高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全問(wèn)題探微

吳俊杰

摘 要：當(dāng)前建筑行業(yè)快速發(fā)展背景下，鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑中應(yīng)用可以有效提升建筑整體施工質(zhì)量，這就需要設(shè)計(jì)師在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分考慮到安全問(wèn)題，促使設(shè)計(jì)方案更加科學(xué)合理。隨著中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口城市化進(jìn)程加快，我國(guó)高層建筑建設(shè)持續(xù)空前發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)體系因其本身所具有的自重輕、強(qiáng)度高、施工快等優(yōu)點(diǎn)，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，更具有在“高、大、輕”三個(gè)方面發(fā)展的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。中國(guó)已成為第一產(chǎn)鋼大國(guó)，鋼結(jié)構(gòu)住宅適宜工廠大批量生產(chǎn)，工業(yè)化、商品化程度高，可以將設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、安裝一體化，提高建筑產(chǎn)業(yè)化水平。由此看來(lái)，高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全問(wèn)題分析是尤為必要的，對(duì)于后續(xù)建筑行業(yè)發(fā)展具有十分深遠(yuǎn)的影響。

關(guān)鍵詞：高層建筑；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；安全

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)

1.1 鋼結(jié)構(gòu)的材料優(yōu)勢(shì)

鋼結(jié)構(gòu)主要具備著以下三種優(yōu)勢(shì)：①跨度或者荷載較大的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)廣泛地使用鋼材是因?yàn)樗妮^高的強(qiáng)度。它們能夠有著更強(qiáng)的適應(yīng)性往往是采用了擁有了良好的塑性和韌性的鋼材，它們往往不會(huì)因?yàn)槌d而擔(dān)心斷裂了。鋼結(jié)構(gòu)還擁有著良好的抗震性，這是吸能能力和延性的良好決定的；②鋼材的內(nèi)部組織呈現(xiàn)出來(lái)的幾乎是各向同性。鋼材幾乎是具備著完全彈性的，當(dāng)它們處在一定的應(yīng)力幅度。當(dāng)工程力學(xué)計(jì)算結(jié)果展示出來(lái)的時(shí)候，我們不難發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況和這個(gè)結(jié)果幾乎是相一致的。那么設(shè)計(jì)施工的準(zhǔn)確度就有了保證，除了彈性之外，還主要是材質(zhì)在冶煉過(guò)程中的變化和波動(dòng)的范圍是很小的；③鋼結(jié)構(gòu)所使用的材料是比較單數(shù)的，因此在制造的過(guò)程中就不會(huì)很復(fù)雜。事實(shí)上，混凝與的強(qiáng)度和密度的比值是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼材的比值的。想要在同樣的跨度內(nèi)實(shí)現(xiàn)相同的荷載，混凝土屋架的三分之一到四分之一之間重量就是鋼材替代混凝土所使用的重量，那么在吊裝和運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中就不會(huì)有較大的壓力。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)在建筑上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

鋼結(jié)構(gòu)擁有著磚混結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)在建筑上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，這主要和它獨(dú)特的特征決定的。鋼結(jié)構(gòu)的較輕的自重，良好的延性使得建筑物擁有著良好的抗震性，這是因?yàn)榈卣鹆π?yīng)在建筑質(zhì)量較小的情況下會(huì)變得相應(yīng)小一些，地震效應(yīng)還會(huì)因?yàn)檠有缘牧己眯砸欢ǔ潭壬鲜盏骄彌_。除此之外，在傳統(tǒng)的建造中想要建造較大開(kāi)間就需要較為大跨度和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而如今有了輕質(zhì)高強(qiáng)的鋼結(jié)構(gòu)，在創(chuàng)造開(kāi)放式住宅的時(shí)候就更為方便了。在地域應(yīng)用方面，鋼結(jié)構(gòu)建筑表現(xiàn)出來(lái)了其他結(jié)構(gòu)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。在西部地區(qū)，那里的冬天時(shí)間較長(zhǎng)，因此在建筑施工的時(shí)候就特別困難，想要加快施工速度和提高施工質(zhì)量就可以使用鋼結(jié)構(gòu)，除此之外，它還能夠杜絕了因?yàn)榈蜏貛?lái)的不必要的麻煩。在北方地區(qū)冬季室內(nèi)采暖所需要的時(shí)間是比較長(zhǎng)的，因此外墻的保溫性能就必須要良好。鋼結(jié)構(gòu)就能很好地滿足用戶這一方面的居住需求。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)的不足

