng)由隅撐保證?！?/p>

我的疑惑是：

第一，剛架梁、柱并不總是下翼緣和內(nèi)翼緣受壓。由剛架彎矩包絡(luò)圖可見，由于風(fēng)荷載和地震等作用的往復(fù)性，梁的上翼緣和邊柱外翼緣也完全可能受壓（中柱兩側(cè)翼緣均可能受壓），此時隅撐還能作為梁、柱的側(cè)向支撐點嗎？梁、柱的平面外計算長度取為3.0米安全嗎？

第二，當(dāng)柱彎矩相對較小，軸力相對較大，即偏心距較小時，可能全截面受壓，如某規(guī)范圖7.1.1(a)所示(圖4)。此種情況下，如果柱在剛架平面外沒有其他支撐點，則在豎向壓力作用下，縱向柱列的所有柱均可能向同一個方向彎曲，并帶動墻梁、隅撐一起向同一個方向移動（見圖5），這時設(shè)置隅撐還有多大作用呢?

在圖5中，如果柱間支撐采用型鋼而不是圓鋼，在交叉點（a點）處有節(jié)點板相連，a點可視為不動點。在a點所在標高處的墻梁用適當(dāng)方法在a點與柱間支撐相連（因為二者不在同一個平面，如何相連需要認真考慮）并按壓桿設(shè)計，則此道墻梁可視為柱的側(cè)向支承點。

冷鋼規(guī)10.1.4條的條文說明：“作為側(cè)向支承點的檁條、墻梁必須與水平支撐、柱間支撐或其他剛性桿件相連，否則，一般不能作為側(cè)向支承點?！蔽蚁脒@句話就是上段文字所述的意思（但冷鋼規(guī)10.1.4條似乎與其條文說明自相矛盾）。

再看冷鋼規(guī)10.2.4條:'剛架梁及柱的內(nèi)翼緣（或內(nèi)肢）需設(shè)置側(cè)向支承點時，可利用作為外翼緣（或外肢）側(cè)向支承點用的檁條或墻梁設(shè)置隅撐?！边@句話和10.1.4條的條文說明加在一起非常有意義：只有作為梁上翼緣和邊柱外翼緣側(cè)向支承點用的檁條或墻梁，才能用來設(shè)置隅撐。但是，作為側(cè)向支承點的檁條、墻梁，必須與屋面水平支撐、柱間支撐的不動點相連。“否則，一般不能作為側(cè)向支承點。”而新舊門規(guī)恰恰沒有在這方面作出明確無誤的規(guī)定，造成許多困惑和爭議。

2.2 某規(guī)范7.2.1~7.2.3條的問題

2.2.1 按照某規(guī)范7.2.1條及圖7.2.1規(guī)定的作法，端部屋面梁的下翼緣作為抗風(fēng)柱上端的水平支座。風(fēng)載作用下，抗風(fēng)柱頂?shù)乃街ё戳Ψ聪蜃饔糜谖菝媪合乱砭?，其?shù)值往往較大，不可忽視。如果再按該規(guī)范7.2.3條規(guī)定：“采用隅撐——雙檁條體系代替剛性系桿”（圖6），對于梁的下翼緣將是雪上加霜——風(fēng)吸力作用下抗風(fēng)柱頂反力與隅撐壓力的水平分力聯(lián)合作用，使梁的下翼緣處于更加不利的受力狀態(tài)。

能否采取更好的辦法，使梁處于更好的受力狀態(tài)，將抗風(fēng)柱所受的風(fēng)載可靠地傳遞到屋面支撐系統(tǒng)？這是應(yīng)該認真思考的。

