建筑工程中鋼結構穩定性設計的原則與對策

文/徐智勇 大連松巖建筑設計院有限公司 遼寧大連 116000

1、建筑工程中鋼結構穩定性設計的基本原則

建筑工程中鋼結構穩定性設計的基本原則,主要包括三個方面的內容：

1.1 結構穩定性原則

因為鋼結構比較特殊、結構比較復雜，故而相關的工藝設計和施工工藝存在較大難度，而伴隨設計工藝和信息技術的不斷發展，借助信息技術實現對鋼結構穩定性和應力分布情況的檢測，已經十分常見，故設計過程中，必須多維度考量鋼結構的承載能力和承載效果。

一方面，要充分考慮到建筑本身施工環境、建筑使用過程中的荷載系數、水平層面的穩定需求；另一方面，要考慮建筑使用區域的抗震系數，保證鋼結構在使用過程中必要的抗震效果和抗震能力。因為鋼結構構件大多是應力比較集中的結構，故有必要提升其穩定性和承載效果，實現對建筑鋼結構整體情況的優化。

1.2 協調性原則

如今，各行各業出現的建筑工程形態日趨復雜，尤其是不對稱設計頻率頗高，并慢慢成為一種潮流。所以，斜柱使用頻率越來越高，同類型的建筑也可謂隨處可見，其較之于一般的垂直構件，存在一定角度的傾斜，所以要想保證建筑物的穩定性和安全性，就必須設計一定的剪力。

很多時候，設計師在進行鋼結構設計時，會出于簡便考量，直接將垂直構件表述為柱子，將斜柱表述為斜桿——這樣雖然不至于影響到建筑本身的穩定性，但是一旦遇到需要調整剪力的情況，就會遭受一定程度的干擾。比如對于斜柱來說，因其具有水平受力的功能，同時垂直方向也需要荷載，一旦設計是忽略了這一部分內容，就有可能出現剪力的誤差，進而影響后續建筑結構的穩定性。

鑒于此，設計師在進行具體設計的過程中，有必要結合建筑的實際情況，一旦發現有需要設計剪力的必要，就必須遵循相應的原則，進行具體的設計和調整，進而保證鋼結構的穩定性。

1.3 強柱弱梁原則

假設鋼結構設計具有時效性，質量較高，那么其在承載水平過大或者強力荷載，塑性鉸就有可能會出現在梁上，反之，就有可能出現在柱子上。秉承“強柱弱梁”的基本設計原則，可以提高鋼結構的抗壓能力，促使其自身的荷載能力得到進一步提升，以便快速恢復到較為正常的狀態。

目前鋼結構的穩定性需要進行設計方面的計算和分析，確保塑性鉸能夠準確地呈現在梁上，而要想實現這一目標，就要保證設計時計算結構和實際構造完全一致，尤其是要注意鋼結構的抗震效果。

2、建筑工程中鋼結構穩定性的分析方法

建筑工程中鋼結構穩定性的分析方法是基于概率理論的極限狀態設計法，充分考慮到鋼結構的幾何非線性影響，規定了二階效應的系數選用。對于軸心受壓構件、受彎構件以及拉彎壓彎構件穩定性的分析計算規范，多采用一階彈性分析法，具體要點如下：

2.1 軸心受壓構件的穩定性

軸心受壓構件如果不夠穩定，多是因為在荷載作用下，軸心桿件的整體剛度不夠，所以軸心受壓構件的穩定性分析要點，主要包括這樣幾部分：

首先，結合桿件支座以及支撐的具體情況，對其長度進行計算，然后根據計算結果選擇合適的構件斷面、尺寸，合理控制桿件的長短、粗細比例，確定壓桿的整體穩定性系數，以確保構件的穩定；

其次，桿件之所以會出現局部出現穩定的情況，主要是因為組成軸壓桿件的板件彎曲剛度不足，而在荷載作用下，板件出現翹曲變形而致使桿件局部失去穩定性。所以要想改變這樣一種情況，就要選擇和是的桿件斷面，亦或者在桿件尚布置加勁肋，保障其穩定性。

2.2 受彎構件的穩定性

受彎構件失去穩定性，很大程度上是因為在實際工程設計的過程中，為了節約材料，讓受彎構件的界面的高和寬取較大的值，讓受彎構件的平面外抗彎剛度以及抗扭曲度較低，這樣就會導致受彎構件在荷載作用下，內部彎矩達到臨界值，受壓翼緣發生屈曲變形。鑒于此，受彎構件穩定性的設計要點，包括這樣幾部分：

首先，控制構件受壓翼緣不過早，容易產生屈曲變形，其可以通過設置側向支撐的方式，來減少平面外的自由長度，或者通過加大構件截面寬度的方式，來提高截面模量，進而提高構件整體的穩定性；

其次，受彎構件之所以會局部失去穩定性，主要是因為構件的腹板與翼緣的寬厚比較大，荷載作用促使構件發生彎曲影響穩定性，所以為了改變這一類情況，可以嘗試加大板件寬厚比或者布置加勁肋的構造措施的方式。

2.3 壓彎、拉彎構件的整體穩定性

壓彎、拉彎構件同時承受彎矩、軸壓力或者拉力的情況，屬于復合受力構件。相對而言，壓彎構件的穩定性情況更為突出、也更為嚴重一些，主要包括單向壓彎和雙向壓彎兩種類型。在荷載的作用下，壓彎構件容易出現因為彎矩而導致的初始性完全變形，而且伴隨荷載的不斷加大，彎矩和軸壓力所產生的復合應力也會不斷加劇，導致構件的變形在達到峰值之后，徹底喪失穩定性。所以為了避免類似情況，多會采用放大彎矩的方法進行計算。

3、建筑工程中鋼結構穩定性的設計關鍵點

建筑工程中鋼結構穩定性的設計關鍵點主要包括兩個方面的內容：

3.1 鋼結構的抗震設計

加強和提升鋼結構間穩定性關系，需要格外重視鋼結構的抗震構造。在針對鋼結構展開設計時，要確保屋頂框架與屋頂板之間的有效連接，利用二者之間的穩定性，來增加鋼結構的抗震效果，進而提升建筑本身的安全性能。

另一方面，支撐的選擇形式及位置，決定了鋼結構的抗震強度，因此在進行抗震設計時，必須考慮到這些元素，盡可能降低這些元素對鋼結構抗震性能所產生的影響。

3.2 強節點弱構件設計

結構構造需要考慮到連接承載水平，畢竟一旦連接損壞，梁和柱之間的連接會變得十分低效、而且結構同樣容易被損壞。而要想避免這類情況，需要注意的是：

首先，需要從梁端的設計內力開始操作，根據“強節點弱構件”的基本原則，進行調節和設計；

其次，應當采取必要的措施，來避免不良境況的出現。比如當光束的端部得到釋放時，框架構件就能夠顯示出塑性構造損壞以前的變形，其中地震能量存在的目的在于保障，如果采取節點加焊接蓋的方式，那么連接靈活性與整體輪廓束相比較，所面臨的承載力更大，若采用法蘭連接，那么其抗沖擊的性能，就必須滿足相應的要求和標準。

如今，中國的建筑行業也發展到一定水平，而相關的施工技術以及設計質量也在穩步提升當中。鑒于如今我國建筑工程中鋼結構施工現場的具體情況，要采取合理有效的手段，對鋼結構的穩定性設計展開優化，確保未來建筑工程整體質量的提升。