淺析建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)

王雪剛 張高彬

河南升旭建筑工程有限公司（450000）

淺析建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)

王雪剛 張高彬

河南升旭建筑工程有限公司（450000）

隨著我國(guó)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(jì)中應(yīng)充分注意的問題。這里闡述了鋼結(jié)構(gòu)的特性及在建筑上的應(yīng)用，并對(duì)其穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，為后續(xù)設(shè)計(jì)施工提供技術(shù)支持。

剛結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)

工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題，設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)人員對(duì)其性能認(rèn)識(shí)的不足，從而導(dǎo)致構(gòu)件的失穩(wěn)，就此闡述了新型結(jié)構(gòu)現(xiàn)存的問題，并針對(duì)問題論述了產(chǎn)生的原因。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

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(huì)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(gè)應(yīng)力問題，指結(jié)構(gòu)或者單個(gè)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(diǎn)作為極限強(qiáng)度；穩(wěn)定是一個(gè)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(zhǎng)而發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2）鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要點(diǎn)。在符合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)，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(jì)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(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡(jiǎn)圖與結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖保持一致，中層或多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)算。由于框架各柱的桿件穩(wěn)定計(jì)算的常用方法、穩(wěn)定參數(shù)等是依據(jù)一定的簡(jiǎn)化假設(shè)成典型情況得出的，因此設(shè)計(jì)者要確保所有的條件符合假設(shè)時(shí)才能應(yīng)用。

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基本原則

建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須符合一定的原則，確保所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)合理，安全可靠:①結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)間，應(yīng)便于運(yùn)輸，便于維護(hù)，減少成本。③盡量注意美觀，對(duì)于外露結(jié)構(gòu)有一定建筑美學(xué)要求。

2.2 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(gè)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?？v向系統(tǒng)一般由相關(guān)構(gòu)件如柱及其支撐、壓架、車梁，制動(dòng)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(jì)，其他方面的考慮還包括造價(jià)、跨度、制作安裝難度等。

2.2.1 鋼結(jié)構(gòu)的材料優(yōu)勢(shì)

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，與混凝土等其他材料的結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)勢(shì):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(duì)動(dòng)力荷載的適應(yīng)性較強(qiáng)，不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(dòng)的范圍小，因此，鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況和工程力學(xué)計(jì)算結(jié)果比較符合，有助于提高設(shè)計(jì)施工的精確性。

2.2.2 鋼結(jié)構(gòu)的不足

鋼結(jié)構(gòu)因其優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用，近年來鋼結(jié)構(gòu)住宅也促進(jìn)了住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展進(jìn)程，尤其是鋼結(jié)構(gòu)使用過程的環(huán)保性符合社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要，帶來了良好的綜合效益。但鋼材也存在著固有不足，例如:鋼材的耐腐蝕性和耐火性較差,因此鋼結(jié)構(gòu)使用時(shí)需要進(jìn)行嚴(yán)格的防護(hù)，其防護(hù)費(fèi)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(shí)，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(shí)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。

3 建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

3.1 鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)

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GB 50011對(duì)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(duì)稱，不規(guī)則布置在地震時(shí)容易遭到損壞。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)

1）借助于計(jì)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(jì)中，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的平面內(nèi)強(qiáng)度及整體穩(wěn)定計(jì)算可由計(jì)算機(jī)輔助完成，而由設(shè)計(jì)者對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的平面外強(qiáng)度及穩(wěn)定計(jì)算，進(jìn)行分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)，為了提高效率和提供方便，在設(shè)計(jì)時(shí)可將整個(gè)結(jié)構(gòu)按標(biāo)高進(jìn)行分解，簡(jiǎn)化成不同水平荷載作用下的多個(gè)布置形式的結(jié)構(gòu)體系來進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定的計(jì)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(shí)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(duì)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(shí)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(jì)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)具有自重輕、強(qiáng)度高、工業(yè)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)建筑還符合國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑對(duì)提高城市建設(shè)水平有很大作用。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們要充分考慮材料的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮各方面的因素，加強(qiáng)對(duì)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(jì)，克服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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。

[1]黃友江.鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)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(jì)穩(wěn)定性的有效策略[J].城市建設(shè)與商業(yè)刊點(diǎn),2009.