建筑工程中鋼結構設計的穩(wěn)定性與設計要點

王 麗

山西恒達鋼結構工程有限公司 山西 太原 030000

從目前的發(fā)展狀況來判斷，目前的建設正處在一個良性的發(fā)展時期，隨著建設的規(guī)模和數(shù)量的增長，需要更多的穩(wěn)定的結構的設計。由于其施工簡便，工期短，抗震性能好，回收率高，因而越來越多地被采用。然而，在鋼結構的設計中，一些設計者未能全面地顧及到現(xiàn)場的實際，未能對其進行合理的控制，從而保證其整體的穩(wěn)定和其自身的作用。為此，應對鋼結構的特點和設計原理進行合理的界定，并采用合理、合理的方法來提高其整體的安全、穩(wěn)定性能。

1 建筑鋼結構設計穩(wěn)定性介紹

在大部分的建設項目中，鋼結構的形狀和材質(zhì)都是多種多樣的，因此，為了保證鋼結構的穩(wěn)定，必須要從結構的設計上對其進行高品質(zhì)的設計，并對其在使用中的應力進行全面的研究，然后再對其進行全面的分析，最終達到安全的目的。

目前，鋼結構已成為許多建筑工程中最常用的結構形式，工人們在進行鋼結構的設計時，既要考慮到實際的荷載，又要考慮到不同的構件，如何合理地選用不同的構件，以最大限度地減小構件的承載力和產(chǎn)生的可能，從而保證整體的安全。在進行鋼架結構的設計時，要特別注重細節(jié)，確保各構件的受力均衡，從而達到整體的整體穩(wěn)定[1]。

2 鋼結構設計穩(wěn)定性原則分析

2.1 確定結構安全的設計準則

目前，隨著設計信息化技術的飛速發(fā)展，采用計算機技術來監(jiān)測鋼構件的設計穩(wěn)定和應力的分配，在設計過程中需要從多個角度來綜合考慮鋼構件的受力性能。要考慮建筑施工環(huán)境、施工過程中的荷載因子和水平穩(wěn)定要求等因素，進行全面的分析，在實際應用過程中，要對房屋的耐久性進行全面的檢驗，以保證其在實際應用過程中的耐久性，特別是某些較小的構件往往是受力最大的，所以要對其進行合理的設計和提高，以保證整體的使用效率。

2.2 鋼結構的剪力協(xié)同優(yōu)化

隨著建筑結構日趨復雜，建筑結構中出現(xiàn)了不均勻性，并逐步成為一種趨勢，斜柱體的應用也日益頻繁，與豎向結構相比，斜柱比豎向結構的斜拉柱有一個相對的傾角，為確保結構的穩(wěn)定性，需要進行合理的剪力。在設計鋼結構的特定內(nèi)容時，往往出于簡化的考慮，將豎向構件表示成柱，而對斜立柱表示為斜撐，這樣的設計方法不會對房屋的實際穩(wěn)定產(chǎn)生任何的影響，但如果進行調(diào)節(jié)，很可能會被擾亂。于斜柱來說，雖然可以承受橫向的壓力，但在豎直方向上也要承受一定的壓力，如果設計者忽視了豎向的載荷，就會產(chǎn)生剪切誤差，從而對鋼結構的穩(wěn)定產(chǎn)生不利的作用[2]。因此，在設計階段，根據(jù)工程的實際情況，如果有必要進行剪應力設計，就應遵循剪切調(diào)節(jié)的原理，根據(jù)不同的施工條件，靈活地調(diào)節(jié)剪切力，從而保證鋼結構的穩(wěn)定。在實際工程中，剪力是比較復雜的，因此，在進行剪力計算時，必須全面地考慮剪力的影響，并做好相應的應力調(diào)節(jié)。

