建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)方法探討

王曉亮 張俊生

1.弘藝規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)有限公司

2.大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院

1 前言

在建筑工程技術(shù)漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程中，鋼結(jié)構(gòu)占據(jù)重要地位，目前，作為一種主流的建筑結(jié)構(gòu)形式，被廣泛應(yīng)用于各類建筑設(shè)計(jì)中，尤其是在廠房、橋梁、機(jī)場(chǎng)、劇院、超高層等大型建筑結(jié)構(gòu)中。在上世紀(jì)，由于鋼材冶煉技術(shù)并不發(fā)達(dá)，建筑用鋼材含碳量較高，其韌性和耐腐蝕性等缺點(diǎn)使得鋼結(jié)構(gòu)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域并不受重視，一度被邊緣化，幾乎淘汰。近年來(lái)，隨著金屬冶煉科技的不斷進(jìn)步，高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕的建筑用鋼材被廣泛生產(chǎn)，鋼結(jié)構(gòu)又重新受到建筑設(shè)計(jì)師的青睞，被越來(lái)越多地使用在各種工程建造中，在減輕建筑物總體結(jié)構(gòu)重量，提高建筑物整體安全性方面起到了積極作用。[1]隨著建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的使用也越來(lái)越廣泛，各種復(fù)雜的使用條件對(duì)其穩(wěn)定性提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，本文將詳細(xì)分析鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)在建筑工程使用的要點(diǎn)和原則，并總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

2 鋼結(jié)構(gòu)的概念

鋼結(jié)構(gòu)顧名思義就是以鋼材作為結(jié)構(gòu)搭建的主要原材料，通過(guò)鋼梁、鋼板、鋼柱等不同的鋼制組件，采用焊接、鉚接等連接手段進(jìn)行拼接組裝，進(jìn)行大型建筑物搭建的建筑結(jié)構(gòu)類型。鋼結(jié)構(gòu)以各類鋼材作為主要材料，與普通混凝土等建筑材料不同，鋼材具有重量輕，韌性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠承受更大的力，因此在大中型建筑物設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造穩(wěn)定，不易變形，能夠?yàn)榻ㄖ锾峁┝己玫陌踩€(wěn)定性。但是，在某些特殊情況下也有可能出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的情況，常見(jiàn)的有以下兩種情況：一種是過(guò)大的壓力直接作用在受力平衡點(diǎn)上，造成結(jié)構(gòu)整體受力不均導(dǎo)致失穩(wěn)。[2]另一種是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于長(zhǎng)期使用，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生金屬疲勞等問(wèn)題，內(nèi)部結(jié)構(gòu)失去支撐作用，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，有必要明確這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性特點(diǎn)，才能在設(shè)計(jì)過(guò)程中有的放矢，避免結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)，發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，使得建筑物中的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)揮更好的作用。

3 鋼結(jié)構(gòu)提高設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的原則

鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的因素，在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐和理論研究中，工程技術(shù)人員總結(jié)出了三條提高鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)原則。

3.1 穩(wěn)定性原則

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性原則要求在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)繪制平面圖樣的階段，要根據(jù)不同筑建物的相應(yīng)要求進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)圖繪制，重點(diǎn)關(guān)注確保鋼結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)圖中的支撐部位，確保支撐部位平面上的穩(wěn)定性。鋼結(jié)構(gòu)平面上的穩(wěn)定性，是整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的核心和基礎(chǔ)，只有確保鋼結(jié)構(gòu)組成構(gòu)件在平面上保持穩(wěn)定，才能在進(jìn)行之后的立體搭建過(guò)程時(shí)，避免出現(xiàn)個(gè)別位置失穩(wěn)的狀況。

3.2 統(tǒng)一性原則

精密的計(jì)算是進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)框架時(shí)，應(yīng)當(dāng)依據(jù)具體框架與框架的平衡關(guān)系確定計(jì)算方法和預(yù)期參數(shù)值，這一步驟是整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受力計(jì)算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但是在實(shí)踐中，很多設(shè)計(jì)者會(huì)過(guò)分依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)直接進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)框架的穩(wěn)定計(jì)算而忽略平衡計(jì)算步驟，這種操作方法缺乏科學(xué)全面的計(jì)算數(shù)據(jù)，容易造成穩(wěn)定關(guān)系計(jì)算錯(cuò)誤，進(jìn)而造成鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)不到建筑物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，從而造成安全隱患。因此，平衡計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算需要同時(shí)進(jìn)行，二者缺一不可，并且應(yīng)當(dāng)達(dá)到統(tǒng)一。

