試析建筑工程中鋼結構設計的穩定性與設計要點

吳立飛

（太原中旅工程設計有限公司，山西 太原 030012）

建筑鋼結構工程對安全穩固性有較高的標準要求，一旦穩定性失衡，極易誘發安全事故，對公眾生命財產安全構成威脅。為此，相關人員應進一步明確鋼結構的基本特征與設計原則，分析建筑鋼結構工程失穩因素與設計要點，以加強整體結構的安全穩固性。

1 鋼結構工程的基本概念

建筑鋼結構工程以鋼材為主要結構材料，是較為常見的建筑工程結構類型。眾所周知，鋼材具有強度等級高、抗形變能力強、耐用性持久等優勢特征。基于鋼材的這些優勢特征，其被廣泛應用到超重型、大跨度建筑工程中。建筑鋼結構工程符合工程力學的基本特征，不僅材料韌性好、抗壓性、耐腐蝕性突出，而且在形變過程中能夠承受較大的動力荷載。在建筑工程建設中，為提高施工效率，縮短時間跨度，采用鋼結構具有重要意義。且鋼結構還適用于自主化、集成化與機械化水平較高的生產環節，能夠有效加強生產環境的密閉性與精確性。

2 建筑鋼結構工程穩定性設計的基本原則

鋼結構工程設計原則包括穩定性原則、統一性原則與配合性原則。只有嚴格遵循這些基本的設計原則，才能加強整體設計的合理性、規范性與可靠性。具體內容如下。

2.1 穩定性原則

在建筑鋼結構工程規劃設計環節，要充分考慮整個結構體系與結構組成部分的安全穩固性需求。當下，大多數建筑工程結構都是按照平面體系進行設計的，如桁架結構與框架結構等。要想保證這些平面結構的安全穩固性，就需以整體結構布局為立足點，確保平面結構構件穩定性參數與整體結構穩定性參數相協調。

2.2 統一性原則

該原則主要指計算結構簡圖與計算方法保持一致性。當下，無論是單層結構設計，還是多層框架結構設計，都忽略了框架穩定性分析這一重要環節，采用框架柱穩定性分析取而代之。在框架柱穩定性分析中，要以柱體長度系數作為主要計算依據，并將計算結果作為整體框架結構穩定性分析的等效值。

2.3 配合性原則

該原則是指工程結構的細節構造的穩定分析與主體結構構件的穩定性分析相配合，保證二者的一致性。

3 建筑鋼結構工程的失穩因素

要客觀判斷建筑工程結構的質量安全等級，就需以鋼結構的穩定性作為主體參考指標。然而，從工程結構設計與施工角度來說，建筑鋼結構工程具有多樣性特征。與傳統鋼筋混凝土結構相比，鋼結構的多樣性特征體現在結構特點與連接方式方面，如節點承載力、梁柱承載力與拱承載力等。同時，相關人員要客觀分析影響鋼結構穩定性的主導因素。結合以往積累的實踐經驗可知，鋼結構失穩因素主要包括如下幾方面：

1） 極值點失穩，對于建筑鋼材制作的偏心受壓構件，一旦壓力值臨近極限點，必然會失去穩定性，而這也就是極限點失穩現象。在建筑工程建設中，偏心受壓現象較為普遍化，尤其是非對稱結構與非常規結構的荷載設計。此外，在建筑工程中，大量使用結構復雜且質量等級較高的配件也會導致設計與應用失配，成為不穩定性誘因。

2） 分支點失穩，分支點失穩的主要誘因是分支點結構設計不合理。而分支點失穩屬于局部失穩。在調整直桿軸心時，平板受壓面的彎曲現象也是較為典型的分支點失穩表現形式。

3） 躍越失穩，躍越失穩與極值點失穩和分支點失穩的核心理念存在本質性差異，既不是極值點，也不是平衡分支點，是從平穩喪失后跳躍到另一個平衡點的狀態。躍越失穩是以上述兩類失穩結構為基礎的一次性發展結果，這些失穩現象會破壞整體結構穩定性，嚴重情況下，甚至會威脅建筑安全。在工程項目中，一旦出現躍越失穩問題，就需要結合鋼結構特性，采取有效的處理措施，在整體穩定性評估指標達到標準要求后方可投入使用。

