建筑工程中鋼結構設計的穩定性原則及要點分析

摘 要：本文分析了建筑工程鋼結構穩定性設計原則，重點闡述了其設計要點，包括結構選型、防腐設計、防火設計、框架優化設計及結構穩定驗算。旨在提高鋼結構的穩定性，使建筑各部分結構構件受力合理，進而創造優質高效工程，達到項目綜合效益最大化的目標。

關鍵詞：建筑工程；鋼結構設計；穩定性原則；設計要點文章編號：2095-4085（2024）10-0092-03

0 引言

近年來，鋼結構逐漸成為現代建筑工程的主流結構型式，其憑借自重輕、易于施工、造價低廉的顯著優勢，在高層建筑、大型公共建筑及商業綜合體建筑等工程項目中得到了廣泛應用，并取得了顯著的綜合效益。然而，鋼結構建筑投運使用期間，在內外部因素共同影響下，可能會出現結構失穩的情況，存在一定安全隱患。為此，需重點關注結構穩定性問題，要明確建筑鋼結構穩定性設計原則，并運用科學的設計方法，以保證建筑各部分結構構件受力合理，進而打造優質高效工程。

1 建筑工程鋼結構穩定性設計原則

1.1 精密性

建筑鋼結構設計專業性較強，需開展大量計算工作，包括力學關系、框架平衡關系、連接抗彎承載力及框架結構穩定等計算內容。如果某一環節出現計算錯誤，都將導致鋼結構實際受力狀態與穩定性能充滿不確定性。目前，一些設計人員過度依賴自身經驗，尚未熟練掌握現行設計規范中的各項計算公式，設計方案中缺少科學、全面的計算數據。對此，必須遵循精密性原則，以精密計算作為鋼結構設計工作的重要一環。設計期間應嚴格遵循規范要求開展各項計算工作，要反復驗算計算數據的準確性，并在設計方案編制完畢后，對鋼結構整體穩定系數加以驗算，以起到查漏補缺的作用。

1.2 配合性

建筑鋼結構通過精密焊接與螺栓緊固等高效連接方式，將眾多構配件精準組裝，并確保各部件間協調配合，這種完美的契合度直接決定整體結構的穩定性與牢固性，是構建堅實穩固建筑體系的關鍵。因此，在工程設計階段，設計人員必須遵循配合性原則，應重點考慮各處構配件的配合狀態，既要分析平面穩定情況，也要分析立體建筑物是否具備穩定基礎，要確保各處構配件功能作用得以充分發揮，進而為建筑鋼結構的整體剛度與強度提供保障。

1.3 剪力調整

根據同類工程案例來看，部分建筑鋼結構形式不規則，以降低鋼結構穩定系數為代價，過度追求鋼結構靈活分隔性能與建筑造型美觀性，造成平面結構散亂布置構件、簡化垂直構件和斜柱的情況，雖然可以降低設計難度，表現出獨特的建筑造型，但也會影響結構剪力調整精度。對此，設計人員必須嚴格遵循剪力調整原則，重點分析局部與整體結構荷載狀況及剪力調整效果的影響，應優先保證剪力調整穩定性和靈活性。一般情況下，建筑鋼結構主要采取框架結構型式，利用支撐框架以及純框架負責承受水平剪力，支撐框架用于承受主要總剪力，并把剩余剪力分配給框架部分承受^［1］。

1.4 強柱弱梁

在建筑工程投運使用階段，地震災害是鋼結構穩定性面臨的首要挑戰。在地震災害持續期間，地震能量會對鋼結構體系造成劇烈沖擊，鋼結構穩定性能直接決定了建筑結構整體的受損程度。如果結構穩定性較差，可能會出現整體變形失穩、建筑物倒塌等安全事故，從而造成嚴重的經濟損失與人員傷亡。為預防上述安全事故發生，在工程設計階段，設計人員應遵循強柱弱梁原則，以提高鋼結構延性和增強抗壓性能為設計目的。還應結合工程情況，采取調整節點連接方式、翼緣加腋、柔性連接填充墻與梁柱等設計舉措。柱體承載性能應超過梁體承載性能，后續發生地震災害時，可確保梁體和柱體依次進入屈服狀態，有利于減輕建筑結構震中受損程度。

2 建筑工程鋼結構穩定性設計要點

2.1 結構選型

隨著現代建筑技術體系的發展，鋼結構體系不斷完善，當前已形成諸多類型的結構型式。根據同類工程建筑使用情況來看，不同類型鋼結構的適用方向沒有完全重合。因此，根據建筑類型和用途選擇合適的結構型式，才能做到最大限度發揮鋼結構應用優勢，并在建筑全壽命周期內始終保持主體結構的穩固狀態。目前來看，主流鋼結構型式包括鋼框架、鋼網架、門式鋼架以及鋼桁架，適用范圍如下。

