建筑鋼結構及其穩(wěn)定性設計方法

摘要：隨著經濟的不斷發(fā)展和社會的進步，人民的生活水平在不斷地提高，對于居住環(huán)境的要求也在不斷的變化，為了使人們生活的更加安全和舒適，我國建筑技術水平逐步提升。在現代的建筑工程中，鋼結構因為其自重輕、強度高的優(yōu)勢，它的穩(wěn)定性與其他建筑材料相比，更適合用于建筑設計中結構的搭建。雖然建筑鋼結構的穩(wěn)定性得到了整個行業(yè)的認可，但近年來，由于建筑設計等問題的出現，鋼結構的穩(wěn)定性遭到了質疑，安全事故也頻頻引發(fā)。本文對建筑鋼結構設計出現的問題和缺陷進行了討論，對鋼結構穩(wěn)定性的提出一些合理的建議，希望能解決目前穩(wěn)定性設計中出現的問題，使建筑行業(yè)能平穩(wěn)、安全的發(fā)展。

關鍵詞：建筑鋼結構；穩(wěn)定性；設計

一、目前鋼結構穩(wěn)定性設計存在的問題

鋼結構設計的穩(wěn)定性存在不少問題，穩(wěn)定性受到很多條件的限制，在設計鋼結構時，不僅要考慮到鋼結構本身對穩(wěn)定性的影響，同時也要控制外界因素對穩(wěn)定性的干擾。

（一）構件承受力的強度影響穩(wěn)定性

在鋼結構設計中，構件承載的程度對穩(wěn)定性產生影響，構建材料的應力、截面特征也和穩(wěn)定性相關，在建筑鋼結構設計開始時，考慮到支撐力、扭抗力等因素在假設、模型計算中難以反映，所以理論結果和實際承載力會不同，這些都是設計時要考慮的條件。

（二）大跨度結構的設計有缺陷

大跨度結構設計中反映軸力和彎矩的耦合效應有一定難度，這個問題影響到了穩(wěn)定性設計。通常情況下，選定的穩(wěn)定安全系數不能反映網殼結構的受力，由于預張拉結構體系的設計存在缺陷，導致整體與局部受到影響，穩(wěn)定性之間的關系需要進行探討。

（三）穩(wěn)定理論不完善

在鋼結構穩(wěn)定性設計中，設計師是從各種條件達到最佳狀態(tài)的角度去考慮的，但一些不確定性的因素沒有考慮到，穩(wěn)定理論不完善，在施工中結構參數的不確定會直接引起各個方面的結果的變化，為了保證鋼結構的施工質量，穩(wěn)定性的設計應重視隨機參數的考慮。

二、鋼結構失穩(wěn)的分類

（一）平衡分岔失穩(wěn)

平衡分岔失穩(wěn)是當荷載增加時，結構維持的平衡狀態(tài)被打破，出現新的平衡形式在本質上和原來的平衡狀態(tài)有差異，穩(wěn)定性受到破壞不再穩(wěn)定。具體的原理是構建截面承受的壓力超過了能臨界點，構建發(fā)生變形，原來的軸心受壓平衡狀態(tài)被彎曲的狀態(tài)所取代，這就是平衡分岔失穩(wěn)。

（二）極值點失穩(wěn)

用于建筑的鋼材料偏心受壓構件，當其塑性超過了本身能承受的程度，就是失去了穩(wěn)定性，失穩(wěn)狀態(tài)的荷載值等同于構件實際最大荷載值，這是一個漸變的過程，和平衡分岔失穩(wěn)不同。

（三）跳躍失穩(wěn)

跳躍失穩(wěn)和上述的失穩(wěn)類型都不相同，是失穩(wěn)后一個新的平穩(wěn)狀態(tài)取代了之前的平穩(wěn)狀態(tài)，沒有平衡分叉點，也不存在極限值。

