建筑工程項(xiàng)目中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中穩(wěn)定性分析

仲倩倩 張胤

【摘要】鋼結(jié)構(gòu)具有自重較輕、可塑性較強(qiáng)、承重能力好以及運(yùn)用靈活等諸多優(yōu)勢，因此在建筑工程項(xiàng)目中得到了越來越多的應(yīng)用。為確保鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全性與舒適性，建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮鋼結(jié)構(gòu)性能、樓層高度、施工環(huán)境、材料質(zhì)量等多方面的因素，并要針對常見的鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象，開展穩(wěn)定性分析。文章主要對常見的鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并探討了建筑工程項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性分析方法，希望能夠?yàn)榻ㄖこ添?xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工提供有效的參考。

【關(guān)鍵詞】建筑工程項(xiàng)目;鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);穩(wěn)定性

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國建筑工程項(xiàng)目的相關(guān)技術(shù)也在不斷優(yōu)化與發(fā)展，同時(shí)也引進(jìn)了一些新設(shè)備、新工藝，推動著建筑工程項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量的提高。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的重要組成部分，鋼結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但不管是哪種類型的鋼結(jié)構(gòu)，均需要考慮穩(wěn)定性這一因素。鋼結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、塑性、韌性、質(zhì)量等方面均有著明顯的優(yōu)勢，但剛度相對較低，因此需要進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析。

1、建筑工程項(xiàng)目中常見的鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象

1.1極值點(diǎn)失穩(wěn)現(xiàn)象

建筑工程項(xiàng)目中，偏心受壓構(gòu)件為鋼材質(zhì)，極值點(diǎn)達(dá)到一定水平之后便會喪失穩(wěn)定性，也就是出現(xiàn)極限點(diǎn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。建筑工程項(xiàng)目建設(shè)過程中，偏心受壓現(xiàn)象頻頻發(fā)生，尤其是在對非對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理、開展異形承載設(shè)計(jì)的時(shí)候，或者是建筑工程施工過程中使用高質(zhì)量配件的時(shí)候，均會導(dǎo)致實(shí)際情況、設(shè)計(jì)內(nèi)容之間存在不匹配的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致極值點(diǎn)失穩(wěn)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

1.2分支點(diǎn)失穩(wěn)現(xiàn)象

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，分支點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理，便容易導(dǎo)致分支點(diǎn)失穩(wěn)現(xiàn)象的出現(xiàn)，進(jìn)而造成局部失穩(wěn)。直桿軸心改進(jìn)、平板受壓面發(fā)生屈曲，也屬于分支點(diǎn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。

1.3躍越失穩(wěn)現(xiàn)象

躍越失穩(wěn)與極值點(diǎn)失穩(wěn)、分支點(diǎn)失穩(wěn)之間存在著明顯的不同，其不屬于極值點(diǎn)、平衡分差點(diǎn)，而是從丟失平穩(wěn)跳躍至另一穩(wěn)定平衡的一種狀態(tài)。即躍越失穩(wěn)是建立在極值點(diǎn)失穩(wěn)、分支點(diǎn)失穩(wěn)兩種失穩(wěn)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響建筑的安全性。建筑工程項(xiàng)目一旦出現(xiàn)躍越失穩(wěn)現(xiàn)象，必須及時(shí)給予加固處理，并要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適當(dāng)給予調(diào)節(jié)，確保整體穩(wěn)定性合格后，方可繼續(xù)投入使用，以保障建筑使用的安全性。

1.4其他失穩(wěn)現(xiàn)象

除了極值點(diǎn)失穩(wěn)、分支點(diǎn)失穩(wěn)、躍越失穩(wěn)之外，鋼結(jié)構(gòu)中也會出現(xiàn)一些其他失穩(wěn)現(xiàn)象，如一些連接件出現(xiàn)變形、腐蝕，鋼結(jié)構(gòu)主體受到溫度、外力等因素的影響而發(fā)生破損，這些問題均會引起結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致失穩(wěn)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2、建筑工程項(xiàng)目中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中穩(wěn)定性計(jì)算方法

