淺議建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

李 喃

（撫順職業(yè)技術(shù)學(xué)院 113122）

淺議建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

李 喃

（撫順職業(yè)技術(shù)學(xué)院 113122）

近年來隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的經(jīng)濟(jì)水平也隨之快速提升。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展我國各行各業(yè)隨之不斷的建設(shè)，尤其是我國的建筑行業(yè)也在不斷前進(jìn)，而建筑鋼結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)越性使得其在建筑行業(yè)中被大量的應(yīng)用，但是隨著建筑鋼結(jié)構(gòu)的不斷應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在應(yīng)用時(shí)對建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用起著至關(guān)重要的作用。因而，本文在這一基礎(chǔ)上，對建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了深入的分析，通過對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定型設(shè)計(jì)的研究，希望在節(jié)約建筑成本的前提下，提高建筑鋼結(jié)構(gòu)施工的工作效率以及結(jié)構(gòu)的使用與耐久性。

建筑鋼結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)

一、鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展

自建國以來，我國鋼鐵產(chǎn)量一直處于持續(xù)增加中，尤其是改革開放后，我國的鋼產(chǎn)量都會(huì)以每年300萬噸以上的增速不斷發(fā)展，這樣迅速的鋼產(chǎn)量增長，使得我國成為世界上產(chǎn)鋼大國之一，隨之而來我國鋼結(jié)構(gòu)建筑也隨之不斷發(fā)展。但是由于我國鋼結(jié)構(gòu)建筑起步較晚，對其了解并不充分，這就使得我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展較為滯緩。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)階段大部分特色鋼結(jié)構(gòu)建筑均為外國設(shè)計(jì)師的作品，國內(nèi)的獨(dú)立設(shè)計(jì)較少。但同時(shí)，為了提高我國鋼結(jié)構(gòu)建筑物的建設(shè)量，我國在部分鋼結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)時(shí)急于求成，在對鋼結(jié)構(gòu)知識(shí)并沒有充分了解的情況下就進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)與建造，使得我國建筑并沒有得到進(jìn)步，反而發(fā)生了退后[1]。在這些過速發(fā)展的建筑中由于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不成熟，使得建筑鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，導(dǎo)致最終建筑壽命的縮短，建筑業(yè)發(fā)展不前，因而，為了更好地發(fā)展我國建筑行業(yè)，關(guān)于建筑鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)以及如何讓通過設(shè)計(jì)使建筑穩(wěn)定提高，已經(jīng)變成我國現(xiàn)階段建筑研究的一個(gè)重要方面，其解決也變得迫在眉睫[2]。

二、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的概念以及分析方法

建筑的鋼結(jié)構(gòu)在受到外界干擾力的作用下能否迅速的恢復(fù)到建筑最初的平衡狀態(tài)被人們稱之為鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)。在受到外界作用力的影響下，建筑鋼結(jié)構(gòu)往往會(huì)由于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，即建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)建由原有平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)移為另一個(gè)平衡狀態(tài)，導(dǎo)致建筑平衡發(fā)生變化，使建筑的結(jié)構(gòu)受到破壞，影響建筑的使用壽命[3]。因而，為了提高建筑的使用壽命，人們逐漸開始對鋼結(jié)構(gòu)建筑穩(wěn)定性分析加強(qiáng)了重視，隨著對結(jié)構(gòu)的受力分析及計(jì)算的不斷進(jìn)步，人們對建筑鋼結(jié)構(gòu)的研究開始建立在由外部負(fù)載作用，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。由于通常狀態(tài)下建筑鋼結(jié)構(gòu)受到的外部負(fù)載作用以及和鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)受力狀態(tài)經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)其均為非線性受力曲線，因而，我們不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段建筑的鋼結(jié)構(gòu)的分析曲線均是建立在幾何非線性分析的基礎(chǔ)上的。因而，如何對建筑鋼結(jié)構(gòu)的“屈曲”以及“極限”進(jìn)行分析，是判斷建筑鋼結(jié)構(gòu)承載力的關(guān)鍵，也是建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析中至關(guān)重要的一環(huán)。

三、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)失穩(wěn)的原因

（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏深度

我國建筑設(shè)計(jì)相關(guān)法令中雖然對建筑設(shè)計(jì)人員進(jìn)行了嚴(yán)格的界定：建筑設(shè)計(jì)人員必須為由專業(yè)資格的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。但由于現(xiàn)階段我國大多數(shù)設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)能力不足，設(shè)計(jì)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，同時(shí)，由于大部分單位的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員都是剛剛畢業(yè)的迎接畢業(yè)生，這些設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中由于缺乏相關(guān)的實(shí)際工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)單純的死學(xué)書本中的知識(shí)，并沒有對相關(guān)理論知識(shí)有一個(gè)很好的掌握，書本無法與實(shí)際相結(jié)合，導(dǎo)致最終的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)深度不足，也往往不會(huì)深入考慮建筑鋼結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)穩(wěn)定性以及安全性相關(guān)問題，這些種種的原因?qū)е嘛@然他們的設(shè)計(jì)水平無法達(dá)到建筑設(shè)計(jì)應(yīng)有的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，顯而易見的我們可以發(fā)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)單位雖然即使可以設(shè)計(jì)出建筑鋼結(jié)構(gòu)，但是其設(shè)計(jì)水平是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的。