2.3 強樁弱梁的構造原理

如果鋼制結構的設計是實用的，那么如果它的橫向荷載太大，或要求很大的荷載，那么它就會發(fā)生在梁體上，如果它的設計品質(zhì)不高，它就會發(fā)生在立柱上。根據(jù)強桿-弱梁法的原理，可以有效地加強鋼架的承載力，從而使其在強度作用下迅速回復到原來的水平。當前，在鋼結構的穩(wěn)定問題上，必須對其進行分析和計算，以確保其在梁上的表現(xiàn)。在進行結構計算時，必須考慮到結構與實際結構的協(xié)調(diào)，尤其要重視鋼構件的地震作用，使其與施工的結構符合[3]。

3 建筑工程中鋼結構穩(wěn)定性設計要點

3.1 負載結構設計

在鋼結構的設計中，應注意對稱和上下穿透性，盡量減小扭轉(zhuǎn)等問題，增強鋼梁的連續(xù)性和穩(wěn)定性。在鋼結構的設計中，一般采用 L、 T兩種形式，對周邊構件進行加強，從而提高其抗彎承載力，確保鋼材的質(zhì)量和使用。此外，在結構設計時，應從結構剛度、中心設計和結構設計等多個角度出發(fā)，對結構形式進行優(yōu)化設計，以保證結構的穩(wěn)定。在抗彎矩的設計中，應全面考慮橫向承載力，對其進行深層次的研究，以確保其穩(wěn)定。比如，在剪切梁的彎曲強度設計中，不動鉸鏈支架不僅要在水平方向上進行有效的運動，而且要防止結構發(fā)生偏移，還要保證結構在水平方向上的旋轉(zhuǎn)和橫梁的彎曲，從而提高簡支梁的整體穩(wěn)定，從而實現(xiàn)設計的目的。

3.2 防火設計

鋼鐵建筑的防火性能主要靠選擇合適的耐火材料和涂層來達到。在進行鋼架建筑的消防安全設計時，應先依據(jù)建筑的防火級別和不同的火災類別，對其進行合理的規(guī)劃，并對所需要的材質(zhì)和涂層進行分類，然后再按有關規(guī)定進行選擇。通常選用厚度較厚、粘結強度大于0.05 MPa的材質(zhì)作為主要的耐火涂層，而鋼制建筑外層阻燃的主要是硬阻燃板。在選用的時候，要根據(jù)耐火指標的需要進行適當?shù)奶暨x和噴涂，以達到最好的耐火效果，以防止出現(xiàn)問題。在選擇的鋼鐵時，應注意防火檢驗，減少對建材的破壞，確保施工的安全。另外，天花板的裝飾也是一個值得注意的問題。在鋼結構的耐火設計中，可以根據(jù)不同的方案進行比較，得出最終的方案，從而達到最佳的防火效果[4]。

3.3 防腐設計

鋼建筑的腐蝕方式有兩種，一是化學侵蝕，二是電化學侵蝕，二者都會對鋼材的耐用性和強度造成一定的損害，所以在鋼結構的設計中必須考慮其防腐的合理性。利用防腐涂料可以有效地抑制鋼構件的銹蝕。從建設和經(jīng)濟角度來看，在進行防腐蝕的時候，必須對其進行維修和維修的狀況進行全面的研究，從而合理地決定使用的是半永久還是永久的油漆。在進行鋼鐵防腐蝕工程之前，要做好市場調(diào)研，根據(jù)不同區(qū)域的天氣情況，合理的進行防腐蝕措施，以確保工程質(zhì)量的全面提高。

3.4 穩(wěn)定性設計

在鋼結構的穩(wěn)定分析中，一般采用了臨界壓解法和折減率方法來確定其失穩(wěn)和總剛性。而且，在實際工程中，必須對其進行嚴格的檢驗，以保證其符合設計的穩(wěn)定性能。在計算關鍵點時， F為 Fn時，其彎矩特性接近于零，因此必須對其進行相應的穩(wěn)定性分析。在彈性穩(wěn)定性的計算中，可以采用二次解析法來進行撓度的分析與把握，并利用疊加原則精確地求出其穩(wěn)定度，以增強結構的穩(wěn)定性[5]。

