建筑鋼結構及其穩定性設計方法

摘要：隨著經濟的不斷發展和社會的進步，人民的生活水平在不斷地提高，對于居住環境的要求也在不斷的變化，為了使人們生活的更加安全和舒適，我國建筑技術水平逐步提升。在現代的建筑工程中，鋼結構因為其自重輕、強度高的優勢，它的穩定性與其他建筑材料相比，更適合用于建筑設計中結構的搭建。雖然建筑鋼結構的穩定性得到了整個行業的認可，但近年來，由于建筑設計等問題的出現，鋼結構的穩定性遭到了質疑，安全事故也頻頻引發。本文對建筑鋼結構設計出現的問題和缺陷進行了討論，對鋼結構穩定性的提出一些合理的建議，希望能解決目前穩定性設計中出現的問題，使建筑行業能平穩、安全的發展。

關鍵詞：建筑鋼結構；穩定性；設計

一、目前鋼結構穩定性設計存在的問題

鋼結構設計的穩定性存在不少問題，穩定性受到很多條件的限制，在設計鋼結構時，不僅要考慮到鋼結構本身對穩定性的影響，同時也要控制外界因素對穩定性的干擾。

（一）構件承受力的強度影響穩定性

在鋼結構設計中，構件承載的程度對穩定性產生影響，構建材料的應力、截面特征也和穩定性相關，在建筑鋼結構設計開始時，考慮到支撐力、扭抗力等因素在假設、模型計算中難以反映，所以理論結果和實際承載力會不同，這些都是設計時要考慮的條件。

（二）大跨度結構的設計有缺陷

大跨度結構設計中反映軸力和彎矩的耦合效應有一定難度，這個問題影響到了穩定性設計。通常情況下，選定的穩定安全系數不能反映網殼結構的受力，由于預張拉結構體系的設計存在缺陷，導致整體與局部受到影響，穩定性之間的關系需要進行探討。

（三）穩定理論不完善

在鋼結構穩定性設計中，設計師是從各種條件達到最佳狀態的角度去考慮的，但一些不確定性的因素沒有考慮到，穩定理論不完善，在施工中結構參數的不確定會直接引起各個方面的結果的變化，為了保證鋼結構的施工質量，穩定性的設計應重視隨機參數的考慮。

二、鋼結構失穩的分類

（一）平衡分岔失穩

平衡分岔失穩是當荷載增加時，結構維持的平衡狀態被打破，出現新的平衡形式在本質上和原來的平衡狀態有差異，穩定性受到破壞不再穩定。具體的原理是構建截面承受的壓力超過了能臨界點，構建發生變形，原來的軸心受壓平衡狀態被彎曲的狀態所取代，這就是平衡分岔失穩。

（二）極值點失穩

用于建筑的鋼材料偏心受壓構件，當其塑性超過了本身能承受的程度，就是失去了穩定性，失穩狀態的荷載值等同于構件實際最大荷載值，這是一個漸變的過程，和平衡分岔失穩不同。

（三）跳躍失穩

跳躍失穩和上述的失穩類型都不相同，是失穩后一個新的平穩狀態取代了之前的平穩狀態，沒有平衡分叉點，也不存在極限值。

三、建筑選擇鋼結構的原因分析

（一）鋼結構的材料特性

鋼結構的主要構成是鋼材料，和其他的建筑材料相比，它具有的特性使之穩定性更好。第一，鋼材的可塑性較高，由于構成鋼結構的鋼材通過冷加工和熱加工的方式成形，使其韌性較好，對于建筑設計中荷載大的地方，能加固它的整體質量，不會因為荷載大而發生意外斷裂。對于建筑中跨度大的構造，鋼材極好的強度也彌補了空缺，除了這些優勢，鋼結構的抗震能力也很好，這歸功于鋼材的延展性和吸力。第二，鋼材比其他的建筑材料要輕，和建筑中常用的混凝土相比，在同樣的構造運用中，鋼材的重量比混凝土結構要輕3/4或者2/3，對于施工中的購進和吊用，減輕了工作量，節約了人力、物力資源。第三，鋼材能使建筑設計的實行更有利，因為鋼材在制造的過程中，材料元素較為穩定，沒有很大的波動，使生產出來的鋼材質地均勻，在可承受力的范圍內，受力情況和設計中力學的計算最為接近，幫助建筑設計趨于科學化，數據更為準確。

（二）鋼結構的建筑優點

鋼結構在建筑工程上的廣泛應用，不僅是因為其自身良好的材料優勢，還有鋼結構具有別的建筑結構不具備的特性。第一，鋼結構建筑的抗震新能較強，由于鋼結構良好的自重力和延展性，當地震來臨時，地震的震感會被鋼結構一定程度的削減，地震的效力也相對減小，這與鋼結構的總質量小有著密切的關系。第二，鋼結構使建筑整體空間感更大，在建筑施工中，鋼結構和混凝土有很大差別。鋼結構的建筑施工時，管道的設置是將梁腹板上打孔，而混凝土結構施工時，管道的設置和鋼結構明顯不同，一般情況下，管道需要通過梁板底部，整體上減少了樓層的凈高，混凝土結構占據的空間比鋼結構多，鋼結構可以利用這一特性，在住宅設計的選擇具有多樣性，如開放式住宅。