三、建筑選擇鋼結構的原因分析

（一）鋼結構的材料特性

鋼結構的主要構成是鋼材料，和其他的建筑材料相比，它具有的特性使之穩(wěn)定性更好。第一，鋼材的可塑性較高，由于構成鋼結構的鋼材通過冷加工和熱加工的方式成形，使其韌性較好，對于建筑設計中荷載大的地方，能加固它的整體質量，不會因為荷載大而發(fā)生意外斷裂。對于建筑中跨度大的構造，鋼材極好的強度也彌補了空缺，除了這些優(yōu)勢，鋼結構的抗震能力也很好，這歸功于鋼材的延展性和吸力。第二，鋼材比其他的建筑材料要輕，和建筑中常用的混凝土相比，在同樣的構造運用中，鋼材的重量比混凝土結構要輕3/4或者2/3，對于施工中的購進和吊用，減輕了工作量，節(jié)約了人力、物力資源。第三，鋼材能使建筑設計的實行更有利，因為鋼材在制造的過程中，材料元素較為穩(wěn)定，沒有很大的波動，使生產出來的鋼材質地均勻，在可承受力的范圍內，受力情況和設計中力學的計算最為接近，幫助建筑設計趨于科學化，數據更為準確。

（二）鋼結構的建筑優(yōu)點

鋼結構在建筑工程上的廣泛應用，不僅是因為其自身良好的材料優(yōu)勢，還有鋼結構具有別的建筑結構不具備的特性。第一，鋼結構建筑的抗震新能較強，由于鋼結構良好的自重力和延展性，當地震來臨時，地震的震感會被鋼結構一定程度的削減，地震的效力也相對減小，這與鋼結構的總質量小有著密切的關系。第二，鋼結構使建筑整體空間感更大，在建筑施工中，鋼結構和混凝土有很大差別。鋼結構的建筑施工時，管道的設置是將梁腹板上打孔，而混凝土結構施工時，管道的設置和鋼結構明顯不同，一般情況下，管道需要通過梁板底部，整體上減少了樓層的凈高，混凝土結構占據的空間比鋼結構多，鋼結構可以利用這一特性，在住宅設計的選擇具有多樣性，如開放式住宅。

四、鋼結構穩(wěn)定性設計的原則及計算方法

（一）鋼結構穩(wěn)定性的設計基本原則

建筑鋼結構的設計，重點在于如何把握穩(wěn)定性，鋼材決定了建筑的強度，可是強度不等于穩(wěn)定性，兩者要區(qū)別開來，首先要分析鋼結構不穩(wěn)定的原因在哪里，通常鋼結構的不穩(wěn)定是由內外部力的不均衡造成的，外部的荷載力和內部的抵抗力不均衡會引起鋼結構的變形，而變形問題其實就是強度問題，要解決鋼結構設計的不穩(wěn)定，最基本的是要遵循設計原則。第一，鋼結構的設計從組成部分到整體結構都力求穩(wěn)定性達標。在設計框架和桁架時，鋼結構的設計運用的是平面體系，先將框架和桁架設計達到平穩(wěn)性，在擴展到保證平面體系的平穩(wěn)性，最后使整個鋼結構的設計趨于平穩(wěn)，從部分到整體，中間環(huán)節(jié)不能有差錯。第二，鋼結構設計中運用了大量計算，首先要保證結構圖紙的一致，實際所用的圖紙必須和設計圖紙計算結果大致相同，如在設計框架時需要計算框架的穩(wěn)定性，計算的結果要與模板框架結果大致相同，這樣才能確?？蚣艿姆€(wěn)定。

（二）鋼結構穩(wěn)定性設計的特點

鋼結構穩(wěn)定性的設計特點，大概可以分為三點：第一，穩(wěn)定性的計算。這里主要考慮彈性的計算，彈性穩(wěn)定計算不僅要分析結構的屈曲性和強度，還要進行二階分析，在對鋼結構產生的較大的變形和撓度問題上，系統計算的準確度是鋼結構設計必要條件。第二，穩(wěn)定性從整體考慮。設計穩(wěn)定性的考慮不僅從組成部分上，還要進行部分到整體結構的分析，綜合起來進行設計，不要穩(wěn)定了局部，整體沒有穩(wěn)定可能會造成失誤。第三，整體剛度和失穩(wěn)。穩(wěn)定性的計算方法多種多樣，較為普遍的是臨界壓力法和折減系數法，在軸心壓桿的穩(wěn)定性計算中，運用到了這兩種算法。