由于建筑物的梁、柱構件的塑性區(qū)域以柱身為主，尤其是下部的柱身最為突出，因此可以通過增大柱身的截面來探討其對整個體系的穩(wěn)定作用。構造模型M1 （剖面大小350X300X10X10mm）、M2 （剖面大小350X250X10X10mm）、M3 （橫斷面大小400X400X10X10mm），并根據(jù)M1的剖面進行了相應的調(diào)節(jié)。從載荷-變形關系曲線的坡度可以看出，增大梁的橫斷面大小可以改善 X、 Y向的橫向移動，同時也能降低同樣的載荷水平下的側傾。M2在最大載荷下 X向最大變形量為91.6 mm, Y向最大變形量為527.7 mm，相對于M1-Y向的位移量減少， X向的位移量沒有明顯的改變。由于M2梁的橫斷面稍大于M1，所以其抗側傾增加的范圍很小，因此，其側傾降低不顯著，但其極限承載值有一定的增加；M3在極限加載下，最大 X向最大變形量為96.9 mm, Y向最大位移622.1mm，較M4增加8%，約158%，而最大值則增加33%。結果表明，增大梁的橫斷面大小可以顯著地改善其極限承載力，并且在最大載荷下其延性更好。

4 建筑工程中鋼結構穩(wěn)定性設計的有效方法

4.1 動力法

在平衡條件下，若受外部擾動的影響，對鋼架系統(tǒng)的影響不大，對其產(chǎn)生的影響也很大。動態(tài)方法就是運用動態(tài)理論來研究鋼框架的穩(wěn)定問題，在一個很小的作用下，鋼架會產(chǎn)生一些變形，但這種變形的范圍很小，而且變化很慢，所以可以根據(jù)這一特點來決定其穩(wěn)定的極限載荷。

4.2 能量法

能量法即鐵木辛柯法,當外部載荷大于某一特定的數(shù)值，且總勢能達到最大時，該鋼架的初始位置是不穩(wěn)定的；當外加載荷大于某一特定的數(shù)值，且該條件下該鋼架的整體勢能不發(fā)生變化，當該應力作用在某一數(shù)值上的時候，該載荷即為該極限載荷。利用位能駐點理論對其進行臨界載荷的解析，得到了該系統(tǒng)的動力平衡方程，并得到了該系統(tǒng)的分叉失穩(wěn)載荷。

5 建筑鋼結構的優(yōu)勢與不足

5.1 鋼結構的材料優(yōu)勢

鋼結構是一種用熱軋鋼板、鋼板或沖壓而成的薄鋼板，與水泥等建材比較，鋼的許多優(yōu)勢在于：首先，鋼的塑性好，強度高，韌性好，適用于高加載及高跨距的結構及構件，而高的延展性、高適應性和高韌度使得鋼材在承受動載荷時不易由于過載而發(fā)生故障，同時鋼材還具備較強的吸能性能和較高的伸縮性，從而賦予鋼材極佳的耐震性能。

5.2 鋼結構在建筑上的應用優(yōu)勢

在工程上，鋼筋所具備的獨特特性是磚混結構和水泥結構所沒有的。第一，鋼材具有優(yōu)良的強度和較好的韌性，因而具有優(yōu)良的內(nèi)部構造，因而具有優(yōu)良的抗震能力，由于其整體的體積較小，因而具有較低的抗震能力，其較佳的延展能力能夠減輕地震影響；第二，鋼筋也能節(jié)約建筑面積，在混凝土澆筑時，管子是穿過橫梁的，因此，其占地面積較大，因此，樓層至頂棚之間的凈距大大縮短；若在梁腹開放的管內(nèi)，采用鋼管行走于同一樓層，其層間效果的凈值也會增加。另外，相對于常規(guī)的建筑，建造大面積的房屋，僅需使用高強度鋼材即可，因此，鋼鐵建筑非常適用于構造較大、跨度較大的房屋。

