建筑鋼結構設計中穩(wěn)定性的設計方法研究

莫 磊

（山東綠城青和建筑設計有限公司，山東 青島 266000）

在進行建筑結構設計的過程中，需要對鋼結構方案進行合理的評判與對比，這對于提高建筑的質量有著重要的作用，鋼結構的應用也為建筑結構設計帶來了很多新的思路。應用鋼結構進行施工，還能減少對于能源資源的消耗，是與綠色設計的理念相符的，對于建筑施工質量與效益的提升都有著積極的作用。下面就對建筑結構設計中鋼結構設計方法進行分析。

1 建筑鋼結構的設計原則

在進行鋼結構設計的時候，為了保證其穩(wěn)定性與建設質量，需要堅持一些原則。第一點，穩(wěn)定性，在進行設計的時候，必須要充分考慮建筑結構本身的特征、施工的要求，還有設計的具體要點等，在圖紙上必須要準確的標明鋼結構的支撐位置。而在設計好結構穩(wěn)定性核心以后，還要考慮它的穩(wěn)定性以及立體搭建要點，這對于建筑質量的影響很大。第二點，統(tǒng)一性，在進行鋼結構框架設計以前，應該先對預期的參數(shù)數(shù)值進行準確的計算，要靈活的采用科學、適當?shù)挠嬎惴椒▉泶_定剛結構的穩(wěn)定。第三點，配合性，建筑結構的鋼結構是由很多的鋼結構部件焊接或者螺絲等方式進行連接固定以后形成的，所以在進行結構穩(wěn)定性設計的過程中，必須要考慮各方面的因素，將單一組件的功能體現(xiàn)出來，同時要保證統(tǒng)一性，能夠保證結構設計的質量。

2 建筑鋼結構設計歸納

2.1 鋼結構含義說明

所謂的建筑鋼結構，也就是利用鋼材來做成建筑的主體結構，這種結構形式是非常常見的。鋼的強度比較高，內部組織接近各項同性體，有著良好的剛度，而且有著很強的變形能力，適用于跨度比較大，或者是高聳型的建筑。相關研究顯示，鋼結構是比較符合工程力學的，它有著良好的韌性，即使變形，也可以承擔很大的載荷。使用鋼結構能夠減少工期，有效提升工程建設的質量與效率，比較適應那些機械化程度高的生產(chǎn)活動，能夠保證其精度，有著很大的應用空間。

2.2 建筑工程鋼結構設計不穩(wěn)定性分類

對鋼結構進行設計的時候，對于失穩(wěn)類型的識別是相當關鍵的，這是估算結構穩(wěn)定承載力的重要依據(jù)。通常鋼結構設計主要有三種類型的失穩(wěn)。

（1）分支點失穩(wěn)。也就是對分叉穩(wěn)定性的平衡，比如說對于平板中面的優(yōu)化、直桿軸心因為受力而出現(xiàn)的曲折等。（2）極值點失穩(wěn)。這種情況并不是因為分叉出現(xiàn)穩(wěn)定性問題造成的，比如說利用鋼材料制作的偏心受壓鋼構件，因為塑性超過了某個極限結果失去了穩(wěn)定性，這就屬于是極值點失穩(wěn)。（3）躍越屈曲失穩(wěn)。這種失穩(wěn)是和平衡分叉點以及極值點都是沒有關系的，而是結構從一個穩(wěn)定的平衡狀態(tài)轉換到另一個穩(wěn)平衡狀態(tài)出現(xiàn)的失穩(wěn)。

以上就是三種傳統(tǒng)的失穩(wěn)類型，不過隨著相關研究的不斷深入，也有了新的分類方法。比如說進行軸心受壓設計的時候，在施工期間可能會出現(xiàn)初彎，荷載效果點也可能產(chǎn)生一定的偏心。對于這種缺陷產(chǎn)生的原因，還有待進行更深入的分析研究。

