淺談建筑工程中鋼結構設計的穩(wěn)定性與設計要點

郭春

（山西省機電設計研究院有限公司，山西太原 030009）

0 引言

在現(xiàn)代建筑工程體系中，鋼結構承擔著框架骨骼的重要支撐作用，其前期設計的合理與否將對建筑整體質量產(chǎn)生極大影響。此外，若鋼結構的設計方案并未滿足工程力學相關要求，無法承受源自內外兩方的壓力負荷，還可能導致其在施工過程中發(fā)生形變崩塌，繼而對施工安全、施工成本、施工效率構成威脅。所以，為了避免相關施工風險的發(fā)生，為建筑工程前期設計環(huán)節(jié)中鋼結構的質量控制提供助力支持，以確保建筑體在建成投用后具備理想的穩(wěn)定性與安全性。

1 建筑工程中鋼結構設計的穩(wěn)定性影響因素

通過經(jīng)驗分析與學術界研究可發(fā)現(xiàn)，基于構成要素、應用功能、施工場景的復雜性特點，建筑工程中鋼結構設計的穩(wěn)定性會受多種因素影響，并以如下幾點最為關鍵：

1.1 受力分布會對鋼結構穩(wěn)定性產(chǎn)生影響

從本質上講，鋼結構就是一種復雜的承力框架，其既要承擔建筑體本身的自重力，還需要承擔剪切力、沖擊力等其他內外應力。在此基礎上，一旦鋼結構的受力分布不夠合理，將會引發(fā)多源性的失穩(wěn)現(xiàn)象。例如，鋼結構的框架體系具有很強嚴謹性，各分支點在高程、間距等參數(shù)上都應保證相互匹配。此時，一旦某個或多個立桿、立柱、橫梁等構件因應力作用而發(fā)生彎曲，或相同參數(shù)規(guī)格的構件長短不一、粗細不均，將直接導致鋼結構分支點的異常變化，繼而破壞鋼結構整體的受力平衡，引發(fā)相應的失穩(wěn)現(xiàn)象。再如，若相關人員只注重局部設計而未考慮鋼結構整體的受力均勻性，將很可能引發(fā)應力堆積的問題出現(xiàn)。這樣一來，作用力在鋼結構中會集中于堆積點進行傳遞，進而導致該點的鋼構件不堪重負，發(fā)生形變、垮塌等失穩(wěn)現(xiàn)象[1]。

1.2 材料質量會對鋼結構穩(wěn)定性產(chǎn)生影響

除了受力分布以外，鋼構件材質也是決定鋼結構整體力學性能的重要指標。通常情況下，在建筑工程的設計與施工中主要會從屈服強度、抗拉強度、疲勞強度、韌性、剛性等維度入手，對鋼材料的性能進行綜合評價，并盡量選擇性能高的類型用于鋼結構搭建。除此之外，由于鋼結構在施工與投用中會或直接、或間接地與外部環(huán)境發(fā)生長期接觸，會面臨水分、氣體、應力等多種因素的侵襲影響，對其穩(wěn)定性、長壽性構成一定威脅。所以，在設計實踐中，相關人員還應盡量提高鋼材料的耐磨性、防潮性、抗腐蝕性、抗氧化性等性能，以便進一步保證鋼結構的整體質量。

1.3 施工工藝會對鋼結構穩(wěn)定性產(chǎn)生影響

現(xiàn)階段，業(yè)內普遍應用的建筑鋼結構連接方式主要有三種，即焊縫連接、螺栓連接與鉚釘連接。在這些連接方式的設計與實踐中，相關人員均應做好工藝上的精準把控。若連接方式與材料性能、承力需求存在偏離，或焊接程序、螺栓型號、鉚釘分布等設計不甚合理，將會造成構件連接質量的大幅削弱，形成相應的鋼結構失穩(wěn)風險。此外，在確定連接工藝后，如果后續(xù)施工活動缺乏嚴格的工藝標準、技術程序作為約束與導向，也可能引發(fā)虛焊、過焊、螺栓未旋緊等問題，對鋼結構穩(wěn)定型設計的落實質量造成削弱。

1.4 施工環(huán)境會對鋼結構穩(wěn)定性產(chǎn)生影響

建筑工程所處施工環(huán)境的整體條件存在很強波動性與特殊性，其對鋼結構穩(wěn)定性的影響作用也不甚相同。例如，當某施工場地的土壤質地過于疏松、細軟時，若相關人員未做好基礎部分的強化設計，很可能致使鋼結構在施工、投用中受到下方土地的沉降影響，降低鋼結構穩(wěn)定性的維持與保障能力。再如，不同地區(qū)地震災害的發(fā)生頻次與作用強度不甚相同，因此其對建筑體抗震等級的要求也存在一定差異。在此背景下，若相關人員未在鋼結構設計中考慮到抗震方面的實際需求，也會對鋼結構施工與投用的穩(wěn)定水平產(chǎn)生負面影響，降低設計成果的合理性與長效性。

2 建筑工程中鋼結構設計的穩(wěn)定性保障原則

2.1 系統(tǒng)化原則

在建筑工程的前期設計實踐中，相關人員必須要堅持系統(tǒng)化的設計原則，既要將鋼結構的受力體系視為一個整體系統(tǒng)，嚴格保證鋼結構各部位受力分布的協(xié)調性，實現(xiàn)應力傳遞與作用的相對均衡。同時，也要做好材料、工藝、結構等要素的統(tǒng)籌兼顧，在最大限度避免各要素的選用沖突。例如，依據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》（GB 50017—2017）的標準規(guī)定，用于焊接的鋼材料含碳量不應超過0.2%。究其原因，主要是含碳量過高會導致鋼材塑性下降，進而降低焊接質量，不利于鋼結構穩(wěn)定性的有效保障[2]。