（三）鋼結構穩(wěn)定性設計的計算

1、靜力平衡法

靜力平衡法又稱靜力法，或者歐拉方法，常用于屈曲荷載的計算。通常發(fā)生細微屈服后，利用結構的力學狀態(tài)分析體系和方程組求解，求解的結果不止一個的情況下，最小的解是結構體系的分岔屈曲荷載。靜力平衡法在鋼結構設計中較常使用的計算方法。

2、能量法

能量法又稱鐵木辛柯法，利用能量守恒原理求臨界荷載，能量守恒原理是保守體系處于平衡狀態(tài)時，貯存在結構體系中的應變能等于外力所做的功，關系表現為：ΔU=ΔW，其中ΔU為應變能的增量，ΔW為外力功的增量。根據勢能駐值原理指的是結構受到外力作用導致位移發(fā)生微小變化而總勢能不變，表達式為：δπ=0，其中δπ為結構總勢能的一階變分，有δπ=δU+δV=ΔU-δW，δU是虛位移引起的結構內應變能的變化，它總是正值，δW表示外力因為虛位移而做的功，且外力勢能的變化δV等于外力虛功的負值，即δV=-δW。

3、振動法

振動法是對平衡狀態(tài)下的結構體系施加微小干擾，使其發(fā)生振動，根據自由振動狀態(tài)確定結構的臨界荷載。當荷載小于穩(wěn)定的極限荷載值時，加速度的方向和變形的方向相反，振動隨著時間的推移呈現收斂狀態(tài)，趨于靜止，這時結構的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。

五、鋼結構穩(wěn)定性設計的建議和注意事項

（一）提升鋼結構穩(wěn)定性的方法

建筑工程在施工過程中，可能會出現意外情況的發(fā)生，所以在建筑鋼結構設計時，針對意外情況的緊急處理辦法尤為重要，為了確保設計穩(wěn)定性，要對整體結構進行加固。一般情況下，荷載分布狀況是鋼結構的加固常用方法，改變受彎桿的界面內力、焊接各種螺栓也對加固穩(wěn)定性有著重要的作用。

（二）鋼結構穩(wěn)定性設計的注意事項

鋼結構的建筑，如住宅的結構設計必須做到平面布置應力對稱，布置的規(guī)則問題直接和住宅遇到突發(fā)性災害的抵抗力有關。當廠房運用鋼結構時，需要考慮防腐性，若廠房用于存放化學產品，鋼結構可能會腐蝕，在設計時鋼材質量要求嚴格把關，涂層要達到要求。除了這些需要注意的，不同的鋼結構設計有不同的要求，針對具體的情況，考慮各方面因素，使鋼結構具有良好的設計穩(wěn)定性能。

結束語

總的來說，鋼結構和其他建筑材料相比，對建筑的安全性和穩(wěn)定性更為有益，但并不是完美的，鋼結構也存在著一定的不足和缺陷，所以在建筑設計的時候需要利用鋼材料自身可塑性高，強度好等特點，充分發(fā)揮其在整體建筑結構中的作用去固整體的穩(wěn)定性，保障施工過程中建筑的安全，避免意外事故的發(fā)生。建筑中鋼結構的廣泛運用，對我國的建筑水平有了很大的提升。在不久的將來，建筑鋼結構設計水平逐漸趨于完善，穩(wěn)定性會有更大的突破和升級，對建筑業(yè)的發(fā)展會產生革命性的重大影響。

參考文獻：

[1]王志軍.高層住宅鋼結構的設計流程及應注意的問題[J].中小企業(yè)管理與科技，2010，24（14）：635-636

[2]趙現魯.淺談建筑鋼結構穩(wěn)定性設計[J].中國建筑金屬結構，2013（12）

[3]陳淑燕.提高鋼結構設計穩(wěn)定性的有效策略[J].城市建設與商業(yè)網點，2009

[4]梅庭玉，舒昌林.建筑結構及其穩(wěn)定性設計[J].煤炭技術，2010（12）

[5]陳銘，何麗麗，鞏偉平.淺談鋼結構穩(wěn)定性設計[J].山西建筑，2009

[6]盧秋玉.對建筑鋼結構設計及安裝的探討[J].中小企業(yè)管理與科技，2010，36（28）：749-750