建筑工程中鋼結構設計的穩定性與設計要點探究

張輝

【摘要】圍繞建筑工程鋼結構穩定性設計，總結影響穩定性的因素、原則和方法，從結構荷載、防火性能、抗腐蝕性能、節點構件四個方面分析優化穩定性建議，提高鋼結構整體質量，為旨在為今后建筑工程鋼結構的應用積累經驗。

【關鍵詞】 建筑工程;鋼結構設計;穩定性;極限點

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.19.052

現階段鋼結構設計作為行業領域最為常見的一種形式，務必要在設計中加強結構穩定性。結合建筑工程設計實踐，鋼結構不僅操作簡單，具有良好的抗震性和回收率，工期也比較短，但設計環節若不能準確聯系實際，明確結構設計要點，便會影響到整體穩定性，限制鋼結構優勢的發揮。基于此，關于建筑工程中鋼結構設計穩定性的提升，應該要結合實際情況制定結構設計方案。

1、工程概況

某汽車企業一期項目總占地面積為25661m2，包括主廠房車間、辦公樓、公共站房、門衛室、材料儲存倉庫等，具體情況如表1。

2、鋼結構穩定性分析

2.1影響因素

影響鋼結構穩定性的因素，結合案例工程分析總結為3點：（1）分支點。建筑工程荷載持續性增加，破壞了鋼結構平衡性，致使結構穩定性出現變化，即結構平衡狀態離臨界點[1]。導致分支點失穩根本原因是結構設計問題，對于直桿軸心和平板受壓面進行優化設計存在問題，致使局部失穩;（2）極限點。本次廠房預期工程項目選擇偏心受壓件材料是以鋼材為主，極值點到達一定數值便會產生失穩問題。項目建設過程中偏心受壓現象十分常見，尤其是異形承載、非對稱結構設計這兩個環節，附屬物質量大會導致設計內容實際情況存在偏差，從而導致失穩;（3）躍越失穩。如果出現喪失平穩這一問題，穩定狀態形式也會發生改變。尤其是分支點與極限點失穩發生之后，還會導致結構整體失穩。

2.2穩定性設計原則

（1）穩定性。遵循穩定性原則，需要在鋼結構設計環節確保所有構件設計穩定性，優化結構整體設計成效。本次案例采用平面體系設計方法，前期分析之后可以及時發現問題，確保鋼結構設計和圖紙統一;（2）一致性。遵循一致性原則需要保證穩定性，設計過程中采用的計算方法與計算結構高度一致，通過框架穩定計算這一方法獲得準確的參數值，尤其是中柱計算長度系數，有利于強化最終計算結果精準性;（3）協調性。遵循協調性原則需要充分融合穩定性設計細節、計算兩個流程，確保最終計算結果完全一致，并且符合鋼結構穩定性設計規范。

2.3穩定性設計方法

鋼結構穩定性設計比較常用的方法有動力法、歐拉法。（1）動力法.處于平衡狀態，若鋼結構體系受到外界環境影響，即便影響不是非常明顯，也會導致鋼結構發生震動。應用動力法是以動力學基礎知識為前提展開穩定性分析，一旦鋼結構受到干擾發生位移，便可以以此來明確穩定性臨界荷載值[2]。若施加外力荷載小于鋼結構穩定極限值，便可以確定鋼結構變形位移加速度方、變形方向兩者相反，將位移加速度和變形直接抵消，若撤銷外力此時外力荷載同時消失，并且終止運動;反之，若外力施加荷載大于鋼結構穩定極限值，鋼結構位移加速度、變形方向相同，此時撤銷外力運動不會終止，鋼結構穩定性也會發生變化。通過動力法分析得出大概振動頻率，當振動頻率為0。此時便可以計算鋼結構臨界荷載;（2）歐拉法。利用歐拉法能夠直接得到極限荷載，在鋼結構內有平衡分岔點存在，其中涉及到微小變形結構、原結構。采用歐拉法直接分析微小變形條件下鋼結構受力，通過平衡方程計算得到分岔曲荷載值。盡管歐拉法無法直接判定鋼結構穩定性，然而卻可以基于外力荷載條件下確定鋼結構平衡路徑連接點臨界荷載值。

3、鋼結構穩定性設計關鍵點

3.1優化結構荷載

鋼結構穩定性設計結構對稱性、貫通性非常重要，可以避免設計環節可能出現的扭轉問題，使鋼結構更加連貫且穩固。一般鋼結構設計采用L型、T型，外圍結構需要及時加固，提高抗扭曲變形性能，也有利于加強鋼結構整體質量[3]。與此同時，本次汽車企業廠房設計為了避免穩定性問題，并且提高設計效率，設計人員分別立足于結構中心、剛度、幾何圖形等層面展開綜合分析，明確鋼結構種類，促使結構更加穩定。設計扭轉設計環節，設計人員考慮了水平承載力，總結鋼結構強度、綜合性能的影響因素，在制定設計方案時一一提出完善對策。

3.2優化防火性能

本次廠房一期項目的設計階段，根據防火設計規范，耐火材料與防火涂料選擇，要求重點關注厚度、粘結性，不僅要保證實際厚度，粘結性還要超過0.05MPa，外包防火材料主要選擇硬質防火性板材。與此同時，選擇鋼材時工作人員重點檢查了鋼材耐火性，避免發生火災直接影響到材料的耐用性與性能。

3.3加強抗腐蝕性能

為了加強鋼結構穩定性，抗腐蝕性能也是設計階段必須要關注的問題之一。一旦鋼結構被腐蝕，會直接影響到結構強度、耐久性、安全性等。設計階段主要從電化學腐蝕、化學腐蝕這兩個方面進行，按照廠房車間環境、鋼結構設計規定制定防腐設計方案，以免腐蝕會影響到鋼材結構后期。

3.4優化節點與構件設計

鋼結構構造穩定性設計必須要重視連接承載力，如果連接損壞很有可能會導致鋼結構質量問題。對于節點和構件的設計，首先要立足于梁端進行優化設計，遵循“強節點弱構件”這一原則調節內力。其次選擇切實可行的技術工藝優化結構構造，例如光束端部釋放，通過框架構件，如果發生塑性構造破損變形可以直接發現問題。

結語：

綜上所述，鋼結構是建筑工程領域比較常用的形式之一，憑借該結構形式的優勢得到從業者青睞。為了保證鋼結構穩定性，設計階段必須綜合考慮多方因素完善設計方案，從鋼結構性能、材料、工藝技術等方面著手，切實提升鋼結構質量。

參考文獻：

[1]張吉紅.施工結構設計與地基加固技術在建筑工程中的運用[J].中外建筑，2020（12）：188-190.

[2]古丹丹.建筑工程中結構設計對工程造價的影響[J].住宅與房地產，2020（21）：26.

[3]李岳梅.建筑結構設計中鋼結構設計的重要作用分析[J].城市建設理論研究（電子版），2020（15）：48.