建筑工程中鋼結構設計的穩定性與設計要點

趙晨光

摘 要：鋼結構作為建筑工程中重要的結構類型，因其突出的優勢在建筑工程中得到廣泛應用。在鋼結構設計中穩定性是最關鍵的內容，就建筑工程中的鋼結構穩定性設計進行概述，分析穩定性設計的特點和原則，并進一步探討鋼結構設計要點和提升穩定性的有效措施，以期為相關工程設計人員及研究人員提供有價值的參考。

關鍵詞：建筑工程;鋼結構設計;穩定性;設計要點

中圖分類號：TU391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2022）09-0043-03

0引言

隨著現代工業水平地不斷提高，鋼材性能得到進一步提升，促進了現代鋼結構在建筑工程中的廣泛應用。近年來，確保鋼結構穩定性符合建筑工程要求這一課題已經受到了越來越多工程設計人員及研究人員的重視。在具體的工程設計中，鋼結構設計應結合建筑工程的實際情況，進行綜合分析，以保證整體結構之間的應力平衡，提高穩定性。

1 鋼結構穩定性設計概述

在當前的建筑工程領域中，鋼結構具有可塑性、韌性較強的優勢，當建筑處于負載或超載狀態下，依托于鋼結構能保證對作用力的合理分配，可以有效控制整個建筑的應力變化，避免建筑整體結構出現裂開、斷開等情況。建筑鋼結構的優勢還體現在材料和質地上，鋼結構整體分布均勻一致，符合建筑工程的力學設計，鋼材料與內部各項材料的同性契合度更高，材料整體的波動范圍較小，有理想化的彈性，且不容易受到外界施工環境的影響。在完成生產加工后，就可以直接運送到建筑施工現場，保證了施工的順利開展，且不會對施工現場及周邊造成環境污染，符合當前文明施工和環境友好的相關需求。

相比于混凝土結構，鋼結構在提供安全穩定支撐的前提下，還能有效控制建筑工程的成本投入，尤其是在高層建筑的設計施工中，鋼結構的整體成本消耗水平更低，且其質量比鋼筋混凝土輕，能夠減少在運輸和存儲上的成本，施工的便捷性保證了施工人力資源和時間成本能夠得到有效控制[1]。

對于建筑工程來說，鋼結構的穩定性所指的不僅是鋼材受建筑重力影響下所保持的穩定狀態，還包括在復雜外力作用下保持穩定的一種特殊性能。建筑的穩定性決定了整體的安全性能，具有良好穩定性的鋼結構不但可以使建筑處于平衡狀態，而且能夠承受住外力對建筑施加的壓力，保證在地震、火災等外界應力條件下建筑仍保持可靠。當鋼結構的穩定性不足時，在外界外力影響超過內部應力和鋼材屈服應力的情況下，就會出現鋼結構變形和損壞的現象，導致鋼結構整體處于失穩的狀態，為建筑埋下嚴重的安全隱患問題。

通過對鋼板、鋼材進行熱軋和焊接，可以使其成為建筑工程所需要的鋼結構類型，當前，我國房屋建筑工程主要的鋼結構形式包括輕型鋼結構和重型鋼結構，其中輕型鋼結構的自重較小，重型鋼結構雖然自重較大，但相比于傳統的混凝土結構，其在強度和剛度等許多方面有更突出的優勢，能夠滿足大跨度和超高層建筑的工程需要。

在鋼結構的施工建設中，設計質量對整個建筑工程項目的質量水平起到決定性作用。鋼結構的設計和后續的制造、施工等環節有著極為緊密的聯系，是保證鋼結構穩定性的重要前提和充分必要條件。因此，只有從保證鋼結構的設計質量入手，才能為后續的鋼結構制造和建筑施工開展提供有力支撐和可靠保障。

對于鋼結構設計人員來說，不僅要具備過硬的專業知識和技術，更要有豐富、充足的工作經驗，結合建筑工程實際需求，進一步分析材料、剪力條件，通過不斷提高鋼結構設計的規范性，提高構建質量，加強結構處理，才能最大程度地保證設計的質量水平，保證各結構之間的應力平衡，避免出現變形、倒塌以及結構失穩等問題，提高建筑工程的建設水平。

2 建筑工程鋼結構穩定性設計的特點和原則

2.1 鋼結構穩定性設計特點

鋼結構的穩定性設計具有多樣性的特點。在建筑工程的實際運用中，鋼結構組成受壓部位較多，因此，在結構設計中應考慮多種因素。尤其是鋼結構容易發生變形的個別部分，所以要提高鋼結構設計的靈活性和多樣性。

鋼結構的穩定性設計還具有關聯性的特點。應用在建筑工程中的鋼結構整體由多個構件組成，一旦其中一個構件發生變形或斷裂問題，整個鋼結構的穩定性也會受到影響。當一個構建出現失穩情況時，相關的構建也會出現失穩情況，并相互影響。由于鋼結構整體和構件的關聯性，穩定性設計的難度和復雜性大幅增加。

