建筑工程中鋼結構設計的穩(wěn)定性原則及設計探討

孟雷

眾所周知，建筑工程設計是一項系統(tǒng)性較強的工作，其中穩(wěn)定性設計是鋼結構設計中較為重要的內容，必須嚴格遵循相關規(guī)范，結合建筑工程具體情況，充分考慮各項因素，精準進行受力分析。鋼結構的承載力較強，通常都會因為失穩(wěn)發(fā)生破壞，因此確保結構穩(wěn)定性才能真正滿足建筑使用要求。然而在實際工作開展中，鋼結構失穩(wěn)現(xiàn)象并不罕見，主要原因在于設計質量不高、設計方案不完善、設計人員專業(yè)素質較低，必須在材料選擇和鋼結構設計上下足功夫，以便提高設計水平，為建筑施工提供可靠依據(jù)，竭力避免鋼結構失穩(wěn)問題的產(chǎn)生，維護建筑運行的安全穩(wěn)定性，為大眾創(chuàng)造舒適化、便捷化的生活居所。

1.鋼結構失穩(wěn)的分類情況和產(chǎn)生原因

從設計角度分析鋼結構的失穩(wěn)問題，有針對性地加以防控，是避免類似不良現(xiàn)象在建筑工程設計階段重復發(fā)生的有效措施。鋼結構失穩(wěn)大致包含以下幾類情況：（1）分支點失穩(wěn)，是由分支點結構設計不合理引發(fā)的失穩(wěn)問題，鋼結構的荷載是有限的，當實際荷載超過了結構的最大承載力，受力平衡被打破，鋼結構穩(wěn)定性就會遭到破壞。（2）極值點失穩(wěn)，在異形承載和非對稱結構設計中，作為偏心受壓的鋼結構承載能力不足，穩(wěn)定性變差，將持續(xù)發(fā)生變形，進而出現(xiàn)失穩(wěn)問題。（3）躍越失穩(wěn)，指的是鋼結構的平衡形式突然出現(xiàn)跳躍式的變化，如從受壓變?yōu)槭芾?，原有平衡必將被打破，發(fā)生失穩(wěn)破壞，給建筑安全造成嚴重威脅?？梢婁摻Y構穩(wěn)定性與否受到荷載的影響極大，需要準確計算鋼結構的承載能力，對構件屈曲后性能變化趨勢進行預測，加強鋼結構的穩(wěn)定性設計，確保達成整體性能目標[1]。

建筑工程鋼結構設計工作的不足之處主要有：（1）設計人員的實地考察不到位，對于施工現(xiàn)場的環(huán)境因素缺乏必要了解，僅僅根據(jù)以往經(jīng)驗和項目資料進行鋼結構的設計，極易造成鋼結構的性能不佳，無法滿足建筑運行要求，在一定程度上增加了失穩(wěn)問題出現(xiàn)的概率。（2）設計人員的專業(yè)化水平較低，責任心不強，不能嚴格遵守鋼結構設計規(guī)范開展設計工作，對于鋼結構失穩(wěn)的原因掌握不夠全面，采取的應對措施不具有針對性，破壞了建筑整體結構的穩(wěn)定性。（3）鋼結構的穩(wěn)定性設計與防火、防腐、抗震等設計缺乏協(xié)同性，若考慮不夠全面，建筑抗震性能沒有達到規(guī)定要求，會誘發(fā)鋼結構失穩(wěn)問題，當?shù)卣饋砼R時，建筑在短時間內迅速坍塌，用戶很難順利逃生，釀成的危害不可估量[2]。

2.鋼結構設計穩(wěn)定性原則

一般來說，充分考慮建筑不同體系及構件的穩(wěn)定性需求，按照特定方法進行結構承載力的計算，做好穩(wěn)定性分析，結合實際情況科學布置平面體系，保證結構受力平衡，增強結構的承載能力，這樣鋼結構的穩(wěn)定性才能得以維系。

