試論建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計

李莉

摘 要 隨著建筑類經(jīng)濟(jì)快速的發(fā)展，工業(yè)建筑應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的越來越多。防止結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)充分注意的問題。本文闡述了鋼結(jié)構(gòu)的特性及在建筑上的應(yīng)用，并對其穩(wěn)定性的設(shè)計進(jìn)行分析，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗進(jìn)行總結(jié)，為后續(xù)設(shè)計施工提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞 剛結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定性 設(shè)計

工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題在設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)該注重結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性能，以免在設(shè)計過程中發(fā)生不必要的失穩(wěn)損失；其次，隨著新型結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，設(shè)計人員對其性能認(rèn)識的不足，從而導(dǎo)致構(gòu)件的失穩(wěn)，就這個問題闡述了新型結(jié)構(gòu)現(xiàn)存的問題，并且針對問題論述了產(chǎn)生的原因。

一、建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計、在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)中，由于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成的傷亡事故時有發(fā)生、為了更好地保證鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計中構(gòu)件不失穩(wěn)定，保證工程質(zhì)量及使用安全，有必要對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)探討。

1.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的概念。鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度小或失穩(wěn)都會造成結(jié)構(gòu)破壞，但是強(qiáng)度與穩(wěn)定的概念并不相同、鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是一個應(yīng)力問題，指結(jié)構(gòu)或者單個構(gòu)件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載引起的最大應(yīng)力（或內(nèi)力）是否超過建筑材料的極限強(qiáng)度、鋼材以其屈服點作為極限強(qiáng)度、而穩(wěn)定是一個變形問題，構(gòu)件所受外部荷載與結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力間是不穩(wěn)定的，關(guān)鍵是找出這一不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，避免變形急劇增長而發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計要點。在符合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般原則前提下，要保證鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性還需滿足以下條件：

（1）鋼結(jié)構(gòu)布置必須從體系和各組成部分的穩(wěn)定性要求整體考慮，目前鋼結(jié)構(gòu)大多是按照平面體系進(jìn)行設(shè)計，如桁架和框架、保證平面結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，要求平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面穩(wěn)定計算需與結(jié)構(gòu)布置相一致，如增加必要的支撐構(gòu)件等。

（2）實用計算方法所依據(jù)的簡圖與結(jié)構(gòu)計算簡圖保持一致中層或多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計框架穩(wěn)定分析通常是省略的，只進(jìn)行框架柱的穩(wěn)定計算、由于框架各柱的桿件穩(wěn)定計算的常用力法、穩(wěn)定參數(shù)等是依據(jù)一定的簡化典型情況或假設(shè)者得出的，因此設(shè)計者要能保證所有的條件符合假設(shè)時才能應(yīng)用。

二、建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.基本原則。建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計必須符合一定的原則，確保所設(shè)計的結(jié)構(gòu)合理，安全可靠。（1）所做結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)符合建筑物的使用要求，有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，有良好的耐久性；（2）所設(shè)計結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能節(jié)約鋼材，減輕鋼結(jié)構(gòu)重量；盡可能縮短制造、安裝時間，應(yīng)便于運輸、便于維護(hù)，減少成本；（3）盡量注意美觀，對于外露結(jié)構(gòu)有一定建筑美學(xué)要求。

2.設(shè)計過程。（1）收集資料：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程的前期準(zhǔn)備工作首要的就是要收集相關(guān)資料，包括各種環(huán)境資料、相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等、目前我國實行的是《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003其次，還需要了解結(jié)構(gòu)設(shè)計的習(xí)慣做法，根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗找出最優(yōu)設(shè)計方案。（2）確定結(jié)構(gòu)體系、柱網(wǎng)：鋼結(jié)構(gòu)體系的確定主要考慮兩個方面：橫向結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和縱向結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。橫向系統(tǒng)需要綜合考慮建筑使用要求、剛度要求、結(jié)構(gòu)受力情況、材料選用等具體情況來確定；縱向系統(tǒng)一般由相關(guān)構(gòu)件如柱及其支撐、壓架、車梁及制動梁或桁架、墻梁等組成、柱網(wǎng)則需要依據(jù)建筑使用要求、經(jīng)濟(jì)柱距及跨度、建筑美觀等方面要求來設(shè)計、其它方面的考慮還包括造價、跨度、制作安裝難度等。

三、建筑鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢與不足

1.鋼結(jié)構(gòu)的材料優(yōu)勢。鋼結(jié)構(gòu)是用鋼板、熱軋型鋼或冷加工成型的薄壁型鋼制造而成的，和混凝土等其它材料的結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)勢：首先，鋼材的強(qiáng)度高，塑性和韌性好、強(qiáng)度高使其適用于跨度大或荷載很大的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)，而塑性和韌性好對動力荷載的適應(yīng)性較強(qiáng)，不會輕易因超載而突然斷裂、鋼結(jié)構(gòu)還具有良好的吸能能力和延性，這賦予了鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)越的抗震性能。其次，鋼材內(nèi)部組織接近于勻質(zhì)和各向同性，在一定的應(yīng)力幅度內(nèi)鋼材的反應(yīng)幾乎是完全彈性的，加之冶煉和軋制過程中材質(zhì)波動的范圍小，因此，鋼結(jié)構(gòu)的實際受力情況和工程力學(xué)計算結(jié)果比較符合，有助于提供設(shè)計施工的精確性。