我們不難發(fā)現(xiàn)，生活的各個(gè)方面都能看到鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的身影，住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展進(jìn)程也因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)住宅的產(chǎn)生而加快了步伐，它給社會(huì)帶來(lái)了良好的綜合效益。但是，它也存在著一些缺陷。鋼材的腐蝕性較差，嚴(yán)格防護(hù)需要花費(fèi)較多的費(fèi)用和人力。除此之外，鋼結(jié)構(gòu)還需要有隔熱層的保護(hù)，（處在150攝氏度的環(huán)境之中）盡管它有一定的耐熱性。

2 鋼結(jié)構(gòu)中的失穩(wěn)類型

2.1 分支點(diǎn)失穩(wěn)

分支點(diǎn)失穩(wěn)也稱之為平衡分岔失穩(wěn)，分支點(diǎn)失穩(wěn)主要包括直桿、圓環(huán)、窄梁等部位，這些部位在受到外界壓力時(shí)會(huì)導(dǎo)致其支點(diǎn)嚴(yán)重不平衡造成失穩(wěn)現(xiàn)象。在正常情況下，如果鋼結(jié)構(gòu)的軸心受壓構(gòu)件是完好無(wú)損的，那么其端部在遭遇到荷載壓力且低于規(guī)定限值時(shí)，構(gòu)建依然可以維持平直，只會(huì)壓縮變形但不會(huì)造成失穩(wěn)。但是如果端部的承載壓力高于限值就會(huì)導(dǎo)致彎曲，使軸心受壓出現(xiàn)不平衡的情況，也就是平衡分岔穩(wěn)定問(wèn)題。從設(shè)計(jì)角度來(lái)看，這類屈曲破壞是可以被避免的。

2.2 極值點(diǎn)失穩(wěn)

極值點(diǎn)失穩(wěn)與分支點(diǎn)失穩(wěn)有所不同，是無(wú)平衡分岔的問(wèn)題，在建筑工程中屬于常見(jiàn)的問(wèn)題。這主要是由于偏心構(gòu)件的材料所致，偏心構(gòu)件的材料一般都會(huì)使用鋼材，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展后其塑性會(huì)逐漸變得沒(méi)有穩(wěn)定能力，就會(huì)導(dǎo)致平衡形式產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致失穩(wěn)問(wèn)題。在處理極值點(diǎn)失穩(wěn)時(shí)，一般會(huì)將其轉(zhuǎn)變成分支點(diǎn)失穩(wěn)進(jìn)而進(jìn)行處理。

2.3 跳躍性失穩(wěn)

跳躍性失穩(wěn)并沒(méi)有極值點(diǎn)同時(shí)也沒(méi)有平衡分岔點(diǎn)，一般會(huì)出現(xiàn)在扁殼、空間桁架中，這一類失穩(wěn)主要是指扁殼或者是空間桁架在失去穩(wěn)定平衡后從原來(lái)位置跳躍到另外的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，即稱之為跳躍性失穩(wěn)。在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)時(shí)，這種類型的變形是被禁止的，所以需要在計(jì)算承載極限時(shí)，按照臨界荷載來(lái)進(jìn)行。

