提高鋼結構設計穩定性的措施探討

劉志強

摘 要：隨著建筑行業發展，越來越多的鋼結構建筑開始出現并大量使用。雖然鋼結構建筑在成本以及施工效率方面有著更好的優勢，但同時對于設計的要求也越來越高。設計不合理極有可能導致整個建筑結構的崩塌，造成各種安全問題。故而圍繞鋼結構設計穩定性展開分析，首先探討了鋼結構穩定性的主要分析機理，之后對鋼結構失穩具體原因進行分析，最后給出可靠的提升鋼結構設計穩定性的策略，以期對同行業者有所幫助。

關鍵詞：鋼結構;設計;穩定性

中圖分類號：TU391文獻標識碼：A文章編號：2096-6903（2022）08-0111-03

0 引言

隨著科技的發展，越來越多的建筑開始嘗試使用鋼結構形式[1]。和傳統的建筑形式對比，鋼結構建筑無論在成本管控、施工便利，以及資源節約等方面均有著突出優勢。但同時也應當意識到，鋼結構建筑設計現階段依然存在著一定的問題，包括較低的設計質量、不夠合理的設計方案、設計人員綜合素質水平偏低等，如若不徹底解決，勢必會導致整個建筑的結構穩定性下降，更嚴重的會導致人員傷亡等問題出現。故而，就提高鋼結構設計穩定性展開探究有著一定的現實意義[2]。

1 鋼結構穩定性分析機制

業內主要將鋼結構于外力影響下是不是可以立即恢復至建筑最開始的平衡形態稱作鋼結構的穩定性。外力作用下，建筑鋼結構可能會因為結構穩定性降低，從原本的平衡狀態轉為新的平衡狀態。在這一轉換過程中，整個建筑的結構或許因此出現損壞，建筑耐用性大打折扣。一般而言，建筑鋼結構在外力作用下和鋼結構失穩受力情況下，所受力大多數為非線性形式的受力曲線。因此，可以明確現下建筑鋼結構的分析絕大部分構建于幾何非線性分析的前提下的。所以，就建筑鋼結構屈曲和極限予以研究，是甄別建筑鋼結構承載性的重要內容，同時也是建筑鋼結構穩定性研究的重要組成部分[3]。

2 鋼結構穩定性設計原則

2.1 計算策略和結構簡圖一致性

對單層以及多層結構設計期間，無需計算框架的穩定性，但需要分析框架柱穩定指標。在對框架柱穩定性分析期間，涉及計算長度參量，需要確立框架整個的穩定性效果。由此方能夠保證最終的框架穩定分析和柱穩定分析等同。另外，如若分析策略以及結構簡圖不吻合，則務必就應用的計算策略予以優化，基于此確保鋼結構穩定性研究的目的[4]。

2.2 構件和細部結構穩定性

實際在對傳遞彎矩以及不傳遞彎矩連接位置設計時，需要考量其剛度以及柔度指標，在對桁架連接位置進行設計時，則需要盡可能地降低桿件的偏心指標等。這些均為典型的構件的細節位置的設計。而需要對穩定性予以考量時，則對于細節方面結構的設計還有著更多的訴求，例如簡支梁就抗彎強度而言，對于不動鉸支座的訴求是避免移動以及支持在平面中轉動，但是在對整個梁的穩定性予以分析時，支座不單單需要達到上述規定，此外還應當避免梁圍著縱軸轉動，支持梁于水平面內轉動以及梁端截面自主翹曲。由此可見，在穩定性設計期間，組件和細節部位的穩定性分析相對復雜，但同時也十分關鍵。

3 鋼結構失穩分析

3.1 結構設計深度不夠

國內建筑設計有關管理條例已然對建筑設計崗位有了明確的要求。要求設計崗位應當具備扎實的展業基礎以及相關經驗。而實際情況則是國內大部分的設計機構設計方面的實力不夠，設計能力也遠未達到要求，部分設計崗位人員更是在設計期間因為缺少對應的項目設計經驗，只是一味地學習課本內容，未有對有關理論形成系統性的認識以及經驗積累，最終使得建筑鋼結構設計期間深度把控不到位，影響了建筑的穩定性。

3.2 剪力調整不勻稱

傾角較高無疑會對整個的建筑架構剪力提出更高的要求。國內建筑設計人員就建筑鋼結構設計期間，為能夠對設計精簡處置，一般會把垂直結構構件精簡成柱子，把傾斜協助當做斜桿，此類簡化至建筑物整體層面分析，對于該建筑的穩固性方面的影響并不高[5]。而對框架柱剪力予以調整期間，可能會出現較為嚴重的建筑設計問題，主要是因為斜柱在這一期間不單單需要提供水平方向支持，在豎直方向給予對應的支持負荷，忽視了該方面的負荷，可能對整個建筑的剪力分析造成損害。