2.鋼結(jié)構(gòu)在建筑上的應(yīng)用優(yōu)勢。鋼結(jié)構(gòu)所具備的上述特點使其在建筑應(yīng)用上具有磚混結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)所沒有的獨特優(yōu)勢。首先，鋼結(jié)構(gòu)自重輕，且延性好，因此所建建筑的抗震性能優(yōu)良，因其總質(zhì)量小，地震力效應(yīng)相應(yīng)也小，而其良好的延性也能對地震效應(yīng)起到緩沖作用、混凝土施工時管道般需要在梁底通過，這樣會占用較大空間，使樓層凈高減少、而使用鋼結(jié)構(gòu)可在梁腹板處開孔走管道，因此建造相同的樓層高度，采用鋼結(jié)構(gòu)可達(dá)到提高層間凈高的效果。此外，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要“肥梁胖柱”才能建造較大開間相比，由于鋼結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強(qiáng)，因此可以簡中實現(xiàn)大跨與復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造開放式住宅。

3.鋼結(jié)構(gòu)的不足。鋼結(jié)構(gòu)因其優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用，近年來產(chǎn)生的鋼結(jié)構(gòu)住宅也促進(jìn)了住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展進(jìn)程，尤其鋼結(jié)構(gòu)使用過程的環(huán)保性還符合社會可持續(xù)發(fā)展的需要，帶來了良好的綜合效益、但鋼材也存在其固有不足、比如鋼材的耐腐蝕性和耐火性較差，因此鋼結(jié)構(gòu)使用時需要進(jìn)行較嚴(yán)格的防護(hù)，其防護(hù)時費用高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼材雖有一定的耐熱性，但在溫度達(dá)150 ℃以上時，鋼結(jié)構(gòu)需要加隔熱層加以保護(hù)、鋼材不耐火，重要的結(jié)構(gòu)必須注意采取防火措施、鋼材的強(qiáng)度高，所做構(gòu)件多數(shù)壁薄且截面較小，受壓時為了在強(qiáng)度與穩(wěn)定之間取得最優(yōu)，往往滿足了穩(wěn)定的要求，而使得強(qiáng)度不能充分發(fā)揮等。

四、建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的問題

1.鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計。鋼結(jié)構(gòu)住宅有低層和多層之分、低層一般用于別墅，而多層用于公寓、根據(jù)抗震規(guī)范GB50011對12層以下和以上房屋的不同要求，建造鋼結(jié)構(gòu)住宅一般不宜超過12層。鋼結(jié)構(gòu)住宅抗震性能受結(jié)構(gòu)布置規(guī)則性影響、因此，其平面布置應(yīng)力求規(guī)則、對稱、不規(guī)則布置在地震時容易遭到損壞。

2.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的經(jīng)驗。（1）借助于計算機(jī)技術(shù)和相關(guān)軟件的發(fā)展，目前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的平面內(nèi)強(qiáng)度及整體穩(wěn)定計算可由計算機(jī)輔助完成，而由設(shè)計者對結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的平面外強(qiáng)度及穩(wěn)定計算，進(jìn)行分析、計算和設(shè)計、為了提高效率和提供方便，在設(shè)計時可將整個結(jié)構(gòu)按標(biāo)高進(jìn)行分解，簡化成不同水平荷載作用下的多個布置形式的結(jié)構(gòu)體系來進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定的計算。（2）受彎鋼構(gòu)件的板件局部穩(wěn)定可以通過幾種方式實現(xiàn)：①限制板件寬厚比，使之達(dá)到屈曲的極限承載能力，不在構(gòu)件整體失效前屈曲；②允許板件在構(gòu)件整體失效前屈曲，然后利用其屈曲后強(qiáng)度達(dá)到構(gòu)件的承載能力；③對梁設(shè)置橫向或縱向加勁肋，以解決不考慮屈曲后強(qiáng)度的梁的局部穩(wěn)定問題。（3）軸心受壓構(gòu)件和壓彎構(gòu)件局部穩(wěn)定也可通過兩種方式實現(xiàn)，分別是控制翼緣板自由外伸寬度與其厚度之比和控制腹板計算高度與其厚度之比，如果受壓構(gòu)件為圓管截面，則應(yīng)控制外徑與壁厚之比。

鋼結(jié)構(gòu)自重輕、強(qiáng)度高、工業(yè)化程度高等優(yōu)點，在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用，同時鋼結(jié)構(gòu)建筑還符合國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑對提高城市建設(shè)水平有很大作用、在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中要充分考慮材料的優(yōu)缺點，綜合考慮各方面的因素加強(qiáng)對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定以及平面外穩(wěn)定的設(shè)計，克服結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷，避免出現(xiàn)失穩(wěn)事故，加快鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]黃友江.鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計分析[J].黑龍江科技信息，2009.

[2]陳淑燕.提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計穩(wěn)定性的有效策略[J].城市建設(shè)與商業(yè)刊點，2009.