3 對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全提出的對(duì)策

3.1 加強(qiáng)設(shè)計(jì)規(guī)范管理，理論結(jié)合實(shí)際

設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在開(kāi)著工作之前，要求項(xiàng)目主辦方的負(fù)責(zé)人上傳響應(yīng)的質(zhì)量證書(shū)，通過(guò)向承包單位提供的鋼結(jié)構(gòu)施工設(shè)計(jì)的職業(yè)工作資質(zhì)證明，來(lái)保證工作開(kāi)展的規(guī)范性。此外，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)選擇材料上，要加強(qiáng)安全可靠、滿足使用、經(jīng)濟(jì)可靠的原則意識(shí)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，在考慮荷載性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、連接方法及工作環(huán)境的因素下，進(jìn)行大膽發(fā)揮。對(duì)于材料不可避免的缺陷，要盡可能放大其優(yōu)點(diǎn)，去減少其缺陷，如對(duì)于強(qiáng)度低的初彎曲較大的桿件，應(yīng)盡量避免長(zhǎng)細(xì)比過(guò)長(zhǎng)，提高施工精度等。對(duì)于材料的缺陷，如焊接的影響，焊接的殘余應(yīng)力會(huì)降低結(jié)構(gòu)的剛度且對(duì)疲勞強(qiáng)度有不利的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)要合理布置焊接的位置，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)暮缚p尺寸，焊縫不宜過(guò)分集中，應(yīng)盡量避免三向焊接相交，還應(yīng)考慮鋼板的分層問(wèn)題。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的特點(diǎn)和要求，要考慮合理的方案，應(yīng)具有相應(yīng)的可行性和安全性，避免給施工人員造成不必要的麻煩，如標(biāo)注要清晰。都要符合相應(yīng)的基本設(shè)計(jì)規(guī)范。

3.2 提高設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)建能力

在設(shè)計(jì)方案時(shí)，可選用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件模式多種多樣，每種模式都有其相應(yīng)的特點(diǎn)。這就要求設(shè)計(jì)人員要根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的特點(diǎn)，選擇科學(xué)有效的設(shè)計(jì)方式來(lái)全面提升設(shè)計(jì)方案的時(shí)效性，而且設(shè)計(jì)人員要對(duì)圖紙的參數(shù)信息的設(shè)定去反復(fù)實(shí)驗(yàn)和調(diào)整，盡可能的保證其可行性。

3.3 合理利用網(wǎng)絡(luò)，智能化設(shè)計(jì)

在如今智能化的時(shí)代，相應(yīng)的各行各業(yè)的軟件也孕育而生，如BIM、PKPM等軟件的出現(xiàn)，進(jìn)一步推動(dòng)了整個(gè)建筑行業(yè)的發(fā)展，新興軟件運(yùn)用的能力也是設(shè)計(jì)人員應(yīng)具備的能力之一。網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，使得信息能快速共享，應(yīng)多和國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)人員交流，借鑒和學(xué)習(xí)優(yōu)秀的做法，不斷完善提高自身水平及創(chuàng)新思維能力。此外開(kāi)設(shè)土木類專業(yè)的本科高校應(yīng)多注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，開(kāi)設(shè)更多的實(shí)踐課程，提高大學(xué)生的認(rèn)知能力，加開(kāi)相應(yīng)的軟件使用教學(xué)課程也是有必要的，使后備人才的提供得到保障。

4 結(jié)語(yǔ)

高層建筑和超高層建筑作為未來(lái)建筑行業(yè)的主流趨勢(shì)所在，由于建筑自身高度較大，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和抗震能力提出了更高的要求。鋼結(jié)構(gòu)自身重較輕，強(qiáng)度大，可以有效降低高層建筑自重，同時(shí)利用鋼結(jié)構(gòu)自身韌性、可靠性，具有較強(qiáng)的延展性，一旦發(fā)生地震，可以有效提升建筑整體安全性，降低地震能量帶來(lái)的沖擊。鋼結(jié)構(gòu)施工簡(jiǎn)單，在實(shí)際施工中可以有效的提升施工效率和施工質(zhì)量，為建筑帶來(lái)更大的安全保障。

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