2.1 保證結構穩(wěn)定

由于建筑工程鋼結構的設計難度偏高，任何一項因素考慮不到位都有可能引起失穩(wěn)問題，因此需要積極應用現(xiàn)代信息技術開展設計工作，加強設計人員與其他單位部門的溝通，了解業(yè)主方的真實需求及施工方的技術水平，不斷優(yōu)化設計方案，控制數(shù)據(jù)誤差值。運用先進軟件作為建筑設計的輔助工具，有利于及早發(fā)現(xiàn)鋼結構穩(wěn)定性與承載力不足的問題，經(jīng)過對設計方案的持續(xù)優(yōu)化，將促使鋼結構設計達到相關標準，結構穩(wěn)定性大大增強，有效保障了建筑用戶的人身安全。

2.2 結合鋼結構剪力

我國建筑行業(yè)正保持著迅猛發(fā)展態(tài)勢，不規(guī)則形態(tài)的建筑成為一種潮流，給大眾帶來了更加新奇的審美體驗，突出表現(xiàn)在斜柱的運用上，給鋼結構穩(wěn)定性設計提出了更高要求。設計人員應該在設計圖紙上清晰標注斜柱的位置，充分意識到其會受到來自水平和垂直方向的共同作用，科學計算該構件受到的壓力，受力分析越準確，鋼結構設計依據(jù)就會越發(fā)完善，保持斜柱的受力平衡，進而滿足鋼結構穩(wěn)定性設計要求[3]。

2.3 遵循強柱弱梁

地震災害對建筑會造成毀滅性的打擊，突然受到外界施加的極大應力，梁和柱會依次遭到破壞，等到柱子出現(xiàn)明顯損傷時，整個建筑距離坍塌也為之不遠。這就要求在進行建筑工程鋼結構設計時能夠遵循強柱弱梁的原則，主要目的在于將荷載分散，讓塑性鉸出現(xiàn)在梁上，延緩柱結構受到破壞的時間，這與建筑抗震設計理念相符。地震發(fā)生時，柱結構堅持時間越長，建筑整體遭到的破壞越小，在鋼結構穩(wěn)定性設計中這一點要著重加以考慮。

3.建筑工程中鋼結構設計要點

3.1 荷載設計

相比較不規(guī)則形態(tài)的設計來說，采用對稱、貫通的方式布置鋼結構，可使其更好地抵御扭曲形變作用，應該確定鋼結構的基準線，思考有哪些因素會影響到鋼結構的穩(wěn)定性，分別采取對應的措施，以增強結構設計質量。具體設計中還應考慮一些特殊情況，例如，不動鉸支座要阻止梁發(fā)生位移，可允許其在平面內轉動，可是單純地考慮這點遠遠不夠，無法保證鋼結構的受力均衡，可能會在建筑運行期間出現(xiàn)其他不良現(xiàn)象。應該阻止梁繞縱軸扭轉，同時，梁端截面可以自由翹曲，這是鋼結構穩(wěn)定性分析的臨界條件，會使得到的結果更加精準，建筑整體穩(wěn)定性有所提高。

3.2 材料選擇

建筑施工質量受到材料的影響較大，市面上的材料質量參差不齊，材料采購和進場時的檢查往往會被忽視，保管也不夠細致，因材料造成的鋼結構失穩(wěn)應重點防范。在選擇鋼材時，應基于結構穩(wěn)定性需求出發(fā)，保證材料的質量性能較優(yōu)，符合本工程使用需求，能夠為增強鋼結構的穩(wěn)定性增添助力。設計過程中還要進行科學的受力分析，維持建筑各部分結構受力的平衡，認真檢查鋼材，運用先進合理的焊接工藝將構件進行連接，提高焊接質量，將鋼結構聯(lián)結成為一個有機整體，將受到的應力迅速分散，有利于建筑總體承載力的提升，增強鋼結構的抗壓、抗拉能力，始終保持受力均衡，建筑運行就會更趨于安全。