3.3 墻柱弱梁問題

結合長時間的研究可以得出，相對安全以及科學的鋼結構設計，要求負荷在強震以及建筑組件承擔水平負荷較高的情況下，其建筑鋼結構內的塑性鉸通常出現于梁上而不是出現于建筑鋼結構柱上，此類塑性鉸能夠確保鋼結構一體性，從而避免瞬間損壞問題，大大提高了整個的建筑整體抗壓水平，此外也更能夠確保建筑可以恢復至原始狀態，對建筑形成可靠的保護效果。而實際情況則是，設計時常會會使這一普遍性問題，導致鋼結構于之后的使用期間穩定性缺失，由此，于后期的建筑鋼結構設計方面需要高度關注強柱弱梁設計內容。

此外，造成鋼結構失穩的原因還包含鋼結構設計方面的內容，主要有：①設計人員并未對實際施工環境進行仔細勘測和了解，只是單純憑借以往的設計經驗和工程資料來設計鋼結構，使得鋼結構的性能與實際建筑需求出現一定的偏差，繼而導致鋼結構失穩概率提升。②設計人員專業技能不足，且不具備足夠的責任意識，無法嚴格按照相關標準要求開展鋼結構設計。設計人員對鋼結構失穩的產生原因也并未熟練掌握，對出現失穩的鋼結構往往采取的補救措施與實際所需不符，加劇損壞了建筑結構的穩定性。③在實際工程設計中，鋼結構穩定性的設計工作較為獨立，并未聯合防火、防腐以及抗震等要素進行設計，全面性缺失，一旦建筑抗震性與標準要求不符，則會導致鋼結構出現失穩，在遇到地震時，建筑會瞬間倒塌，嚴重威脅到人員的生命財產安全。

4 鋼結構穩定性設計辦法

4.1 改良穩定性設計

就鋼結構整個來說，兼具標準化還有著不小的差距。此外，中間或許會出現失穩情況，而這勢必會損壞整個的構筑物架構。對此，可以大致了解到穩定性以及強度彼此的聯系并不高，強度以及應力為密切聯系的。對于強度的認識，處在平衡性較高的情況下的單個以及整個組件，如若承擔應力處于某一程度下，它的強度極值即為鋼結構整個的支撐點。另一層面，穩定性問題也需要深入性的研究，和形變的出現有著密切聯系，將鋼結構整個分成兩個部分，處在穩定情況下，內部的抵抗性以及外部的負荷承載性保持平衡。此時，也就沒有內部失穩情況出現，如若外界因素干預，基于自我穩定性，能夠于短期內確定平衡點，這樣也就可以最大可能地降低形變問題，從而保證整個建筑架構的安全可靠。

4.2 調整動力策略

即處在平衡情況下的結構體系，如果給予細微的荷載引發振動，結構形變以及振動加速度均和附加的細微負荷有著聯系。如果負荷低于穩定極限負荷情況下，只是加速度和形變方向不一致，消除干擾，運動也隨即變得靜止。所以，結構平衡狀態為穩定的，如果負荷高于其極限負荷的情況下，加速度以及形變方向一致，該情況下即便移除了干擾，運動也依舊存在，所以結構平衡狀態為非穩定的。故而，臨界情況下的負荷，即結構的屈曲負荷，它的結果基于結構主動頻次為零的條件獲得。

4.3 提高靜力以及動力研究

靜力研究即靜力平衡策略，探討細微形變的鋼結構受力，構建平衡微分函數，結合系統性的分析得到最終的臨界負荷。動力分析策略的主要機理為如若建筑架構系統處在平衡轉臺環境下，任何對于構筑物素給予的細微的影響，建筑鋼結構系統均會隨機出現顫動。在這樣的顫動環境下，建筑鋼結構形變和振動有關的加速度都和建筑鋼結構的負荷之間聯系緊密，如若存在負荷小于結構穩定極限負荷情況，因為加速度同形變的方向不同，所以最后會造成干擾消除，建筑鋼結構從運動轉成靜止，建筑鋼結構再度回到靜止狀態。結合這一機理開展分析以及設計，可以得到精準的臨界載荷，保證鋼結構建筑最終的穩定性。

4.4 梁柱的合理把控

梁柱理論為時下鋼結構穩定性設計的重要內容組成，也是核心內容之一。鋼結構設計期間，應當綜合鋼結構現場的實際情況、工程原料配置以及具體的工程設計方案等有關工作，科學應用梁柱理論研究鋼結構設計期間的細部架構以及構件彼此的穩固、整體架構和構成部分之間的穩定水平，由此實現保證鋼結構設計穩定可靠的效果。

