建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性探討

楊麗平

【摘要】近年來，鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用，但是，由于設(shè)計(jì)缺陷也引發(fā)了一些質(zhì)量問題，造成了嚴(yán)重的影響。本文主要對建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性進(jìn)行了探討，首先明確了鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的原則，其次分析了鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的特征與影響因素，最后提出了三種分析方法。

【關(guān)鍵詞】建筑工程；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；穩(wěn)定性

近年來，隨著鋼結(jié)構(gòu)工程日益增多，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性引起了人們的關(guān)注。對比傳統(tǒng)建筑材料，鋼結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的強(qiáng)度高、韌性與塑性好、重量輕、節(jié)約施工時間等優(yōu)勢，是節(jié)能減排的首選，因而在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，如果不能確保鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，那么，不僅會造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)?dǎo)致人員傷亡。所以，必須要高度重視鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。

一、 建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的原則

1、確保各個層面的穩(wěn)定性

鋼結(jié)構(gòu)的特性使得其在前期的工藝設(shè)計(jì)中相對復(fù)雜，設(shè)計(jì)師需要借助專門的計(jì)算機(jī)軟件對其進(jìn)行質(zhì)量檢測，并確定多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，待其通過質(zhì)量檢測后，才能正式開始投產(chǎn)，并在建筑工程中大量應(yīng)用。一般來說，鋼結(jié)構(gòu)測試的主要技術(shù)指標(biāo)有：水平荷載系數(shù)、抗震強(qiáng)度系數(shù)以及結(jié)構(gòu)的阻尼比等。通常情況下，建筑設(shè)計(jì)師需要根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境可能的最大風(fēng)荷載對鋼結(jié)構(gòu)的水平荷載系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以免出現(xiàn)因建筑穩(wěn)定性不佳而導(dǎo)致坍塌的事故。

2、做好剪力調(diào)整

當(dāng)前，國內(nèi)高層建筑的形式已經(jīng)越來越復(fù)雜，建筑的不對稱設(shè)計(jì)也已成為設(shè)計(jì)的潮流，因此，在建筑當(dāng)中采用斜柱的現(xiàn)象也越來越多的出現(xiàn)在人們的視線當(dāng)中。和傳統(tǒng)的垂直構(gòu)件比起來，斜柱的傾角比較明顯，因而也要求建筑構(gòu)件能夠承受一定的剪力。需要說明的是，不少建筑設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)時，往往會為了方便處理而將垂直構(gòu)件簡化成為柱子，將斜柱簡化成為斜桿，這種方式在一般情況下不會對建筑的整體穩(wěn)固性產(chǎn)生較大影響，但在對框架柱的剪力進(jìn)行調(diào)整時，卻會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。這是因?yàn)樾敝闹饕饔秒m然是支撐水平方向的荷載，但其在豎直方向也需要承擔(dān)一定的荷載，如果忽視了豎直方向的荷載，則會導(dǎo)致計(jì)算出來的剪力存在一定的誤差，從而降低建筑工程中的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。有鑒于此，建筑設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)重視剪力的調(diào)整，并充分考慮建筑施工的實(shí)際情況，對鋼結(jié)構(gòu)的不同程度剪力進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3、注重強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還應(yīng)當(dāng)將柱梁的整體性進(jìn)行充分考慮。通常情況下，一個安全合理的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)在遇到水平荷載較大或者突發(fā)強(qiáng)震等情況時，使塑性鉸出現(xiàn)在梁上，而不是出現(xiàn)在柱子上。這樣設(shè)計(jì)的目的是為了提高鋼結(jié)構(gòu)的抗壓性，確保其整體性不會在短時間內(nèi)被破壞，并盡快恢復(fù)到變形前的形態(tài)。我國建筑行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，在設(shè)計(jì)柱梁時，應(yīng)當(dāng)分析和計(jì)算其彈塑性，只有確定其塑性鉸會在梁上出現(xiàn)，才能滿足設(shè)計(jì)要求。

二、建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的特征

第一，鋼結(jié)構(gòu)有著多樣性。由于建筑工程的具體用途不同，對于鋼結(jié)構(gòu)的形式以及安全要求程度也各不相同，一般是通過鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來滿足這些要求。一般情況下，不管是什么形式的鋼結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時都必須重點(diǎn)關(guān)注其受壓部位，從而分析和探究其穩(wěn)定性。

第二，鋼結(jié)構(gòu)有著整體性。一個鋼構(gòu)件無法有效應(yīng)用于建筑工程當(dāng)中，所以，要將若干個鋼構(gòu)件科學(xué)地連接在一起，按照整體的形式展現(xiàn)出來，以確保整個結(jié)構(gòu)的安全性，也就是說，在分析鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性時，不僅需要從整體的角度來分析，而且還需要對其微觀層面進(jìn)行關(guān)注，確保不會出現(xiàn)某一鋼構(gòu)件受損的情況，從而最大程度提高鋼結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