3.3 防火設計

溫度變化對鋼結構穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為：（1）彈性變形，在溫度升高后，鋼結構構件產(chǎn)生膨脹，在溫度降低之后，能恢復到原狀。（2）塑性變形，在溫度變化之后，鋼材產(chǎn)生變形不能恢復到原狀，產(chǎn)生了永久變形。防火設計同樣是鋼結構設計中不容忽視的問題，在挑選防火材料和防火涂料時要對建筑工程的防火等級予以明確，一切都要從建筑工程的實際情況出發(fā)，確保這些施工材料能夠真正滿足建筑施工所需，達到建筑的防火標準，對火災進行有力防控。如板材、鋼材都要質地堅硬，強度夠高，防火材料除個別節(jié)點外，所有構件均需涂抹，以進一步增強材料的防火性能，促使整個鋼結構的防火水平邁上一個新臺階。此外，防火涂料要緊密黏結在鋼材上，形成厚厚的一層保護層，這就要求防火涂料具有良好的黏結力，且要達到一定厚度。

3.4 防腐設計

鋼材在長時間與空氣和水分接觸后容易生銹，嚴重削弱了鋼材的性能，因此，除了需要對鋼材進行防火處理之外，同時，鋼材的防銹也非常關鍵，需要重視。通過對鋼材進行防腐設計，提升鋼結構的抗腐蝕能力。這是鋼結構設計的重要工作，考慮到鋼材的腐蝕會引起鋼材強度和性能的下降，需要根據(jù)建筑工程所在地區(qū)的氣候、地理、水文環(huán)境，制定科學的鋼材防腐計劃，致力于最大程度減少施工成本，擴大建筑工程的綜合效益。鋼材的防腐有永久性涂裝和非永久性涂裝兩種，前者屬于一次性工程，后者則要在施工完畢后定期對鋼結構進行保養(yǎng)維護，二者的成本和防腐效果均有所差異。在選擇防腐涂料時，需要對比不同涂料的性能和使用效果，還要提前做好市場調研，嚴把涂料質量關，保證鋼材的防腐性能滿足建筑需求，增強鋼結構的穩(wěn)定性[4]。

3.5 抗震設計

地震的發(fā)生會造成結構倒塌、節(jié)點破壞、構件破壞等多種不利局面，結構倒塌主要是因為結構屈服強度系數(shù)和抗彎剛度分布不均，節(jié)點破壞是因為節(jié)點區(qū)的應力集中，焊縫存在缺陷，構件破壞則是因為支撐承受反復拉壓的軸向力作用超出了屈曲臨界力，都會導致鋼結構失穩(wěn)。加強抗震設計是增強鋼結構穩(wěn)定性的重要路徑，設計人員可以按照以下流程進行抗震設計：（1）明確建筑工程鋼結構抗震設計要求，加強建筑屋面板與屋架之間的聯(lián)系，將二者連接到一起。（2）選擇合理的鋼結構支撐方式，優(yōu)化鋼結構抗震設計方案。（3）運用科學的抗震措施，如底部剪力法、反應譜法、時程分析法，與鋼結構穩(wěn)定性設計相關聯(lián)，解決協(xié)同不良的問題，提升鋼結構的抗震能力。

4.結語

總而言之，建筑工程鋼結構失穩(wěn)問題引發(fā)的危害相當嚴重，加強鋼結構穩(wěn)定性的設計至關重要。本文從荷載設計、防火設計、防腐設計、抗震設計的角度重點闡述了相關設計要點，希望能夠對提高鋼結構的承載力和穩(wěn)定性有所助益。近年來，人們對建筑質量、性能、壽命的要求越來越高，加強鋼結構穩(wěn)定性設計對鋼結構安全可靠起至關重要的作用，必須將穩(wěn)定問題作為鋼結構設計的重中之重。