建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定性與設(shè)計要點探究

張輝

【摘要】圍繞建筑工程鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計，總結(jié)影響穩(wěn)定性的因素、原則和方法，從結(jié)構(gòu)荷載、防火性能、抗腐蝕性能、節(jié)點構(gòu)件四個方面分析優(yōu)化穩(wěn)定性建議，提高鋼結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量，為旨在為今后建筑工程鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用積累經(jīng)驗。

【關(guān)鍵詞】 建筑工程;鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計;穩(wěn)定性;極限點

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

現(xiàn)階段鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計作為行業(yè)領(lǐng)域最為常見的一種形式，務(wù)必要在設(shè)計中加強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。結(jié)合建筑工程設(shè)計實踐，鋼結(jié)構(gòu)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(shè)計環(huán)節(jié)若不能準確聯(lián)系實際，明確結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，便會影響到整體穩(wěn)定性，限制鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的發(fā)揮。基于此，關(guān)于建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計穩(wěn)定性的提升，應(yīng)該要結(jié)合實際情況制定結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

1、工程概況

某汽車企業(yè)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(wèi)室、材料儲存?zhèn)}庫等，具體情況如表1。

2、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

2.1影響因素

影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素，結(jié)合案例工程分析總結(jié)為3點：（1）分支點。建筑工程荷載持續(xù)性增加，破壞了鋼結(jié)構(gòu)平衡性，致使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性出現(xiàn)變化，即結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)離臨界點[1]。導(dǎo)致分支點失穩(wěn)根本原因是結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，對于直桿軸心和平板受壓面進行優(yōu)化設(shè)計存在問題，致使局部失穩(wěn);（2）極限點。本次廠房預(yù)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(shù)值便會產(chǎn)生失穩(wěn)問題。項目建設(shè)過程中偏心受壓現(xiàn)象十分常見，尤其是異形承載、非對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計這兩個環(huán)節(jié)，附屬物質(zhì)量大會導(dǎo)致設(shè)計內(nèi)容實際情況存在偏差，從而導(dǎo)致失穩(wěn);（3）躍越失穩(wěn)。如果出現(xiàn)喪失平穩(wěn)這一問題，穩(wěn)定狀態(tài)形式也會發(fā)生改變。尤其是分支點與極限點失穩(wěn)發(fā)生之后，還會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。

2.2穩(wěn)定性設(shè)計原則

（1）穩(wěn)定性。遵循穩(wěn)定性原則，需要在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)確保所有構(gòu)件設(shè)計穩(wěn)定性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)整體設(shè)計成效。本次案例采用平面體系設(shè)計方法，前期分析之后可以及時發(fā)現(xiàn)問題，確保鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和圖紙統(tǒng)一;（2）一致性。遵循一致性原則需要保證穩(wěn)定性，設(shè)計過程中采用的計算方法與計算結(jié)構(gòu)高度一致，通過框架穩(wěn)定計算這一方法獲得準確的參數(shù)值，尤其是中柱計算長度系數(shù)，有利于強化最終計算結(jié)果精準性;（3）協(xié)調(diào)性。遵循協(xié)調(diào)性原則需要充分融合穩(wěn)定性設(shè)計細節(jié)、計算兩個流程，確保最終計算結(jié)果完全一致，并且符合鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計規(guī)范。

2.3穩(wěn)定性設(shè)計方法

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)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(tài)，若鋼結(jié)構(gòu)體系受到外界環(huán)境影響，即便影響不是非常明顯，也會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生震動。應(yīng)用動力法是以動力學(xué)基礎(chǔ)知識為前提展開穩(wěn)定性分析，一旦鋼結(jié)構(gòu)受到干擾發(fā)生位移，便可以以此來明確穩(wěn)定性臨界荷載值[2]。若施加外力荷載小于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極限值，便可以確定鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定極限值，鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也會發(fā)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)內(nèi)有平衡分岔點存在，其中涉及到微小變形結(jié)構(gòu)、原結(jié)構(gòu)。采用歐拉法直接分析微小變形條件下鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，然而卻可以基于外力荷載條件下確定鋼結(jié)構(gòu)平衡路徑連接點臨界荷載值。

3、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計關(guān)鍵點

3.1優(yōu)化結(jié)構(gòu)荷載

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計結(jié)構(gòu)對稱性、貫通性非常重要，可以避免設(shè)計環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)問題，使鋼結(jié)構(gòu)更加連貫且穩(wěn)固。一般鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計采用L型、T型，外圍結(jié)構(gòu)需要及時加固，提高抗扭曲變形性能，也有利于加強鋼結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量[3]。與此同時，本次汽車企業(yè)廠房設(shè)計為了避免穩(wěn)定性問題，并且提高設(shè)計效率，設(shè)計人員分別立足于結(jié)構(gòu)中心、剛度、幾何圖形等層面展開綜合分析，明確鋼結(jié)構(gòu)種類，促使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。設(shè)計扭轉(zhuǎn)設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計人員考慮了水平承載力，總結(jié)鋼結(jié)構(gòu)強度、綜合性能的影響因素，在制定設(shè)計方案時一一提出完善對策。

3.2優(yōu)化防火性能

本次廠房一期項目的設(shè)計階段，根據(jù)防火設(shè)計規(guī)范，耐火材料與防火涂料選擇，要求重點關(guān)注厚度、粘結(jié)性，不僅要保證實際厚度，粘結(jié)性還要超過0.05MPa，外包防火材料主要選擇硬質(zhì)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(fā)生火災(zāi)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，抗腐蝕性能也是設(shè)計階段必須要關(guān)注的問題之一。一旦鋼結(jié)構(gòu)被腐蝕，會直接影響到結(jié)構(gòu)強度、耐久性、安全性等。設(shè)計階段主要從電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕這兩個方面進行，按照廠房車間環(huán)境、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定制定防腐設(shè)計方案，以免腐蝕會影響到鋼材結(jié)構(gòu)后期。

3.4優(yōu)化節(jié)點與構(gòu)件設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造穩(wěn)定性設(shè)計必須要重視連接承載力，如果連接損壞很有可能會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量問題。對于節(jié)點和構(gòu)件的設(shè)計，首先要立足于梁端進行優(yōu)化設(shè)計，遵循“強節(jié)點弱構(gòu)件”這一原則調(diào)節(jié)內(nèi)力。其次選擇切實可行的技術(shù)工藝優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造，例如光束端部釋放，通過框架構(gòu)件，如果發(fā)生塑性構(gòu)造破損變形可以直接發(fā)現(xiàn)問題。

結(jié)語：

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)是建筑工程領(lǐng)域比較常用的形式之一，憑借該結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)勢得到從業(yè)者青睞。為了保證鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，設(shè)計階段必須綜合考慮多方因素完善設(shè)計方案，從鋼結(jié)構(gòu)性能、材料、工藝技術(shù)等方面著手，切實提升鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

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