（1）鋼框架。主要采取框架-支撐結構體系，平面布局中橫向部署純鋼框架，負責承受屋面荷載及樓板荷載；縱向部署多根豎向鋼柱，負責承受地震荷載以及縱向水平風荷載，在建筑頂部部署樓蓋。高層建筑、寫字樓等類型建筑存在荷載較重、平面布置要求嚴格的共性特征，適宜采取鋼框架結構型式。

（2）鋼網架。結構體系布局方案與網格較為相似，因而被稱為鋼網架。其強調分散布置大量桿件，節點以連接各處桿件來構成交叉桁架網架或是四角錐體網架，節點形式須設計為十字板節點或支座節點。對于體育場館等公共建筑，適宜采取鋼網架型式，作為高次超靜定空間，其具備剛度大、抗震性能理想的特征，足以維持結構穩定狀態^［2］。

（3）門式鋼架。同時部署鋼柱、墻面檁條、抗風柱等多種類鋼構件，需將鋼結構跨度控制在24～30m左右，受力主體為門式框架，并在結構體系內存在諸多種類的節點形式。對于工業廠房、展覽館等層數較少的建筑工程，適宜采取門式鋼架，相比于其他結構型式，此類結構具備受力簡單、傳力路徑清晰明確的優勢。

（4）鋼桁架。結構體系分布大量桿件，桿件兩端相互聯結，組合形成角鋼桁架結構、管桁架結構或是H型鋼桁架結構。對于高層建筑與超高層建筑，可采取鋼桁架型式，其具備結構自重輕與剛度大的優點，還可以減少鋼材用量和降低造價成本。

2.2 防腐設計

相比于常規的混凝土結構，鋼結構抗腐蝕性能有待提高。由于鋼構件長期暴露在外部空氣環境中，受到空氣中水分侵蝕及其他腐蝕物質影響，建筑投運使用一段年限后，逐漸會出現結構腐蝕現象。腐蝕類型包括電化學腐蝕以及化學腐蝕，腐蝕程度越嚴重，鋼構件力學性能越差，進而會嚴重影響主體結構承載性能與穩定系數。對此，必須對鋼結構進行防腐保護，應隔離鋼構件避免其與外部空氣環境直接接觸，并阻攔太陽光直接照射到鋼構件表面，以此來保證建筑鋼結構的穩定狀態，也有利于延長建筑實際使用壽命。具體可采取以下防腐措施。

（1）金屬鍍層。提前對鋼構件進行脫脂或酸洗處理，徹底去除表面殘留銹跡與油漬，再采取電解法或噴鍍法，在鋼構件表面形成一層致密性的金屬鍍層，要完全包裹鋼構件，以阻攔外部空氣、太陽光輻射及水汽侵蝕。

（2）防腐涂層。在鋼構件制作加工方案中，額外增設涂層保護步驟。防腐保護原理與金屬鍍層一致，是利用涂層隔離鋼構件接觸外部環境。需優先選用具備良好環境適應能力與抗氧化性的防腐涂料。如果對鋼結構抗腐蝕性能有著嚴格要求，或是現場環境較為復雜，可酌情增加涂層厚度，或是陸續施作多層防腐保護涂層。

（3）建筑選址。鋼結構在潮濕環境與干燥環境中的腐蝕速度及整體腐蝕程度有著明顯區別。因此，在選址設計環節，需提前收集工程資料信息，應優先選擇相對干燥的環境作為建筑選址。如果無法變更選址地點，則對鋼構件金屬鍍層或是防腐涂層進行加厚處理。

2.3 防火設計

耐火性差是鋼結構天然存在的短板，鋼結構耐火極限普遍在450～600℃不等。多數建筑火災事故在發生10～15min時的火場溫度達到400℃，建筑內部分布過多可燃物、易燃物時，還會進一步提高火場溫度及溫升速度。在建筑火災持續期間，由于長時間處于高溫環境，鋼結構承載性能大幅削弱，會陸續出現鋼柱變形、鋼梁彎曲等情況，嚴重時還會出現建筑結構失穩及坍塌事故。一般情況下，缺少專項保護措施的建筑鋼結構耐火極限僅為15min。因此，應對鋼結構進行防火保護，須最大限度延長鋼結構耐火極限時間。具體可采取以下措施。

（1）優選鋼材。在確保工程造價不超限的前提下，應使用特種耐火鋼材來替換普通鋼材。耐火鋼在600℃高溫下，1～3h內的屈服強度仍舊保持在2/3室溫屈服強度以上水準，本身具備一定程度的防火抗坍塌功能。其具體型號包括Q345FRC和Q345FRD。

（2）規劃防火分區。需根據建筑室內面積、建筑類型與建筑等級來確定防火分區面積；并在相鄰防火分區間隔部位，設置防火門、防火卷簾及防火隔墻等設施，以起到抑制火勢蔓延范圍和速度的作用。建筑火災持續期間，火勢范圍主要集中在著火點所處防火分區，其他防火分區不易形成明火，鋼結構雖然會出現局部受損問題，但不會對整體結構穩定性造成明顯影響^［3］。