4） 其他失穩，除上述三種失穩現象以外，連接構件形變、銹蝕或鋼結構構件在環境因素與外力作用下發生損壞，也會導致整體結構失穩。

4 建筑鋼結構工程設計的關鍵點

4.1 布置與選型

鋼結構在高層建筑工程設計中較為常見。在選型設計過程中，要綜合考量施工材質、投資預算與周邊環境等關鍵因素。同時，在內部結構設計時，考慮不同位置的實際需求，選擇滿足多元化需求的建材進行施工。

4.2 估算構件截面

在完成結構布置后，設計人員應客觀考量斷面形狀與梁柱尺寸，例如選擇軋制鋼、槽鋼或H 型鋼等。通常來說，在估算構件橫截面與厚度參數時，需要以截面高度和翼緣寬度等作為主要參考依據；在鋼梁選擇時，要以梁柱規格、性質、支撐斷面形式作為主要參考依據。

4.3 設計構件與節點

第一步，焊接。在焊接過程中，嚴格遵照設計要求調整焊縫形式與規格，保證焊接處理的合理性；第二步，栓接。在高層建筑鋼結構連接時，相關人員要將高強螺栓作為傳力螺栓，讓強度等級至少達到19.0s。第三步，連接板。對厚度約為4 毫米的梁腹板進行加厚處理，然后驗算抗剪凈截面。第四步，梁腹板。驗算栓孔位置所在的腹板的抗剪凈截面，采用高強承壓螺栓進行連接，然后評估對應孔壁的承壓能力。

5 建筑鋼結構工程穩定性設計的具體方法

5.1 靜力平衡法的核心原理

靜態平衡法和中性平衡法簡稱平衡法，是估算鋼結構穩定極限荷載的重要方法。針對平衡分岔點的彈性穩定性問題，分岔點往往有兩個臨近平衡狀態，也就是原結構平衡狀態和微型形變平衡狀態。平衡法是根據微型形變結構的應力狀態，確定分岔屈曲荷載的平衡方程。一般情況下，這個平衡方程的解不是唯一的，只是分岔屈曲荷載是最小解。為此，只要保證建筑工程結構的屈曲荷載即可。盡管鋼結構穩定性的平衡狀態估測難度較大，但是采取合理的平衡法依然可以準確估算彈性結構體系平衡路徑分岔點對應的臨界荷載。

5.2 動力法的核心原理

在鋼結構體系的平衡狀態下，一旦受到外部荷載的干擾，極易產生強烈的振動效應。所謂動力法，是指以動力學理論為核心，探究影響鋼結構穩定性因素的方法。在受到外部荷載干擾后，結構體系的小幅度位移直接決定了系統的臨界載荷，而緩慢的速度變化則是邊界條件。在發生外部荷載干擾后，且外荷載值小于穩定極限值，鋼結構的變形位移和方向始終在反方向上加速，保持互相抵消的狀態。在解除外部荷載干擾后，變形位移會隨之減緩，鋼結構逐步恢復平衡狀態。在發生外部荷載干擾，且外荷載大于穩定極限值時，鋼結構必然會發生相應程度的形變。但是，變形位移方向與加速方向保持一致，形成互相促進的態勢。在解除外部荷載干擾后，這種變形位移現象不會減弱，而鋼結構也失去平衡穩定性。若振動頻率為零，則采用動力法可以保證鋼結構在臨界狀態下的動力荷載。

5.3 能量法的核心原理

能量法是指以勢能駐值條件為基礎確定臨界荷載的方法。若外部荷載值小于限定值，總勢能是最小的。此時，整個結構體系的初始位置相對穩定；若外部荷載值大于限定值，總勢能是最大的。此時，整個結構體系初始位置不穩定。但是如果外界荷載數值與特定值相同，一旦發生微型位移，數值始終保持不變。在此過程中，整個結構體系處于偶然平衡狀態，而這也就是臨界狀態。在臨界狀態下，相關人員應當結合勢能定值原理，確定能量守恒方程，進而準確估算分叉屈曲載荷。

6 結語

綜上所述，隨著社會主義市場經濟的繁榮發展與現代化城市建設進程的加快，建筑行業的發展取得了長足的進步。為此，相關人員應當綜合分析建筑鋼結構工程失穩因素與設計要點，提升整體設計水平，進而促進鋼結構工程的順利竣工。