2.1動力法

動力法是一種基于動力學(xué)觀點(diǎn)來對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析的方法。對于鋼結(jié)構(gòu)體系來說，若是其處于平衡狀態(tài)的時(shí)候受到外部荷載的影響，即使是非常小的擾動，也會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)振動現(xiàn)象。受到外部荷載擾動之后，鋼結(jié)構(gòu)體系的小位移幅度，直接決定了鋼結(jié)構(gòu)體系的臨界荷載，邊界條件便是緩慢的速度變化。受到外部干擾的情況下，若是鋼結(jié)構(gòu)外荷載低于鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定極限值，即使鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了變形，但其變形方向、位移卻在相反方向加速，呈現(xiàn)出互相抵消的狀況，如果此時(shí)外部干擾消除、外部荷載消失，則鋼結(jié)構(gòu)的移動也會緩慢停止，并逐漸恢復(fù)平衡穩(wěn)定。受到外部干擾的情況下，若是鋼結(jié)構(gòu)外荷載高于鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定極限值，鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形，但其位移方向、變形方向、加速度方向一致，并出現(xiàn)互相促進(jìn)的狀況，如果此時(shí)外部干擾消除、外部荷載消失，鋼結(jié)構(gòu)的移動也會持續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。假設(shè)振動頻率為零，則應(yīng)用動力法，便可以準(zhǔn)確計(jì)算臨界狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)臨界荷載的大小。

2.2靜力平衡法

平衡法包括中性平衡法、靜態(tài)平衡法，主要用于對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定極限荷載進(jìn)行計(jì)算。對存在平衡分岔點(diǎn)的彈性穩(wěn)定問題，分岔點(diǎn)有兩個(gè)相似平衡狀態(tài)，即出現(xiàn)微小變形的原結(jié)構(gòu)狀態(tài)及結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)。平衡法是以結(jié)構(gòu)微小變形后的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)為根據(jù)，建立了求解分岔屈曲荷載的平衡方程。通常情況下，這一方程可獲得多個(gè)解。其中最小的解便是分岔屈曲荷載。但在實(shí)際建筑工程項(xiàng)目之中，只需獲得結(jié)構(gòu)屈曲荷載便可。雖然不能準(zhǔn)確評估鋼結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性，但在外部荷載達(dá)到一定水平的時(shí)候，應(yīng)用平衡法，便可以明確彈性結(jié)構(gòu)體系平衡路徑分岔點(diǎn)相對應(yīng)的臨界荷載的大小。

2.3能量法

能量法主要根據(jù)勢能駐值條件，來明確臨界荷載。外部負(fù)載較小、低于一定值的情況下，總勢能最小，這個(gè)時(shí)候，鋼結(jié)構(gòu)體系初始位置處于相對穩(wěn)定的狀態(tài);外部負(fù)載超過一定值的時(shí)候，總勢能最大，這個(gè)時(shí)候，鋼結(jié)構(gòu)體系初始位置便處于不穩(wěn)定狀態(tài)。如果外界荷載值等同于這一特定值，一旦發(fā)生微小移位，則其可保持不變。鋼結(jié)構(gòu)體系在這個(gè)時(shí)候便呈現(xiàn)出偶然平衡的狀況，這一負(fù)載便是臨界負(fù)載，其狀態(tài)被稱為臨界狀態(tài)。獲得臨界載荷之后，應(yīng)與勢能定值原理有機(jī)結(jié)合起來，得出能量平衡方程，然后對分叉屈曲載荷進(jìn)行求解。

3、基于穩(wěn)定性的建筑工程項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為確保穩(wěn)定性，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需注意以下幾個(gè)方面的問題：第一，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)對鋼結(jié)構(gòu)主體的應(yīng)力水平、自重進(jìn)行充分考慮，建立可確保自身處于平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。可參考投影體系、平面體系在穩(wěn)定性分析中的作用，有必要的情況下，可采取有限元仿真模擬方法，來進(jìn)行穩(wěn)定性評估，確保設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性;第二，應(yīng)仔細(xì)分析結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重力特征，設(shè)置合適的分支點(diǎn)，消除構(gòu)件的重力，保證結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力的合理性。可采取多層架構(gòu)方法，其自身穩(wěn)定性較好，對失穩(wěn)現(xiàn)象的容錯(cuò)率也相對較高，借助不同層級的緩沖作用，可有效緩解失穩(wěn)現(xiàn)象，從而可以提高建筑的整體穩(wěn)定性;第三，建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工中，應(yīng)對鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能、防火性能、應(yīng)力破壞、剛性材料質(zhì)量、防腐性能等進(jìn)行充分考慮，消除各因素給穩(wěn)定性帶來的不利影響。

結(jié)語：

綜上所述，建筑工程項(xiàng)目中鋼結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象是影響建筑建設(shè)質(zhì)量的主要因此，因此鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)明確鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要原因，做好鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，并采取有效的措施確保鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，才能為建筑工程項(xiàng)目的后續(xù)設(shè)計(jì)及施工奠定良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀青.鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)分析[J].中華建設(shè)，2019（08）：114-115.

[2]王國平.建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性原則與設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J].住宅與房地產(chǎn)，2019（18）：112.

[3]姚習(xí)紅，周業(yè)梅，高志民.圓錐形鋼結(jié)構(gòu)操作平臺設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2018，33（08）：75-78.