2.2 鋼結構穩定性設計原則

第一，強柱弱梁原則。在鋼結構的設計過程中需要考慮到兩種情況，一方面是鋼結構具有良好的質量水平和實效性，在水平承載力過大的狀態下，梁上出現塑性鉸;另一方面，是鋼結構的質量水平較差，塑性鉸出現在柱子上。為了確保梁承載力大于柱承載力，在鋼結構穩定性設計時，應貫徹強柱弱梁的原則，通過落實這一原則強化鋼結構的抗壓性能，保證鋼結構的荷載性能，使其即使在外力的影響依然能保持穩定平衡狀態。基于強柱弱梁原則，相關設計人員應充分深入分析鋼結構的承載力，同時提高計算的精準度，以確保塑性鉸能夠出現在梁上。相應地，在選擇承載力計算方法時，還要保證計算方法與鋼結構設計方法的一致性，通過保證系數的準確性，提高鋼結構的安全性，加強穩定支撐。

第二，剪力調整原則。當前，我國建筑的功能性、觀賞性正處于不斷提高的階段，為了更好地滿足多元化需求，斜柱在建筑工程中的應用越來越頻繁。然而斜柱的應用雖然提高建筑物的美觀度，但在其應用的過程中會使構件存在一定的傾斜度，針對不對稱的建筑形態設計，其結構的穩定性需要對應的剪力來支撐。現階段，許多建筑工程設計人員在鋼結構穩定性設計過程中，會直接將斜桿來作為斜柱，這一措施雖然不會影響鋼結構的設計，但如果剪力有所調整，就很容易出現結構失穩情況。另外，一些設計人員還會忽略斜柱在垂直方向的荷載，導致出現剪力，不利于保證鋼結構設計的穩定性。因此，設計人員應堅持剪力調整原則，結合建筑工程的設計建設要求和實際施工情況，做好鋼結構的剪力設計與調整，保證剪力的靈活性，確保鋼結構的穩定性[2]。

第三，結構穩定原則。正如上文所述，相比于其他建筑結構，鋼結構在延展性、抗震性和抗壓性等性能上有一定優勢，其所承受的荷載能力也更突出。鋼結構的大部分部件都會經過工廠預加工，為了保證建筑結構的穩定性，相關設計人員還應結合設計工藝，在方案設計前仔細檢查構件的質量問題。考慮到大部分鋼結構設計以平面為主要方向，為了保證平面結構的穩定性，設計人員要確保結構垂直方向的荷載力滿足要求，通過掌握工程的建設要求和實際資料，進一步確定荷載系數，以此來提高整體建筑結構的穩定性，提高設計的科學性和穩定性，有效降低失穩率和事故發生概率。

3 鋼結構設計要點

3.1 受力設計

在形成鋼結構受力設計方案的過程中，相關設計人員先要考慮鋼結構的荷載性能，考慮到現階段鋼結構受力設計形式一般為“T”型和“L”型，為了更好地提高鋼結構的受力水平，減少鋼結構自身的重量影響，保證鋼結構的平衡性，應選擇對稱的結構設計方式，避免破壞不同位置的受力平衡。相應地，在受力設計中還要做好鋼結構的受力分析，通過靜力分析和動力分析，來進一步調整穩定性設計方案，結合鋼結構不同位置和部件受力特點，提高受力設計的合理性。

3.2 抗震設計

在建筑的鋼結構設計中應充分考慮到建筑的抗震等級要求，尤其在地殼活動帶地區，要重點加強鋼結構的穩定性。在設計過程中，應保證房屋建筑梁板、屋架和屋面板的連接程度符合抗震要求，保證結構主體和梁柱的固定方式，能夠強化抗震效果。相關設計人員還要從鋼結構構件的質量和支撐方式提升與優化入手，通過認真考慮關聯因素，提升鋼結構的抗震效果，尤其是合理利用鋼結構中的小部件和小配件，例如鉚釘，從細節設計中提升穩定性和抗震效果。

3.3 防腐設計

組成鋼結構的構件材料具有一定特殊性，相關設計人員在鋼結構穩定性的設計中應重視其防腐設計。當前，能夠使鋼結構被腐蝕的類型可以分為電化學腐蝕和化學腐蝕，這兩種腐蝕都會破壞鋼結構的穩定性。在設計過程中，應使用防銹涂料和漆料，降低鋼結構發生腐蝕的概率，同時控制被腐蝕的速度和程度。相應地，針對鋼材料在設計施工管理中還應做好定期的檢查和維管工作，第一時間發現其存在的腐蝕問題，并采取對應的措施，通過永久性涂裝提高防護效果。

考慮到鋼材自身的質量也會影響防腐設計效果，相關設計人員還應做好防腐性能的調查，結合建筑施工現場實際環境和地區的氣候情況，綜合考慮提高防腐設計的實用性和適用性。相關施工管理人員也要做好進場鋼材的質檢和存儲工作，避免因儲存不當而造成的腐蝕情況，提高建筑工程鋼材料的穩定性。

3.4 防火設計

對于房屋建筑工程中的鋼結構來說，其本身并不具備足夠的耐火性能，在火災情況下，建筑外層溫度一旦臨界430℃，鋼結構的負載能力就會急劇下降，整體的穩定性和安全性也會隨之降低，因此，在建筑鋼結構穩定性設計中，要加強防火設計的科學性和合理性。