（3）構件阻燃。鋼構件外部配置高效防火屏障，采用石膏板或巖棉板等優質防火阻燃材料構建，可有效隔絕火焰侵襲，確保構件內部溫度維持在耐火極限之下。此外，亦可選擇直接在鋼構件表面涂抹防火涂料，盡管其保護效能略遜于獨立保護層，但通過增加涂層厚度可增強效果。經此防火強化處理，鋼構件的極限耐火溫度顯著提升，由原先的450～600℃躍升至900～1 200℃，極大增強了建筑在火災中的結構安全性，可避免承載失效及整體穩定性喪失的風險。

2.4 框架優化設計

采取鋼框架結構型式的建筑工程，其理想狀態下的框架側向位移量在允許范圍內。但根據實際情況來看，受到樓層數、相對剛度等因素影響，實際框架受力狀態和側向位移量不夠理想。采取常規的增加構件截面尺寸措施，可以解決此項問題，但也會造成增加鋼材耗用量、占用建筑室內空間的后果。對此，設計人員可以從優化框架結構方面著手，采取增加節點剛度、設置斜撐、翼緣加腋三項設計措施，確保鋼框架側向位移量在設計規范允許范圍內。

（1）增加節點剛度。以調整端板節點構造作為提升剛度與減小側向位移量的方法，初始剛度取決于連接件抗彎剛度、螺栓分布情況和板體厚度，可酌情選擇增加端板面積和螺栓數量，或是在增加外伸端板長度的同時，在外伸部位設置兩排螺栓。

（2）設置斜撐。鋼結構體系內額外增設支撐桿件時，必須以結構基礎為起始點，向上所有樓層均設置桿件，直接連接不同樓層間支撐桿件。需優先采取直線連接方式，并直接連接頂層與其他相鄰跨間支撐桿件。一般情況下，可選擇設置鋼管柱間支撐作為斜撐件，斜撐和鋼結構采取鉸接方式，并繪制樓層位移曲線，以判斷增設斜撐對框架結構造成的實際影響。

（3）翼緣加腋。借鑒框支剪力墻結構在框支梁節點部位加腋的設計措施，在鋼框架結構節點部位同樣加腋，以此來增強節點抗彎性能。主要以梁體上部翼緣或是下部翼緣作為加腋位置，如果鋼框架結構變形形式為剪切變形，所形成層間位移量最大值出現在結構底部，僅需在下部樓層進行水平加腋^［4］。

2.5 結構穩定驗算

建筑鋼結構穩定系數取決于諸多因素，在工程設計階段，受限于經驗、時間與精力，設計人員難以全面考量所有因素，從而造成設計紕漏，導致設計成果和預期目標存在一定差異。對此，為確保鋼結構穩定系數完全達到工程建設要求，避免因設計問題而形成安全隱患，在鋼結構設計方案制定完畢后，必須開展結構穩定驗算工作。

（1）分析阻尼數值。以阻尼比作為初步判定鋼結構穩定系數的重要指標，在建筑處于地震頻發區域時，建筑高度≤50m時要求阻尼比為0.04。建筑情況為罕遇地震彈性與塑性分析時，要求阻尼比為0.05^［5］。

（2）動力設計。構建分析模型來模擬建筑結構使用工況，可根據應力分析結果來反映振動加速度和結構變形程度。如果結構形變方向和加速度保持統一狀態，即可判定鋼結構滿足最大負載條件。

3 結語

綜上所述，為順利建設高品質建筑工程，為鋼結構型式的應用推廣打牢基礎，建筑企業必須提高對鋼結構穩定性問題的關注程度。設計人員需嚴格遵循精密性、配合性、剪力調整、強柱弱梁四項基本原則，要掌握在結構選型、防腐設計、防火設計等諸多方面的設計要點，并準確驗算鋼結構穩定系數，提前識別并處理所有設計問題，進而充分發揮鋼結構的優勢，推動我國建筑行業邁向全新發展階段。

參考文獻：

［1］楊帆.建筑鋼結構設計中穩定性的設計方法研究［J］.房地產世界，2020（22）：32-34.

［2］莫磊.建筑鋼結構設計中穩定性的設計方法研究［J］.大眾標準化，2022（8）：98-100.

［3］王曉亮，張俊生.建筑鋼結構設計中穩定性的設計方法探討［J］.綠色環保建材，2020（3）：78-79.

［4］龐義.半剛性連接鋼框架穩定分析與優化設計［D］. 重慶：重慶交通大學，2013.

［5］王丹陽，王凡奇，王偉.建筑工程中鋼結構設計的穩定性原則及設計探討［J］.中國住宅設施，2022（12）：12-14.