第三，鋼結(jié)構(gòu)有著相關(guān)性。鋼結(jié)構(gòu)的相關(guān)性與整體性是密切相連的，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否能夠有效地發(fā)揮各自的功能和作用，和其安全性、穩(wěn)定性有著密切的關(guān)系，一旦中間有一環(huán)存在風(fēng)險(xiǎn)，就會給整體的安全帶來威脅。特別是對于采用多種連接方式連接到一起的鋼結(jié)構(gòu)，更需要注意其各個連接部位有無缺陷，否則會對鋼結(jié)構(gòu)的整體產(chǎn)生非常大的影響。

三、 建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析方法

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析方法主要是針對在外部荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形的情況下進(jìn)行的，這種變形應(yīng)當(dāng)和所研究的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性失衡時導(dǎo)致的變形所對應(yīng)。常用的對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析的方法主要有以下幾種：

1、平衡法

平衡法也稱中性平衡法或者靜力平衡法，這是一種最基本的計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極限荷載的方法。對于有平衡分岔點(diǎn)的彈性穩(wěn)定問題，在分岔點(diǎn)的附近會存在兩個相對比較臨近的平衡狀態(tài)，其一是原結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)，其二則是已經(jīng)出現(xiàn)微小變形的結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)。而平衡法就是依據(jù)這一已經(jīng)產(chǎn)生微小變形后結(jié)構(gòu)的受力條件而建立的平衡方程來求解的，如果通過計(jì)算得出的解不止一個，則當(dāng)中的最小值才是該結(jié)構(gòu)的分岔屈曲荷載。通常情況下，建筑設(shè)計(jì)人員往往只需要計(jì)算出鋼結(jié)構(gòu)的屈曲荷載，因此，作為較為精確的計(jì)算方法，平衡法被廣泛應(yīng)用。但需要說明的是，平衡法只能對屈曲荷載進(jìn)行求解，并不能對鋼結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和判斷。

2、動力法

在平衡狀態(tài)下的鋼結(jié)構(gòu)體系，如果受到來自外界的微小干擾時，很容易會發(fā)生振動現(xiàn)象，此時就需要采用動力法來分析鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。具體而言，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)的荷載小于穩(wěn)定的極限值時，鋼結(jié)構(gòu)的變形方向和加速度方向正好相反，因此，當(dāng)外界干擾撤銷之后，運(yùn)動會逐漸靜止，此時鋼結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的；而當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)的荷載大于穩(wěn)定的極限值時，鋼結(jié)構(gòu)的變形方向和加速度方向正好相同，因此，當(dāng)外界干擾撤銷之后，運(yùn)動依然會持續(xù)，此時鋼結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)則是不穩(wěn)定的；只有鋼結(jié)構(gòu)在臨界狀態(tài)的荷載才是其屈曲荷載，其可以依據(jù)振動頻率為零的條件解得，實(shí)際上，動力法是一種結(jié)構(gòu)動力的穩(wěn)定問題。

3、能量法

如果在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中鋼結(jié)構(gòu)承受著保守力，并已具備結(jié)構(gòu)變形的相關(guān)受力條件，則可以由此構(gòu)建總的勢能?？偟膭菽苁卿摻Y(jié)構(gòu)的應(yīng)變能與外力勢能相加的和，如果鋼結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)下，則總勢能必然會存在駐值，換而言之，想要計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)的總體勢能，需要滿足鋼結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)下這一前提條件。

四、 結(jié)束語

總而言之，隨著我國建筑工程的不斷發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用也越來越廣泛，因此，建筑設(shè)計(jì)師必須重視鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，并在設(shè)計(jì)階段就采取多種措施來保障其穩(wěn)定性，從而在提升建筑項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的同時，更好地保障人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙銳，鄭文飛，崔德永，聶寧波. 斜拉橋異型鋼結(jié)構(gòu)主塔整體穩(wěn)定性分析[J]. 洛陽理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，01：30-34.

[2]丁亮. 建筑工程項(xiàng)目中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性探究[J]. 四川水泥，2015，04：155.

[3]郭憲剛. 淺議建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)[J]. 山東工業(yè)技術(shù)，2015，12：90.

[4]彭駿，楊海明. 解析影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的一些因素[J]. 中華民居（下旬刊），2014，01：59+61.

[5]蔣景林. 淺議鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性分析[J]. 四川水泥，2014，09：135+141.