建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設計探討

黃君軍

摘要：目前建筑工程施工中所采用結(jié)構(gòu)形式正變得越來越多，如混凝土框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)等。鋼結(jié)構(gòu)是一種常見的建筑結(jié)構(gòu)形式，此類結(jié)構(gòu)具有許多的優(yōu)勢，但同時也存在結(jié)構(gòu)失穏現(xiàn)象，因此提高鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對于建筑質(zhì)量的改善有著重要意義。為了能夠克服鋼結(jié)構(gòu)所存在的缺陷，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形現(xiàn)象以及保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全，本文對建筑鋼結(jié)構(gòu)的特點進行了簡要分析，并重點探討了建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設計的相關(guān)問題，包括穩(wěn)定性設計原則及要求，常用的穩(wěn)定性設計算法以及穩(wěn)定性設計的優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；建筑；穩(wěn)定性；設計

建筑工程建設是保障國民生活水平得以不斷提升的基礎(chǔ)，在建設建筑工程時通常會應用到鋼結(jié)構(gòu)。實踐證明，相對于其他建筑結(jié)構(gòu)而言，鋼結(jié)構(gòu)具有強度高以及自重輕等優(yōu)勢，可以顯著改善建筑施工水平；但從另一方面來看，鋼結(jié)構(gòu)也容易出現(xiàn)失穏問題[1]。對此，本文探討了鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設計問題，旨在提高鋼結(jié)構(gòu)的設計水平以及改善鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免因鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差而引發(fā)建筑質(zhì)量問題。

1.建筑鋼結(jié)構(gòu)的特點

鋼結(jié)構(gòu)主要指使用鋼材制作的結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)具有較強的變形能力以及良好的整體剛性；在建筑中使用鋼結(jié)構(gòu)能夠有效改善動力荷載承受情況。鋼材雖然具有良好的塑性，但耐火性以及耐腐蝕性相對較差，因此在建筑中應用鋼結(jié)構(gòu)時必須進行嚴密防護，否則將會影響到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在鋼結(jié)構(gòu)承受較大負荷以及自身的溫度大于150°時，就容易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此要不斷強化穩(wěn)定性設計工作，以保證建筑鋼結(jié)構(gòu)安全可靠[2]。鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是相對于變形而言的，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部所存在的抵抗力與結(jié)構(gòu)外部所承受的荷載都是不斷變化的，所以進行穩(wěn)定性設計的主要目的是平衡內(nèi)部的抵抗力與外部荷載，以便有效防治鋼結(jié)構(gòu)因出現(xiàn)急劇變形而導致結(jié)構(gòu)失穏。

2.建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設計分析

2.1穩(wěn)定性設計原則及要求

在進行穩(wěn)定性設計時應堅持以下幾項原則：第一，確保結(jié)構(gòu)設計與建筑使用要求相符，且具有足夠的穩(wěn)定性、剛度以及強度；第二，盡量減少鋼材的使用量，縮短鋼結(jié)構(gòu)的安裝時間以及降低結(jié)構(gòu)重量；第三，如存在外露部分，則應注意保證結(jié)構(gòu)設計符合美學要求。在設計鋼結(jié)構(gòu)時，不僅要遵守以上三個原則，還要注意把握好具體的設計要求。（1）在布置結(jié)構(gòu)的過程中應充分考慮鋼結(jié)構(gòu)各個組成部分以及整個體系的穩(wěn)定性。鋼結(jié)構(gòu)當中的框架以及行架的設計依據(jù)均為平面體系，因此為了避免框架、行架產(chǎn)生平面失穏問題，則應優(yōu)化布置整體結(jié)構(gòu)，同時在結(jié)構(gòu)當中加入支撐構(gòu)件，使構(gòu)件的布置與穩(wěn)定性計算結(jié)果保持一致。另外，也應優(yōu)化設置橫隔以及桿件，避免出現(xiàn)同樣的失穏問題。（2）相互配合進行構(gòu)件穩(wěn)定性計算與細部構(gòu)造穩(wěn)定性計算。在進行穩(wěn)定性設計時應充分關(guān)注構(gòu)造設計與結(jié)構(gòu)計算結(jié)果是否一致，以便可以防止鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形問題。如在連接彎矩節(jié)點時，應保證每個節(jié)點的柔度以及剛度都能夠達到標準；在設計桁架節(jié)點時，應注意避免桿件偏心。（3）采用相同的簡圖對結(jié)構(gòu)設計方案以及穩(wěn)定性進行計算。目前，框架柱穩(wěn)定性計算是設計框架結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)，為了滿足多種框架結(jié)構(gòu)的設計要求，在實際工作中通常需要預先設定好部分計算條件，如所有框架柱到達臨界荷載的時間相同等，預先設定的條件并不是可以通用的，必須在了解設計結(jié)構(gòu)的情況下才能夠針對性地采用，以免埋下結(jié)構(gòu)安全隱患。對此，為了能夠簡化計算流程以及改善結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，則應采用相同的簡圖對結(jié)構(gòu)設計方案以及穩(wěn)定性進行計算。