（二）設(shè)計(jì)剪力調(diào)整不均勻

目前，我國建筑行業(yè)的發(fā)展速度是非常快速的，同時(shí)建筑的設(shè)計(jì)也變得越來越復(fù)雜化，新型的不對稱建筑被大量建設(shè)，由于這股不對稱建筑建設(shè)風(fēng)潮的來到，導(dǎo)致現(xiàn)在建筑中傾斜現(xiàn)象常常發(fā)生，這種不對稱建筑與正統(tǒng)的垂直建筑相比而言，其傾斜現(xiàn)象更為突出，過度的傾角也對建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剪力有更加嚴(yán)格的要求。但國內(nèi)的建筑師在對建筑進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為了對設(shè)計(jì)進(jìn)行簡化處理，常常將垂直的結(jié)構(gòu)構(gòu)件簡化為柱子，將傾斜的斜柱視為斜桿，這樣的簡化從建筑物的整體角度而言，對建筑整體的穩(wěn)固性影響并不是十分巨大，但是在調(diào)整框架柱的剪力過程中，就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的建筑設(shè)計(jì)影響，這是由于斜柱在這個(gè)過程中不僅要作為水平方向的支撐，同時(shí)其在豎直方向上也仍需要相應(yīng)的支撐荷載，這一部分的荷載忽略則會(huì)時(shí)建筑的整體剪力計(jì)算帶來極大的影響[4]。因而，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該時(shí)時(shí)根據(jù)建筑的建設(shè)需要以及設(shè)計(jì)要求，對建筑物鋼結(jié)構(gòu)件剪力進(jìn)行不斷調(diào)整計(jì)算，使建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性被更好地發(fā)揮出來。

（三）強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)

根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的要求，在對建筑鋼結(jié)構(gòu)的弱梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要對其進(jìn)行彈塑性的分析以及重點(diǎn)計(jì)算，因?yàn)?，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該對鋼結(jié)構(gòu)建筑的柱以及梁之間的整體性進(jìn)行綜合考慮。通過長期的研究，人們發(fā)現(xiàn)合理而安全的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要滿足在面臨無論是強(qiáng)震亦或是建筑構(gòu)件承受水平荷載較大的情況下時(shí)，建筑鋼結(jié)構(gòu)中的塑性鉸通常情況下是出現(xiàn)在梁上而非出現(xiàn)在建筑鋼結(jié)構(gòu)柱子上，這樣的塑性鉸可以有效保證鋼結(jié)構(gòu)的整體性不至于瞬間被破壞，使得整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的整體抗壓性，并且更加較為容易的使建筑恢復(fù)到初始的形態(tài)，對建筑整體有一個(gè)較好的保護(hù)性，但是先進(jìn)設(shè)計(jì)往往對這一點(diǎn)進(jìn)行了普遍性的忽略，使得建筑鋼結(jié)構(gòu)在后期使用上長期失穩(wěn)，尤其在抵抗外力作用下時(shí)這一點(diǎn)更為明顯，因而，在后期的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該對強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)加以注意[5]。

（四）鋼材自身設(shè)計(jì)選擇的缺陷

現(xiàn)階段，由于我國的鋼材生產(chǎn)量巨大，同時(shí)由于鋼材在制造過程中是經(jīng)過包括冶煉、澆筑以及軋制等多種手法、多個(gè)環(huán)節(jié)控制的，因而，巨大的產(chǎn)量以及如此多的環(huán)節(jié)控制都是導(dǎo)致現(xiàn)階段我國鋼材質(zhì)量參差不一的原因之一。但從整體而言，影響鋼材使用的兩大主演原因有兩方面，一方面由于鋼材在制造過程中由于涉及碳、錳、硅等有益于鋼材質(zhì)量的元素又包含硫、磷、氧、氮等多種有害元素，這些有益元素以及有害元素的共同作用使得剛才在化學(xué)成分構(gòu)成上就存在這一定的差異性以及不足，另一方面，由于鋼材自身的耐熱能力以及耐腐蝕能力就相對較弱，在建筑鋼結(jié)構(gòu)的長期使用過程中，由于反復(fù)使用。穩(wěn)定性反復(fù)發(fā)生變化使得建筑鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋，建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最終受到極大的破壞。

四、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增加的相關(guān)設(shè)計(jì)方法

（一）增強(qiáng)對總體穩(wěn)定性分析

為了更好地適應(yīng)現(xiàn)階段我國的建設(shè)需求，大力加強(qiáng)建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析，這就要求我們在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，不要局限于單一的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路上來，要將建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行充分有效結(jié)合。由于每個(gè)建筑設(shè)計(jì)要求的不同，其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中也存在著很多的不同，但總體而言，為了增強(qiáng)建筑的整體穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量選擇技術(shù)較為成熟的對稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。除此之外，在設(shè)計(jì)過程中，為了保證建筑的穩(wěn)定性，要對建筑包括抗震系數(shù)、水平荷載系數(shù)等在內(nèi)的多種設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮，反復(fù)校驗(yàn)，在進(jìn)行多項(xiàng)比較后，確定合格適用的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案[6]。