在防火設計中，設計人員應根據建筑工程的防火等級要求選擇防火材料，針對鋼結構應選擇硬質材料，通過在鋼結構節點上應用防火材料，來提高節點的防火設計，強化鋼結構的防火效果。在鋼材的選擇中，設計人員要深入了解材料市場，做好材料的質檢工作，確保其滿足防火要求。考慮到鋼結構吊頂位置容易起火，還要處理好壓型板材，并結合結構防腐設計優化防火設計，提升鋼結構抵御高溫火災的能力。除了結構材料，在建筑工程中所應用的輔助性保護材料也應具備一定的防火性能，例如可以應用黏性較高、厚涂層材料，發揮這類材料的保護作用，提升鋼結構的阻燃性能，保證鋼結構的穩定性。

相應地，在設計中還要考慮到阻燃和除銹的效果，保證鋼結構滿足建筑工程的防火性能要求，盡可能地避免因防火性能不佳而導致的鋼結構穩定性不足的問題，提高整體結構的安全性，為火災發生期間建筑內部人員的疏散、逃生及救援爭取時間。

3.5 加固設計

加固設計是穩定性設計中最關鍵內容，一方面要從鋼結構構件截面的加固設計入手，截面位置的加固設計使桿件具有多個受力點，便于將荷載作用力分散，可以避免集中荷載對整體結構的變形影響，以此來改善鋼結構頂端的支撐情況，通過撐桿結構發揮連接適當調整功能，滿足截面的內力分布條件。另一方面，優化銜接位置的加固設計，通過準確分析鋼結構施工要求、條件等受力情況，并以此為依據，以螺栓、焊接、鉚釘等方式對銜接位置進行加固處理，使整體穩定性得到保證。

4 提高建筑鋼結構設計穩定性的有效措施

4.1 合理使用復合材料

考慮到鋼結構材料自身存在抗腐蝕性能和耐熱能力較差的客觀情況，為了防止因材料腐蝕和受熱而出現的失穩狀況，除了在設計上的相關措施，還應從加工和制作等環節入手，通過采用不同質量的復合材料，來調整和優化鋼材的強度與硬度。在實際設計中合理引入復合材料來加固鋼材表面，或采取纖維增強材料對鋼結構材料進行處理，提高加固設計效果，延長建筑物內部鋼結構的使用壽命，保證應用效果。

4.2 提高鋼結構形式和布置的科學性

一般情況下，建筑工程鋼結構的主要類型可分為輕鋼、網架、塔桅及框架等，不同的鋼結構類型有著不同的特征，相關設計人員在鋼結構穩定性設計中，應綜合且充分考慮到不同鋼結構形式的優勢和特點，根據工程需要選擇合適的鋼結構類型。例如，在工業廠房建筑的設計中，對荷載和懸掛荷載有較高要求，應選擇網架的鋼結構形式;而針對屋面跨度較大的建筑，則應選擇以構件受拉為主的懸索結構。

4.3 做好鋼結構選型與受力分析

鋼結構的合理選型是提高整體穩定性的有力保障，設計人員應提高對鋼結構選型的重視度。考慮到抗震需要和受力分析情況，應堅持簡單、規整、對稱的選型原則，避免鋼結構產生扭轉效應，提高建筑物的安全性和可靠性。相應地，還要尤其避免細腰型和腳步重疊結構，嚴禁將垂直方向結構設置為內凸或外凹型，保證鋼結構豎向布置的穩定性。此外，還要重點做好建筑物底部的鋼結構選型，以“U”字型、“L”字型、“T”字型結構為主，弱化外界環境應力作用對鋼結構的不利影響，提高鋼結構的穩定性，保證建筑工程施工開展的安全性。

4.4 優化細節設計

細節設計的合理性影響著鋼結構的整體穩定性水平，在鋼結構設計前，相關設計人員應重點分析影響鋼結構形變的因素，確定節點連接方式。在鋼結構的細節設計中應做好連接位置和荷載力的檢查，通過仔細分析相關工程數據和工程系數，提高連接點位的安全性，保證相關處理符合建筑工程施工要求，提高建筑的穩定性。

5 結語

綜上所述，在建筑工程中鋼結構穩定性設計決定了建筑成果的安全性與耐久性，關系到用戶的人身安全和應用體驗。考慮到鋼結構穩定性設計的重要性，相關設計人員應結合建筑工程的實際情況，加強對鋼結構的全面深度分析，保證相關計算方法與工程設計方案的一致性，通過受力和抗震分析，提高鋼結構的穩定性和可靠性。在提高鋼結構設計規范性和質量水平的同時，更好地發揮鋼結構的突出優勢，提升建筑工程設計水平，為建筑工程行業的高質量發展轉型提供持續動力，促進可持續發展。

參考文獻

[1] 吳寧.鋼結構住宅建筑設計探討[J].安徽建筑，2021，28（8）：104-105.

[2] 游維鋒.建筑工程中鋼結構設計及安全施工對策分析[J].江西建材，2021（7）：102-103.