鋼結構設計的穩定性原則與設計要點

馬云龍

摘要：鋼結構作為建筑設計中一種主要的建造形式，目前，在大型廠房、橋梁、高層建筑物設計中被廣泛應用。鋼結構所采用的建筑鋼材具有防變形、耐腐蝕、抗震以及符合環保要求等眾多優點，因此能夠在建筑設計領域得到廣泛的應用。建筑工程采用鋼結構時，其結構穩定性作為一個至關重要的指標，直接決定了建筑物的質量和使用壽命。本文結合筆者多年的建筑設計經驗對建筑工程鋼結構的穩定性展開討論，已對相應問題提供參考。

關鍵詞：建筑;鋼結構;穩定性

0.??? 前言

在建筑工程技術漫長的發展歷程中，鋼結構占據重要地位，目前，作為一種主流的建筑結構形式，被廣泛應用于各類建筑設計中，尤其是在廠房、橋梁、機場、劇院、超高層等大型建筑結構中。在上世紀，由于鋼材冶煉技術并不發達，建筑用鋼材含碳量較高，其韌性和耐腐蝕性等缺點使得鋼結構在建筑設計領域并不受重視，一度被邊緣化，幾乎淘汰。近年來，隨著金屬冶煉科技的不斷進步，高強度、高韌性、耐腐蝕的建筑用鋼材被廣泛生產，鋼結構又重新受到建筑設計師的青睞，被越來越多地使用在各種工程建造中，在減輕建筑物總體結構重量，提高建筑物整體安全性方面起到了積極作用。[1]隨著建筑技術的不斷發展，鋼結構的使用也越來越廣泛，各種復雜的使用條件對其穩定性提出了嚴峻的考驗，本文將詳細分析鋼結構穩定性的設計在建筑工程使用的要點和原則，并總結相關經驗教訓。

1.??? 鋼結構的概念

鋼結構顧名思義就是以鋼材作為結構搭建的主要原材料，通過鋼梁、鋼板、鋼柱等不同的鋼制組件，采用焊接、鉚接等連接手段進行拼接組裝，進行大型建筑物搭建的建筑結構類型。鋼結構以各類鋼材作為主要材料，與普通混凝土等建筑材料不同，鋼材具有重量輕，韌性強等特點，能夠承受更大的力，因此在大中型建筑物設計中經常采用鋼結構設計。鋼結構構造穩定，不易變形，能夠為建筑物提供良好的安全穩定性。但是，在某些特殊情況下也有可能出現鋼結構失穩的情況，常見的有以下兩種情況：一種是過大的壓力直接作用在受力平衡點上，造成結構整體受力不均導致失穩。[2]另一種是鋼結構構件由于長期使用，導致內部結構發生金屬疲勞等問題，內部結構失去支撐作用，導致整體結構失穩。在進行鋼結構設計之前，有必要明確這種結構的穩定性特點，才能在設計過程中有的放矢，避免結構弱點，發揮鋼結構的優勢，使得建筑物中的鋼結構發揮更好的作用。

2.??? 鋼結構提高設計穩定性的原則

鋼結構的穩定性是進行鋼結構設計過程中最重要的因素，在長期的工程實踐和理論研究中，工程技術人員總結出了三條提高鋼結構穩定性的設計原則。

2.1? 穩定性原則

鋼結構設計的穩定性原則要求在進行鋼結構設計繪制平面圖樣的階段，要根據不同筑建物的相應要求進行鋼結構平面設計圖繪制，重點關注確保鋼結構平面設計圖中的支撐部位，確保支撐部位平面上的穩定性。鋼結構平面上的穩定性，是整個鋼結構整體穩定性的核心和基礎，只有確保鋼結構組成構件在平面上保持穩定，才能在進行之后的立體搭建過程時，避免出現個別位置失穩的狀況。

2.2? 統一性原則

精密的計算是進行鋼結構設計的前提和基礎，在設計鋼構框架時，應當依據具體框架與框架的平衡關系確定計算方法和預期參數值，這一步驟是整個鋼結構設計受力計算的關鍵環節。但是在實踐中，很多設計者會過分依賴個人經驗，根據自己的經驗直接進行鋼結構框架的穩定計算而忽略平衡計算步驟，這種操作方法缺乏科學全面的計算數據，容易造成穩定關系計算錯誤，進而造成鋼結構設計達不到建筑物結構強度要求，從而造成安全隱患。因此，平衡計算和穩定計算需要同時進行，二者缺一不可，并且應當達到統一。