（二）加強(qiáng)靜力分析以及動(dòng)力分析

對建筑剛結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析可以分為靜力分析以及動(dòng)力分析這兩大方面，因而，在對建筑鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該充分考慮到工程的實(shí)際狀況，通過對靜力分析以及動(dòng)力分析的綜合考慮，全面有效的對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行有效地保障。

靜力分析是靜力平衡法的簡稱，通過將受到微小形變后的鋼結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析，而后建立平衡微分方程，通過綜合計(jì)算得出最終的臨界載荷[7]。而動(dòng)力分析法的設(shè)計(jì)原理在于當(dāng)建筑鋼結(jié)構(gòu)體系維持在平衡轉(zhuǎn)臺(tái)下，一旦誰對建筑施加微笑的干擾以后，建筑鋼結(jié)構(gòu)體系就會(huì)立即出現(xiàn)震動(dòng)，在這種震動(dòng)狀況下，建筑鋼結(jié)構(gòu)的變形以及振動(dòng)的相關(guān)加速度均會(huì)與建筑剛結(jié)構(gòu)的荷載有著密切的關(guān)系，一旦當(dāng)結(jié)構(gòu)受到的荷載低于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的極限荷載值時(shí)，由于加速度與變形的方向相反，因而，最終當(dāng)干擾消失后，建筑鋼結(jié)構(gòu)由運(yùn)動(dòng)變?yōu)殪o止后，建筑鋼結(jié)構(gòu)再次恢復(fù)靜止，通過利用這種原理進(jìn)行計(jì)算與設(shè)計(jì)后，隨即可以得出臨界載荷[8]。

（三）增加節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性分析

在過去的建筑鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算中，由于設(shè)計(jì)人員為了對設(shè)計(jì)流程進(jìn)行簡化，通常會(huì)將建筑鋼結(jié)構(gòu)中的相關(guān)柱梁連接簡化為剛性連接或者理想的鉸接。但是，一方面，一旦將這些梁柱連接簡化為剛性連接，則由于其夾角不會(huì)發(fā)生形變這一顯著的缺點(diǎn)；另外一方面，如果將結(jié)構(gòu)的梁柱視為理想化的鉸接那么在后期計(jì)算中這些梁柱則不會(huì)對建筑鋼結(jié)構(gòu)的彎矩進(jìn)行傳遞。因而，綜上分析，如果將這些梁柱簡化為完全剛接則會(huì)使得建筑設(shè)計(jì)框架的側(cè)移量估計(jì)值減少，梁柱連接的剛度估計(jì)值過高；但如果將這些梁柱簡化成為理想鉸接，則會(huì)導(dǎo)致后續(xù)建筑鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)框架側(cè)移量過多，梁柱的連接剛度的相關(guān)估測值過高，使得建筑鋼結(jié)構(gòu)柱體的穩(wěn)定承載力理論值過大，導(dǎo)致最終建設(shè)的建筑物由于并沒有如此巨大的穩(wěn)定性，因而在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加強(qiáng)對建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性分析。

（四）借鑒多種成熟設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

目前，由于技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段的計(jì)算機(jī)技術(shù)也已成為一門較為成熟的技術(shù)，因而，在現(xiàn)階段的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的建筑鋼結(jié)構(gòu)以及建筑平面內(nèi)的強(qiáng)度還有其建筑整體的穩(wěn)定性計(jì)算，均式可以通過計(jì)算機(jī)技術(shù)的方法來進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)與計(jì)算分析。通過計(jì)算機(jī)的方法不僅在一方面大大縮短了設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)周期，提高了工程的設(shè)計(jì)效率，另一方面，通過計(jì)算機(jī)對建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，也大大減少了由于人為計(jì)算而產(chǎn)生的計(jì)算方面的失誤，從根本上提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度，進(jìn)一步確保了建筑鋼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)的合理與準(zhǔn)確性。

五、結(jié)論

目前，近年來隨著我國的經(jīng)濟(jì)不斷飛速發(fā)展，我國的各行各業(yè)，尤其是建筑行業(yè)也隨之得到了迅猛的提升。隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，建筑在使用適當(dāng)安全性以及舒適性也受到了建筑相關(guān)設(shè)計(jì)人員的重點(diǎn)關(guān)注，同時(shí)，發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑對提高城市建設(shè)水平也有著很大的助力作用。建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該對建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行多方面綜合設(shè)計(jì)，而不是僅僅加強(qiáng)施工過程中的施工水平。因而，在未來的設(shè)計(jì)中應(yīng)該從多方面加強(qiáng)分析與注意，保障建筑鋼結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性，使得我國的建筑事業(yè)不斷穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展。

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TU7

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1007-6344（2017）01-0087-02

李喃，1985年10月，女，漢族，籍貫（遼寧省撫順市），學(xué)歷 本科，職稱 助教（現(xiàn)在的），研究方向 結(jié)構(gòu)工程，教師