2.2 精細化原則

在鋼結構設計中，相關人員既要從系統(tǒng)整體出發(fā)，對鋼結構的受力分布、要素配合提起重視，也要堅持精細化原則，對不同結構部位、不同設計環(huán)節(jié)的具體情況加強關注。例如，當鋼結構受到應力侵襲并形成實質性損傷時，若受損部位為梁部，則屬于局部性的破壞，對鋼結構整體的影響相對較低；若受損部位為柱部，則屬于支撐性的破壞，極有可能對鋼結構的整體安全產(chǎn)生嚴重影響，引發(fā)大規(guī)模的垮塌事故。所以，在設計實踐時，相關人員必須要考慮到梁與柱兩種主要部位的重要性差異，進而制定出“強柱弱梁”的設計方案，以提高鋼結構中柱部的“相對安全性”，降低建筑體在地震、沖擊等強烈應力作用下的倒塌概率。此外，在計算鋼結構受力參數(shù)、選擇鋼結構材料規(guī)格、設計鋼結構搭建形狀等工作中，相關人員也應嚴格做到精細化、精準化，全面遵循《鋼結構設計規(guī)范》（GB 50017—2017）、《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》（JGJ 99—2015）、《鋼結構高強度螺栓連接的設計、施工及驗收規(guī)程》（JGJ 82—91）等規(guī)范標準的各項要求，以全面保證鋼結構設計成果的科學性、合規(guī)性。

2.3 適宜性原則

適宜性原則既表現(xiàn)為建筑工程中鋼結構與應用場景的適宜性，也表現(xiàn)為鋼結構投入成本與質量需求的適宜性。一方面，相關人員應根據(jù)具體的環(huán)境質量、區(qū)域特點，對鋼結構的各項抗震性能進行針對化設計，并盡可能做到“小震不壞，中震可修，大震不倒”。例如，阻尼比這一鋼結構性能參數(shù)的設計運算方面，我國《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）中做出了如下規(guī)定：在施工環(huán)境多發(fā)地震的情況下，若鋼結構高度未超過50m，則阻尼比可選0.04。若鋼結構高度在50～200m 之間，則阻尼比可選0.03。若鋼結構高度超過200m，則阻尼比應選為0.02；在施工環(huán)境罕有地震的情況下，鋼結構彈塑性分析中的阻尼比可選0.05。另一方面，相關人員在設計鋼結構時，應盡量做到“夠用為度”，而不是盲目追求鋼材料的優(yōu)質性與連接工藝的先進性。這樣一來，可在保證鋼結構穩(wěn)定性符合建筑工程要求的前提下，從源頭上提高施工活動的成本控制質量，為相關單位經(jīng)濟效益的保障提供有力支持。

3 建筑工程中鋼結構設計的穩(wěn)定性把控要點

在建筑工程中，要想做好鋼結構設計穩(wěn)定性的有效把控，應落實好以下幾方面：

首先，做好參數(shù)、材料、工藝等方面的科學把控，全面保證鋼結構設計方案的基礎質量。在參數(shù)方面，相關人員可做好靜力法、動力法等運算方法的靈活運用，基于建筑工程中鋼結構的具體受力條件建立平衡微分方程，明確常規(guī)狀態(tài)下鋼結構整體與局部的臨界負荷，或對鋼結構在不同應力干擾條件下的荷載變化進行計算，以此得出鋼結構的極限荷載值與塑性形變值，進而對鋼結構的力學性能需求進行設計滿足。在此基礎上，相關人員再對鋼材、連接件等的型號、規(guī)格、力學性能等進行適宜性選用，并做好招標采購、進場檢驗等方面的支持工作，以確保鋼結構的硬件質量達到理想水平。在工藝方面，相關人員則應做好焊縫連接與高強度螺栓連接的綜合應用，并配合管理人員制定出焊接時間、焊接方式、螺栓加固等方面的施工標準、施工程序，從而達成鋼結構各穩(wěn)定性要素的有機協(xié)調[3]。

其次，在保證鋼結構基礎質量的同時，還應在設計層面著力提高鋼結構的綜合性。從目前來看，要想強化鋼材料、鋼結構的長壽性與穩(wěn)定性，應保證其具備良好的防銹、防水、防腐、防火等抗性，在實踐中可主要通過外部涂裝的方式實現(xiàn)。此外，在正式開展防火涂料、防水涂料、防腐涂料等保護材料的涂裝之前，相關人員首先應做好鋼結構表面的除銹清污工作，以避免涂層與鋼結構主體之間留有雜質，形成一定的腐蝕隱患。

最后，可在鋼結構主體設計的基礎上，布置出額外性的加固手段，以此實現(xiàn)鋼結構受力體系的進一步分化，或強化鋼結構的穩(wěn)定支撐性能。現(xiàn)階段，業(yè)內常用的方法有增設預應力拉桿、轉換撐桿式結構等，均能達到加固鋼結構界面承力性能、降低失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生概率的效果。

4 結論

總而言之，在建筑工程的設計施工實踐中，鋼結構的穩(wěn)定性與材料質量、受力分布、施工環(huán)境等多種因素有關。同時，在行業(yè)經(jīng)驗的支持下，鋼結構的穩(wěn)定化設計也并非無跡可循。所以，相關人員在開展建筑鋼結構的設計工作時，務必要堅持精細化、系統(tǒng)化等保障原則，并嚴格保證鋼結構的材料優(yōu)質、受力均衡、因地制宜，以促成鋼結構最終設計方案的全面合理，避免因某一部分的缺陷不足而削弱鋼結構整體的穩(wěn)定性能。