淺析建筑鋼結構設計方法

趙 輝

（城市規劃設計研究院有限責任公司，江蘇 揚州 225009）

1 建筑鋼結構設計方法的演進

1.1 容許應力法

容許應力的設計原則是：其結構計算應力應小于結構構件設計所規定的容許應力。對于結構構件的計算應力要按規定的標準荷載，計算是以一階彈性理論而得到，是以一個去除材料并大于1的安全系數的極限應力或是屈服應力而確定的[1]。其設計公式為：

式中 Rn——指結構材料的極限應力或是屈服應力的標準值；

K——安全系數；Sni——結構構件荷載標準值所求得的計算應力；n——工況數；i——荷載數。

容許應力主要存在的缺點在于：第一，不能合理的考慮到結構幾何的非線性影響；第二，由于容許應力法采用的是單一安全系數，不能反映出荷載變異和抗力的獨立性等。

1.2 塑性設計法

采用塑性設計原則是指結構構件的塑性性質和強度要高于標準荷載的構建乘以安全系數，在構建內力結構分析中一般采用鋼塑性分析法或是一階塑性分析法。塑性設計法的設計公式為：

式中 Rn——結構材料的塑性強度及性質所確定的承載力；

K——安全系數；S——計算應力；n——工況數；i——荷載數。

塑性設計法的主要優點在于其結構進入塑性后允許進行內力的重分布，但必須要求其構件和結構能有足夠的延性，在設計中嚴格的限制了翼緣和截面腹板的比例尺寸。塑性設計法雖然考慮到了非線性，可以客戶存在缺陷的容許應力法，但是在結構設計中依然不能反映出結構構件與材料屈服的擴展，此外，塑性設計法和容許應力法的相同點是在其結構的可靠性的保證，還是需要以經驗性的安全系數來確定[2]。

1.3 極限狀態法

極限狀態法是為了克服塑性設計法和容許應力法所存在的缺陷，這種方法主要是采用荷載分項系數和抗力來替代單一安全系數。目前，極限狀態法以是我國最常用的設計方法。其結構由于荷載的作用，可在一定的周期內達到兩種極限狀態，第一種是正常使用極限狀態，第二種是承載能力極限狀態。承載能力極限狀態所對應的是結構的安全性，主要是指構件的塑性變形、斷裂等造成的結構破壞。極限狀態法的設計公式為：

式中f——抗力分項系數；

ri——荷載分項系數；Rn——構件抗力；Sni——荷載效應標準值。

其設計公式主要是通過可靠度分析與概率分析而得到的，在極限狀態法的設計中考慮到幾何非線性的影響，可以進行二階分析，這樣便克服了上述塑性設計法和容許應力法所存在的缺陷。

2 建筑鋼結構的穩定性設計

在設計鋼結構的過程中，需遵循其結構的設計原則，保證鋼結構的安全可靠，從而有足夠的強度和耐久性，才能具備建筑鋼應具備的特點，建筑鋼結構通過穩定性設計，鋼結構才能充分發揮出最大優勢。

2.1 鋼結構的設計原則

在了解鋼結構的設計原則時，首先要能區別強度和穩定問題，強度關鍵取決于材料特征，對于脆性材料都要取最大強度，如混凝土；對于鋼材則取屈服點，而穩定問題在解決強度問題時，需找出其不穩定的平衡狀態，這種不穩定狀態存在內部抵抗力與外部荷載之間，也就是指變形在快速增長的開始點，通過這樣區分，可以指導強度問題最主要就是一個變形問題。

（1）建筑鋼結構的設計需符合組成部和整個體系的穩定性要求。由于很多鋼結構都是以平面體系而設計的，比如框架和桁架的設計。為了防止平面結構出現失穩的情況，需要充分考慮到建筑鋼結構的整體布置，同時設計其支構件，這種情況說明平面結構的結構布置和穩定計算需有一致性[3]。

（2）計算框架結構穩定性過程中，最重要的一點是計算方法和計算簡圖要有一致性。目前在設計多層框架結構或是設計單層框架結構時，最主要分析計算框架柱的穩定性，而不是作框架的穩定分析，通過這種方法計算框架柱穩定時用到的柱計算長度系數時，要依靠框架的整體穩定來分析得出結果，這樣便得出了框架穩定計算與框架柱穩定計算是等效的。

2.2 建筑鋼結構設計穩定性特點

首先，從建筑鋼結構整體穩定性來分析，如要保持鋼結構的穩定性，需要從結構的整體出發來分析其穩定性。其次，從鋼結構的整體剛度和失穩方面來看，應采用現行較為規范的折減系數法和臨界壓力求解法來進行穩定計算，對于軸心壓桿的穩定計算通常用這兩種方法。再次，在彈性穩定計算的過程中，不只考慮結構整體性特點，還應考慮到二階分析，這主要是由于結構內力會受到柔性構建大變形量的一定影響。

總之，建筑鋼結構的設計過程中，要對其結構優勢有所了解，并對設計中需注意的問題有明確的認識，才能設計出合格的建筑鋼結構體系，從而在建筑運用中取得更好的效益。

[1] 李國強，李進軍.建筑鋼結構設計方法的平訴和趨勢[J].鋼結構工程研究，2010（5）.

[2] 周新濱.淺談鋼結構體系研究[J].中國科技信息，2005（10）.

[3] 馬奇，羅志兵.鋼結構穩定設計的探討[J].江西建材，2008（7）.