2.2常用的穩(wěn)定性設計算法

對于建筑領(lǐng)域當中的鋼結(jié)構(gòu)而言，應用合理的穩(wěn)定性設計算法是避免結(jié)構(gòu)變形的前提條件，目前采用的算法主要包括三種，即平衡法、動力法以及能量法。（1）平衡法。應用平衡法能夠?qū)摻Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穏時的極限荷載計算出來，從而為穩(wěn)定性設計提供依據(jù)。如鋼結(jié)構(gòu)當中的分岔點存在彈性失穏問題，則計算出臨近平衡狀態(tài)即可；由于應用平衡法的前提條件是存在平衡方程，而平衡方程的建立依據(jù)為結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微小變形時的具體受力條件，因此采用平衡方程進行計算時，可能會得到多個方程解；得出方程解之后要對其進行觀察，找出最小值，將最小值作為屈曲荷載。（2）動力法。如鋼結(jié)構(gòu)體系并沒有出現(xiàn)變形問題，則施加一定的荷載可使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)振動現(xiàn)象；如荷載力小于極限值，則并不會破壞鋼結(jié)構(gòu)的平衡，如極限值小于荷載力，則可能造成結(jié)構(gòu)失穏。當施加的荷載為臨界狀態(tài)時，可稱之為屈曲荷載。（3）能量法[3]。當保守力對建筑當中的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用時，就可以根據(jù)受力條件將結(jié)構(gòu)外力勢能與應變能求出來；在鋼結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)變形的情況下，存在勢能駐值。因此在計算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的過程中可以將駐值原理作為依據(jù)，求出平衡方程；得出平衡方程之后，便可以代入一階位移，從而求出屈曲荷載。（4）除了以上三種算法之外，在實際工作中通常會運用歐拉公式計算壓桿失穏問題。在建筑鋼結(jié)構(gòu)當中，壓桿穩(wěn)定是最基本的穩(wěn)定性計算問題，在計算彈性壓桿臨界荷載時，可以優(yōu)先考慮應用歐拉公式：PE=π2EI/（μl）2，在上述公式中，μ為長度系數(shù)，l為鋼結(jié)構(gòu)中的壓桿長度，I為慣性矩，E為彈性模量，PE為臨界荷載。

2.3穩(wěn)定性設計的優(yōu)化措施

由于鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程當中得到了廣泛應用，所以在進行穩(wěn)定性設計的過程中不僅要嚴格遵循相關(guān)原則、要求，合理選擇穩(wěn)定性的計算方法，還應注意采用一定的措施對穩(wěn)定性設計工作進行優(yōu)化。筆者在實踐中總結(jié)了以下幾種優(yōu)化措施：（1）在對住宅樓當中的鋼結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性設計時，要注意針對低層住宅以及多層住宅設計不同的結(jié)構(gòu)類型，在通常情況下多層住宅主要包括公寓，而低層住宅主要包括別墅等。為了保證住宅樓的抗震強度以及抗壓能力能夠達到國家所規(guī)定的標準，則當住宅樓層多于12層時，不宜采用鋼結(jié)構(gòu)。另外，在設計建筑鋼結(jié)構(gòu)的平面圖時，應注意保證結(jié)構(gòu)的規(guī)則性與對稱性，從而改善其穩(wěn)定性，避免地震發(fā)生時對建筑結(jié)構(gòu)造成毀滅性的破壞。（2）在對受彎板件的穩(wěn)定性進行設計時，可以設置以下條件：第一，對板件本身的厚度、寬度之比進行限制，從而提高板件的承載能力，避免出現(xiàn)提前屈曲的問題；第二，如在構(gòu)件失效之前板件已經(jīng)出現(xiàn)了屈曲問題，則可以計算出屈曲強度，并利用屈曲強度提高構(gòu)件整體的承載力；第三，在設計鋼結(jié)構(gòu)中的對梁時，無需考慮局部穩(wěn)定失效問題，直接設置成縱向以及橫向加勁肋即可。（3）在開展設計工作的過程中可充分利用計算機輔助設計技術(shù)。目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了許多輔助設計軟件，如AutoCAD等，因此在計算鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性以及平面強度的過程中可以充分利用計算機軟件，從而提高計算效率，保證計算結(jié)果的精確性，并由此優(yōu)化穩(wěn)定性設計工作[4]。在應用計算機輔助設計時應注意分解結(jié)構(gòu)標高，從而簡化結(jié)構(gòu)體系，提高水平荷載不同時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)強度的計算水平。

3.結(jié)束語

目前我國的鋼結(jié)構(gòu)建筑數(shù)量正在不斷增加，與混凝土結(jié)構(gòu)建筑相比，鋼結(jié)構(gòu)建筑具有節(jié)能、環(huán)保等明顯優(yōu)勢，為了促進鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展，則應不斷提高鋼結(jié)構(gòu)本身以及建筑的穩(wěn)定性。對此，要積極探索鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設計優(yōu)化措施、計算方法，并在設計的過程中嚴格遵守相關(guān)要求，保證設計方案得以不斷完善，為建筑質(zhì)量的改善提供必要的條件。

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