3.3 配合性原則

整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)是由多個(gè)單一鋼結(jié)構(gòu)組件通過(guò)焊接、鉚接、螺絲固定等連接手段組合在一起，最終形成一個(gè)大型建筑結(jié)構(gòu)。[3]因此，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須考慮到各個(gè)結(jié)構(gòu)部件的配合問(wèn)題，不管是大部件還是小部件都需要相互配合，最終才能完美地組合成一個(gè)堅(jiān)固的鋼結(jié)構(gòu)整體。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不能只考慮單一鋼結(jié)構(gòu)組件的穩(wěn)定性，必須綜合考慮所有組件的情況，進(jìn)行精密的組合計(jì)算。各個(gè)組件只有進(jìn)行完美的配合，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的高度穩(wěn)定，最大限度的發(fā)揮各個(gè)零部件的作用，保證結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。

4 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)

4.1 受力設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)的一個(gè)最重要的指標(biāo)就是其受力水平，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的承重負(fù)載能力為首先考慮的問(wèn)題。鋼結(jié)構(gòu)一般采用T 字形或者是L 字形設(shè)計(jì)，這是從結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性考慮，采用這兩種形狀可以很好地分散建筑的整體重量，達(dá)到平衡支撐的目的。在建筑工程實(shí)踐中，鋼結(jié)構(gòu)是建筑物外圍的一種常用結(jié)構(gòu)，對(duì)建筑物起到受力支撐作用。在建筑物整體設(shè)計(jì)中，鋼結(jié)構(gòu)的使用盡量遵循對(duì)稱原則，其目的是讓每個(gè)鋼結(jié)構(gòu)均勻地承受整個(gè)建筑物的作用力，防止個(gè)別鋼結(jié)構(gòu)承受壓力過(guò)大或過(guò)小。[4]除此之外，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)不同部位的受力及穩(wěn)定性要求也不同。例如，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)中不動(dòng)支座的要求是防止位移，因此對(duì)于這部分的支撐能力要求較高，但是對(duì)于鋼梁架，除了要起到縱向支撐作用，還需要考慮在水平位置防止其發(fā)生扭轉(zhuǎn)。鋼結(jié)構(gòu)不同部位的受力特點(diǎn)要在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出來(lái)，避免因考慮不足而出現(xiàn)失穩(wěn)狀況。最后，鋼結(jié)構(gòu)的具體施工操作也非常重要，現(xiàn)場(chǎng)施工人員必須按照設(shè)計(jì)圖來(lái)嚴(yán)格執(zhí)行，盡量減少施工誤差，加強(qiáng)部門間相互配合，嚴(yán)格依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，加強(qiáng)細(xì)節(jié)管理。

4.2 防腐設(shè)計(jì)

建筑物在不同的環(huán)境下使用會(huì)經(jīng)歷不同的自然條件侵蝕，在諸如潮濕、鹽霧等特殊的使用環(huán)境下，由于金屬固有的特性，容易被腐蝕，影響其穩(wěn)定性。通常情況下，金屬材料容易受到電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕兩種不良影響。現(xiàn)代材料科學(xué)針對(duì)建筑用金屬的使用環(huán)境，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了針對(duì)不同環(huán)境條件的防腐蝕涂料。[5]在較潮濕的環(huán)境中，在鋼結(jié)構(gòu)表面涂抹抗腐蝕涂料，可以隔絕水和空氣這兩個(gè)大產(chǎn)生金屬腐蝕的因素，防止鋼結(jié)構(gòu)受到腐蝕。對(duì)于在高鹽度環(huán)境下使用的鋼結(jié)構(gòu)，容易與海水中的鈉離子產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)原理，將金屬材料成為生成物的一方，通過(guò)這種方法可以很好地解決鋼結(jié)構(gòu)腐蝕問(wèn)題，從而保障鋼結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4.3 穩(wěn)定性相關(guān)設(shè)計(jì)

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工的過(guò)程中，除了要完成穩(wěn)定性計(jì)算，還需要加強(qiáng)對(duì)整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)工作，嚴(yán)格的檢測(cè)是確保鋼結(jié)構(gòu)材料合格并達(dá)到設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。臨界壓力計(jì)算方法是預(yù)測(cè)鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用過(guò)程中承受壓力值的常用方法，經(jīng)常用于鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)。[6]當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)承受壓力的測(cè)量結(jié)果超過(guò)臨界值時(shí)，證明其穩(wěn)定性已經(jīng)遭到破壞，需要及時(shí)調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)受力設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)失穩(wěn)狀況。重視鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部各個(gè)零件的受力分析，優(yōu)化零部件受力細(xì)節(jié)，避免出現(xiàn)受力不均勻的問(wèn)題，影響整體的結(jié)構(gòu)安全。

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對(duì)于建筑整體的安全和使用壽命具有決定性的影響，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中要進(jìn)行精密計(jì)算，綜合考慮零部件之間的受力關(guān)系，做好鋼材防腐處理，最大限度地避免鋼結(jié)構(gòu)的短板，發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，從而推動(dòng)建筑設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)步。