2.3? 配合性原則

整個鋼結構是由多個單一鋼結構組件通過焊接、鉚接、螺絲固定等連接手段組合在一起，最終形成一個大型建筑結構。[3]因此，在鋼結構設計過程中，必須考慮到各個結構部件的配合問題，不管是大部件還是小部件都需要相互配合，最終才能完美地組合成一個堅固的鋼結構整體。在鋼結構設計中，不能只考慮單一鋼結構組件的穩定性，必須綜合考慮所有組件的情況，進行精密的組合計算。各個組件只有進行完美的配合，才能實現整個結構的高度穩定，最大限度的發揮各個零部件的作用，保證結構的整體強度。

3.??? 鋼結構穩定性設計的關鍵要點

3.1? 受力設計

鋼結構的一個最重要的指標就是其受力水平，在進行設計時，鋼結構的承重負載能力為首先考慮的問題。鋼結構一般采用T字形或者是L字形設計，這是從結構的穩定性考慮，采用這兩種形狀可以很好地分散建筑的整體重量，達到平衡支撐的目的。在建筑工程實踐中，鋼結構是建筑物外圍的一種常用結構，對建筑物起到受力支撐作用。在建筑物整體設計中，鋼結構的使用盡量遵循對稱原則，其目的是讓每個鋼結構均勻地承受整個建筑物的作用力，防止個別鋼結構承受壓力過大或過小。[4]除此之外，對鋼結構不同部位的受力及穩定性要求也不同。例如，對于鋼結構中不動支座的要求是防止位移，因此對于這部分的支撐能力要求較高，但是對于鋼梁架，除了要起到縱向支撐作用，還需要考慮在水平位置防止其發生扭轉。鋼結構不同部位的受力特點要在設計中體現出來，避免因考慮不足而出現失穩狀況。最后，鋼結構的具體施工操作也非常重要，現場施工人員必須按照設計圖來嚴格執行，盡量減少施工誤差，加強部門間相互配合，嚴格依據標準進行施工，加強細節管理。

3.2? 防腐設計

建筑物在不同的環境下使用會經歷不同的自然條件侵蝕，在諸如潮濕、鹽霧等特殊的使用環境下，由于金屬固有的特性，容易被腐蝕，影響其穩定性。通常情況下，金屬材料容易受到電化學腐蝕和化學腐蝕兩種不良影響。現代材料科學針對建筑用金屬的使用環境，已經開發出了針對不同環境條件的防腐蝕涂料。[5]在較潮濕的環境中，在鋼結構表面涂抹抗腐蝕涂料，可以隔絕水和空氣這兩個大產生金屬腐蝕的因素，防止鋼結構受到腐蝕。對于在高鹽度環境下使用的鋼結構，容易與海水中的鈉離子產生電化學腐蝕，根據電化學反應原理，將金屬材料成為生成物的一方，通過這種方法可以很好地解決鋼結構腐蝕問題，從而保障鋼結構本身的強度，實現結構的穩定性。

3.3? 穩定性相關設計

在鋼結構設計施工的過程中，除了要完成穩定性計算，還需要加強對整個鋼結構檢測工作，嚴格的檢測是確保鋼結構材料合格并達到設計要求的關鍵環節。臨界壓力計算方法是預測鋼結構在實際使用過程中承受壓力值的常用方法，經常用于鋼結構檢測。[6]當鋼結構承受壓力的測量結果超過臨界值時，證明其穩定性已經遭到破壞，需要及時調整鋼結構受力設計，避免出現失穩狀況。重視鋼結構內部各個零件的受力分析，優化零部件受力細節，避免出現受力不均勻的問題，影響整體的結構安全。

4.??? 結束語

鋼結構的穩定性對于建筑整體的安全和使用壽命具有決定性的影響，設計人員在進行鋼結構設計的過程中要進行精密計算，綜合考慮零部件之間的受力關系，做好鋼材防腐處理，最大限度地避免鋼結構的短板，發揮鋼結構的優勢，從而推動建筑設計的不斷進步。

參考文獻：

[1]?? 王益民.建筑工程中鋼結構設計的穩定性與設計要點探究[J].建材與裝飾，2019（35）：102～103.

[2]?? 樊哲琳.建筑工程項目中鋼結構設計中穩定性分析[J].江西建材，2019（11）：50～51.

[3]?? 王海驕，王海燕.鋼結構設計在房屋設計中的重要性與策略探討[J].工程建設與設計，2019（22）：22～23.

[4]?? 柴經緯.建筑結構設計中鋼結構設計的重要作用分析[J].建筑技術開發，2019（21）：15～16.

[5]?? 楊曦，徐金銘.鋼結構設計及施工圖問題解析[J].中國新技術新產品，2019（21）：76～77.

[6]?? 楊友.鋼結構在建筑結構設計中存在的問題及其應對措施[J].工程技術研究，2019（21）：188～189.