5.3 鋼結構失穩(wěn)因素

鋼構件的不穩(wěn)定是由三個原因引起的：第一，是分支座的不穩(wěn)定。當負荷增大時，破壞了鋼架的原有平衡，使其處于動態(tài)平衡的臨界點。產(chǎn)生該問題的原因是：由于分支點的結構不夠好，提高了直連桿的軸向和提高了平面的承壓能力，導致了局部的不穩(wěn)定。二是極值不穩(wěn)定；由于偏壓構件是用鋼制成的，因此，在某一程度上，極點會發(fā)生不穩(wěn)定。工程施工中常常出現(xiàn)偏壓問題，尤其是在采用異型承重或不均勻的結構時，由于附加構件的重量過大，往往會導致工程的實際狀況與設計的內(nèi)容發(fā)生矛盾，從而導致工程不穩(wěn)定。三是跳躍時不穩(wěn)定。它是由失去平衡而進入到另外一種穩(wěn)定狀態(tài)，由分支處和極限點引起，從而引起整個結構的不穩(wěn)，危及工程的安全。在設計時應注意防止跳越不穩(wěn)定，并根據(jù)實際工程特點進行加固，以保證其穩(wěn)定符合規(guī)范規(guī)定。

6 華源國際中心項目概況

比如華源國際廣場，位于思明區(qū)03-07區(qū)域東側A5，整體地形較為平坦，周圍的公路已經(jīng)完成。該項目占地51589.0m，地面35689.0m2。該項目是由框架-中央（偏）支承系統(tǒng)組成的。建筑的高166.670m，其建筑的最高允許高度沒有超出設計要求。地下四個樓層，主體結構為自然地基，總深度約16m。

其設計參數(shù)為按照7°（0.15 g）的地震強度，采取綜合的地震對策和結構地震。由于該項目采用了4個全屋式的地下室，因此，一樓與一樓的設計應以不超過2的比例進行設計，因此，在建筑物的上部結構系統(tǒng)中，應采用下墊板作為必需的嵌固件。按照現(xiàn)行規(guī)范的要求，廈門50年內(nèi)的平均風速為0.80 kN/m2，必須按照 A等級的要求來確定地表的不平程度，而統(tǒng)一的建筑體型結構必須采用1.4的系數(shù)值。從本項目的實際情況來考慮，以50年一遇的風壓為基礎，以其1.1的設計荷載為標準。

根據(jù) JGJ 99-2015 《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》6.3.3條的要求，利用 MIDAS/GEN 2015對罕遇地震下的彈塑性問題進行了研究，采用了集中鉸模型構件。從罕遇地震的觀點來看，在討論建筑物的彈性時程時，應充分顧及在不同的震源序列中的相應二向性成分，以及由抗側作用力的順序?qū)⑵浒礄M向（x, y）的順序進行。按照1:0.85的規(guī)定，可對水平主、次向的加速峰值進行調(diào)整。結果表明，在 r方向和 y方向上，層間極限位移角x均為1/65, y-1/69均可滿足1/50的樓層容許需求。在稀震條件下， X、 Y響結構系統(tǒng)中的大部分部件都處于彈性態(tài)，一些部件處于I0狀態(tài)，而另一些部件（以支承系統(tǒng)的梁末端）則處于 LS狀態(tài)，滿足抗震的需要。因此，在罕見的地震作用下，整體的結構系統(tǒng)能夠滿足設計的需要。在實際的施工項目中，往往忽視了結構的穩(wěn)定對整體施工的影響。應結合具體情況進行深入人的理論研究，以改善鋼架的實際穩(wěn)定。華源國際大廈就是一個非常好的例子，在此基礎上，運用最合理的計算和研究方法，充分發(fā)揮鋼構件的綜合性能。

7 結語

簡而言之，由于我國的快速發(fā)展，對建筑的要求不斷提高，建筑的設計和建造技術也日趨成熟，采用鋼構件可以提高房屋的穩(wěn)定性能，提高房屋在地震和其他自然災害中的安全性能，是目前我國建筑中使用最多的一種結構。鋼架的穩(wěn)定與人類的利益息息相關，所以設計師必須要有一種嚴謹?shù)男膽B(tài)，掌握好設計的關鍵，然后再對鋼結構進行改進，把所有的工作都做到最好，這樣才能保證整個項目的穩(wěn)定，為建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。