4.5 輕型鋼基礎和柱腳節點控制

基礎方式的選擇應當結合構筑物所處區域的工程地質情況以及構筑物上端結構形式等多個層面進行總結分析。由于柱網規格較大，上端架構船只柱腳內力不大，一般為獨立基礎形式。如果地質環境不理想的，可綜合考慮條形基礎，對于不良地質情況的，可選擇應用樁基礎形式。一般而言，不適用片筏基礎以及箱型基礎。對輕鋼結構基礎除發作沖切以及剪切影響之外，由于有著較高的水平力，有關固接柱腳，還有著一定的彎矩影響，可能導致基礎發作顛覆以及滑移受損。其他方面，當風負荷較高的情況下，輕鋼結構自我重量不大，可能缺少抵御風負荷上拔力作用，繼而導致基礎上拔受損。為規避此類損壞出現，最為合理的方式即增加基礎埋深，輕鋼結構基礎還應當預埋錨栓，以實現上端結構和基礎的可靠連接，如果錨栓間距混凝土基礎邊際過近，會導致發作基礎受損。所以錨栓建立邊緣的距離一般不小于15 cm，如果錨栓長度過小，則可能會使得其從基礎內拔出，導致基礎受損，對此，相關標準也明確了錨栓錨入尺寸要求。

除此以外，對鋼結構進行必要的加固處理也可以有效規避負荷分析，提高組件截面及其連接強度，規避粗在裂隙擴張等情況。通常可采取下述辦法：首先，就受彎組件而言，能夠結合轉變它的截面方式予以加固，促使其負荷分布出現變化，例如把集總的負荷轉化成多核集中負荷形式，轉變端部支撐，把鉸接轉化成剛接形式等等，提高預應力;其次，就桁架而言，可選擇下述辦法提高其內里，實現加固作用。第一類，即擴充預應力桿件;第二種則是把撐桿變桁架轉換為撐桿架構;第三則是提高組件的截面。進一步擴展其截面時，務必分析選定的區域需要予以一定的強化支持，并綜合考量缺陷以及損傷等情況。

5 建筑鋼結構設計意義

對于現代建筑鋼業而言，鋼結構即基于各種鋼板等的可靠焊接、熱軋等工藝，促使鋼板轉換為能夠用于工程施工所需的型鋼原料。建筑鋼結構主要包含兩類形式，即輕鋼結構以及重鋼結構。輕鋼結構自重更低，實際占地面積也更小，大多使用在跨度不大的建筑工程方面。和輕鋼結構對比，重鋼的自重會更高一些。即便重鋼自重明顯高于輕鋼，但對比傳統的混凝土建筑形式，無疑有著更為突出性的優勢，主要被應用于跨度較大的建筑工程之中。

鋼結構設計為現代建筑鋼結構工程的關鍵組成，同時也是重中之重。不單單會對工程項目質量造成影響，此外也會對我國建筑行業未來發展趨勢形成影響。鋼結構設計和鋼結構制造有些密切聯系，因此提高鋼結構設計尤為必要。結合建筑結構設計層面分析，此類設計不單單要求建筑設計人員有著較高的小空間想象能力，此外還應當具備扎實的專業技能基礎。和混凝土結構設計對比，鋼結構建筑更為關注結構設計部分，同時設計難度也更高。設計人員往往需要具備多年的行業經驗，并嚴格參照國家有關設計規范展開設計，綜合建筑項目的客觀施工條件，確定鋼結構設計的核心要點，在保證鋼結構工程總體質量的情況下，盡可能地規避鋼材損耗，切實把控工程項目成本。由此可見，鋼結構依然是未來建筑行業的發展方向之一，鋼結構設計環節更是直接關系到工程的成敗。

6 結語

由于建筑工程設計具備較強的系統性和專業性，且穩定性設計作為鋼結構設計中的核心部分，需嚴格按照相關標準規定，聯合建筑實際情況以及多方面因素，進行準確地分析設計。一旦鋼結構失穩則將造成嚴重的后果。為此，為確保最終鋼結構整個的穩定效果，在設計期間，就應當對具體的設計原則有詳細的把握。對設計期間潛在的各方面問題予以深入性的研究和探討，結合各個潛在問題給出對應的處理辦法，由此方能夠設計得到可靠、完整的鋼結構系統。

參考文獻

[1] 李賢，呂恒林，夏軍武，等.提高鋼結構設計原理課程教學質量的探索與實踐[J].高等建筑教育，2016，25（3）：65-67.

[2] 牛吉.鋼結構設計及施工圖問題探析[J].四川水泥，2018（6）：99.

[3] 宋曄皓.生態建筑設計需要建立整體生態建筑觀[J].建筑學報， 2001（11）：16-19.

[4] 柴昶，文雙玲，張圣華.建筑鋼結構設計的相關技術標準[J].鋼結構，2006（2）：73-76.

[5] 陳春朝.移動機器人控制在建筑鋼結構設計中的應用[J].建筑科學，2021，37（9）：179.