2.2.2 規(guī)范7.2.1~7.2.4的條文說明：“抗風(fēng)柱的上端以前常采用彈簧板連接，在輕型房屋中，彈簧板連接的理由已經(jīng)不存在”。這種說法是很可疑的。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，當(dāng)跨度較大時，門式剛架梁的豎向撓度常常超過150mm。如果山墻處的剛架梁按7.2.1條規(guī)定與抗風(fēng)柱頂固定連接，其豎向撓度與相鄰剛架梁豎向撓度相差可能超過100mm。這對房屋的正常使用會帶來不小的問題。為了避免此類問題，以往的工業(yè)廠房抗風(fēng)柱頂常采用彈簧板(其實，要達到只傳遞水平力不傳遞豎向力的目的，此處也可以采取其它作法，并不一定要采用彈簧板，限于篇幅不詳述)。

2.3 某規(guī)范7.2.4條的問題

該條規(guī)定：“ 抗風(fēng)柱作為壓彎桿件驗算強度和穩(wěn)定性，可在抗風(fēng)柱和墻梁之間設(shè)置隅撐，平面外彎扭穩(wěn)定的計算長度，應(yīng)取不小于兩倍隅撐間距?！?/p>

像剛架邊柱一樣，山墻抗風(fēng)柱即可能內(nèi)側(cè)翼緣受壓（風(fēng)吸力時），也可能外側(cè)翼緣受壓（風(fēng)壓力時）。在圖6所示的情況下，如果柱所受風(fēng)力較小，軸力相對較大，則可能全截面受壓。在這些情況下，如果不考慮其他因素，墻梁加隅撐并不能保證抗風(fēng)柱的平面外穩(wěn)定（理由如前所述）。

但是，如果在山墻處設(shè)置了門式剛架，山墻處的墻梁與剛架柱、梁可靠相連，剛架柱、梁可看作冷鋼規(guī)10.1.4條條文說明所說的“剛性桿件”（不動點），則此處墻梁可作為抗風(fēng)柱的側(cè)向支承點，此時設(shè)置隅撐才有意義（圖7）。但是某規(guī)范恰恰未說明這一點。

2.4 某規(guī)范7.1.4條的問題

該條規(guī)定：“變截面剛架梁的穩(wěn)定性應(yīng)符合下列規(guī)定......”，其條文說明：“本條專為房屋抽柱而增設(shè)的托梁進行穩(wěn)定性計算而制定的?！?/p>

似乎有點不可思議。

首先，托梁一般是兩端與柱弱軸方向鉸接的簡支梁，不是“剛架梁”；

其次，簡支梁支座彎矩為零，最大彎矩在跨中。將其設(shè)計成規(guī)范7.1.4條條文說明附圖（圖4）所示的變截面梁(支座截面大于跨中截面)很荒唐。

2.5 某規(guī)范7.1.6條的問題

舊門規(guī)6.1.6條和某規(guī)范7.1.6條的第1款均將門式剛架斜梁（實腹式）定義為'壓彎構(gòu)件'。舊門規(guī)并沒有對剛架斜梁的平面外穩(wěn)定計算作出專門規(guī)定，設(shè)計時一般按舊門規(guī)6.1.4-1式計算剛架斜梁的平面外穩(wěn)定。但某規(guī)范新增了7.1.4條，并在條文說明中說，屋面剛架梁的穩(wěn)定性“按本條計算”。7.1.6條第7款又規(guī)定“隅撐支撐梁的穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)按本規(guī)范第7.1.4的規(guī)定確定”，實際上是將受彎構(gòu)件（梁）和壓彎構(gòu)件（柱）混為一談。

如果認為門式剛架斜梁所受軸向壓力很小可以忽略，則規(guī)范7.1.6條第1款應(yīng)改為：“實腹式剛架斜梁可按受彎構(gòu)件計算強度和穩(wěn)定性'。否則，就不應(yīng)該在剛架斜梁的平面外穩(wěn)定計算中忽略軸力項。因此，某規(guī)范7.1.6條第7款及7.1.4條條文說明與7.1.6條第1款相矛盾。

更重要的是，如前所述，門式剛架斜梁并不總是下翼緣受壓。當(dāng)其上翼緣受壓時，7.1.6條第7款是否還適用？這也是個問題。

附記：土木吧主人洪飛宇廢寢忘食為本文的整理修改盡很大努力，在此誠致謝意！

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