四、鋼結構穩定性設計的原則及計算方法

（一）鋼結構穩定性的設計基本原則

建筑鋼結構的設計，重點在于如何把握穩定性，鋼材決定了建筑的強度，可是強度不等于穩定性，兩者要區別開來，首先要分析鋼結構不穩定的原因在哪里，通常鋼結構的不穩定是由內外部力的不均衡造成的，外部的荷載力和內部的抵抗力不均衡會引起鋼結構的變形，而變形問題其實就是強度問題，要解決鋼結構設計的不穩定，最基本的是要遵循設計原則。第一，鋼結構的設計從組成部分到整體結構都力求穩定性達標。在設計框架和桁架時，鋼結構的設計運用的是平面體系，先將框架和桁架設計達到平穩性，在擴展到保證平面體系的平穩性，最后使整個鋼結構的設計趨于平穩，從部分到整體，中間環節不能有差錯。第二，鋼結構設計中運用了大量計算，首先要保證結構圖紙的一致，實際所用的圖紙必須和設計圖紙計算結果大致相同，如在設計框架時需要計算框架的穩定性，計算的結果要與模板框架結果大致相同，這樣才能確?？蚣艿姆€定。

（二）鋼結構穩定性設計的特點

鋼結構穩定性的設計特點，大概可以分為三點：第一，穩定性的計算。這里主要考慮彈性的計算，彈性穩定計算不僅要分析結構的屈曲性和強度，還要進行二階分析，在對鋼結構產生的較大的變形和撓度問題上，系統計算的準確度是鋼結構設計必要條件。第二，穩定性從整體考慮。設計穩定性的考慮不僅從組成部分上，還要進行部分到整體結構的分析，綜合起來進行設計，不要穩定了局部，整體沒有穩定可能會造成失誤。第三，整體剛度和失穩。穩定性的計算方法多種多樣，較為普遍的是臨界壓力法和折減系數法，在軸心壓桿的穩定性計算中，運用到了這兩種算法。

（三）鋼結構穩定性設計的計算

1、靜力平衡法

靜力平衡法又稱靜力法，或者歐拉方法，常用于屈曲荷載的計算。通常發生細微屈服后，利用結構的力學狀態分析體系和方程組求解，求解的結果不止一個的情況下，最小的解是結構體系的分岔屈曲荷載。靜力平衡法在鋼結構設計中較常使用的計算方法。

2、能量法

能量法又稱鐵木辛柯法，利用能量守恒原理求臨界荷載，能量守恒原理是保守體系處于平衡狀態時，貯存在結構體系中的應變能等于外力所做的功，關系表現為：ΔU=ΔW，其中ΔU為應變能的增量，ΔW為外力功的增量。根據勢能駐值原理指的是結構受到外力作用導致位移發生微小變化而總勢能不變，表達式為：δπ=0，其中δπ為結構總勢能的一階變分，有δπ=δU+δV=ΔU-δW，δU是虛位移引起的結構內應變能的變化，它總是正值，δW表示外力因為虛位移而做的功，且外力勢能的變化δV等于外力虛功的負值，即δV=-δW。

3、振動法

振動法是對平衡狀態下的結構體系施加微小干擾，使其發生振動，根據自由振動狀態確定結構的臨界荷載。當荷載小于穩定的極限荷載值時，加速度的方向和變形的方向相反，振動隨著時間的推移呈現收斂狀態，趨于靜止，這時結構的平衡狀態是穩定的。

五、鋼結構穩定性設計的建議和注意事項

（一）提升鋼結構穩定性的方法

建筑工程在施工過程中，可能會出現意外情況的發生，所以在建筑鋼結構設計時，針對意外情況的緊急處理辦法尤為重要，為了確保設計穩定性，要對整體結構進行加固。一般情況下，荷載分布狀況是鋼結構的加固常用方法，改變受彎桿的界面內力、焊接各種螺栓也對加固穩定性有著重要的作用。

（二）鋼結構穩定性設計的注意事項

鋼結構的建筑，如住宅的結構設計必須做到平面布置應力對稱，布置的規則問題直接和住宅遇到突發性災害的抵抗力有關。當廠房運用鋼結構時，需要考慮防腐性，若廠房用于存放化學產品，鋼結構可能會腐蝕，在設計時鋼材質量要求嚴格把關，涂層要達到要求。除了這些需要注意的，不同的鋼結構設計有不同的要求，針對具體的情況，考慮各方面因素，使鋼結構具有良好的設計穩定性能。

結束語

總的來說，鋼結構和其他建筑材料相比，對建筑的安全性和穩定性更為有益，但并不是完美的，鋼結構也存在著一定的不足和缺陷，所以在建筑設計的時候需要利用鋼材料自身可塑性高，強度好等特點，充分發揮其在整體建筑結構中的作用去固整體的穩定性，保障施工過程中建筑的安全，避免意外事故的發生。建筑中鋼結構的廣泛運用，對我國的建筑水平有了很大的提升。在不久的將來，建筑鋼結構設計水平逐漸趨于完善，穩定性會有更大的突破和升級，對建筑業的發展會產生革命性的重大影響。

參考文獻：

[1]王志軍.高層住宅鋼結構的設計流程及應注意的問題[J].中小企業管理與科技，2010，24（14）：635-636

[2]趙現魯.淺談建筑鋼結構穩定性設計[J].中國建筑金屬結構，2013（12）

[3]陳淑燕.提高鋼結構設計穩定性的有效策略[J].城市建設與商業網點，2009

[4]梅庭玉，舒昌林.建筑結構及其穩定性設計[J].煤炭技術，2010（12）

[5]陳銘，何麗麗，鞏偉平.淺談鋼結構穩定性設計[J].山西建筑，2009

[6]盧秋玉.對建筑鋼結構設計及安裝的探討[J].中小企業管理與科技，2010，36（28）：749-750