2.3 建筑工程鋼結構設計的特征

建筑工程鋼筋設計的基本特征就是整體性，多樣性以及相關性，下面就對這幾種特征進行了詳細地分析與講解。

（1）整體性。鋼結構作為一個整體，它是由很多的構件所組成的，一旦其中的一部分結構出現(xiàn)變形的話，鋼結構整體都會受到影響，這種影響還會影響到周邊的圍護結構。所以設計是具有整體性的；（2）相關性。失穩(wěn)有著不同的模式，且相互之間又會存在著耦合性，一旦某個部分出現(xiàn)變形的話，就會影響到其他部分，還會產(chǎn)生相互的作用，這也就是鋼結構設計的相關性的體現(xiàn)；（3）多樣性。對于建筑鋼結構的設計，往往都會與鋼結構的穩(wěn)定性有關，尤其是那些鋼結構受壓的部位，更是要分析它的穩(wěn)定性，這是很關鍵的。有些部分屬于是非受壓部位，一旦出現(xiàn)結構變形的話，就會變成受壓形態(tài)，這樣就會影響到整個結構的穩(wěn)定性。

3 對于建筑項目鋼結構存在缺陷的分析

3.1 鋼材本身具有缺陷

如今市場上的鋼材有著很多不同的種類，或多或少都會有一些缺陷，鋼材的質量受到很多因素的影響，比如說冶煉、澆筑或者是軋制等，這些對于剛才質量都會產(chǎn)生很大的影響。

（1）鋼材在化學成分上的缺陷?；瘜W成分對于鋼材來說有著很大的影響，比如低碳鋼，它的主要化學成分有八種，分別是碳、錳、硅、硫、磷、氧、氮、氫，在這其中碳、錳、硅是有益的元素，對鋼材性能有積極的影響；硫、磷、氧、氮、氫屬于有害性元素，因此從這種角度來看，鋼材在制作過程中的化學成分應該受到嚴格的控制。（2）鋼材的耐熱與耐腐蝕性能不好，生產(chǎn)制作過程不當會存在裂紋。

3.2 鋼結構的缺陷研究

因為鋼材都會有些缺陷，因此，在進行建筑鋼結構設計的時候，就必須要進行必要的防范，這樣導致增加成本。

（1）在耐熱方面的缺陷，鋼結構有著一定的耐熱性，不過溫度一旦超過150 ℃的話，就會導致鋼材的強度大幅降低，往往就會產(chǎn)生形變，一般的應對措施就是為其設置隔熱層。（2）鋼結構是沒有耐火性的，所以對于建筑鋼結構設施必須要設置好防火保護措施，防止出現(xiàn)意外事故。

（3）鋼結構有著很高的強度，可不代表鋼結構制造的構件強度很高，如果鋼結構采用冷彎薄壁的形式，這些構件的橫截面積比較小，如果承受了較大荷載，就可能發(fā)生形變，無法保證其穩(wěn)定性以及強度。

4 鋼結構設計中穩(wěn)定性的設計方法

4.1 穩(wěn)定性設計要點

（1）結構選型。為了提高建筑鋼結構的穩(wěn)定性，在選擇結構類型的時候，需要考慮下面幾個原則，首先，在鋼結構平面上要盡量做到對稱、規(guī)整，并且比較簡單，而且要盡可能使剛度和質量的中心重合到一起，這樣在遇到地震時，可以防止結構出現(xiàn)扭轉效應，保證結構的安全性。其次，盡量不要使用角部重疊或者是細腰型的鋼結構，也不能使用內凹、外凸型的，設置的鋼結構構件必須是上下貫通的，鋼結構底部一般采用L型、T型以及U型幾種結構，這樣可以減輕自然災害帶來的影響，使結構更加的穩(wěn)定。

（2）防腐設計。降雨、日照或者是大霧，對于鋼結構也會產(chǎn)生影響，會導致其受到腐蝕，降低結構的穩(wěn)定性。對于建筑鋼結構來說，比較常見的情況就是電化學腐蝕。為了應對腐蝕情況，需要根據(jù)地區(qū)的實際環(huán)境條件為鋼結構設置相應的抗腐蝕性表面涂料，確保其在高溫、高濕環(huán)境下也可以有良好的耐腐蝕性。

（3）構件設計。對于鋼結構來說，構件設計對其穩(wěn)定性的影響是很大的。首先應用的型鋼材料必須符合鋼結構設計標準的要求，同時還能夠滿足建筑鋼結構在節(jié)點連接上的需要。其次，在對構件進行安裝的時候，要確保其整個結構都是平衡的，這樣結構的力學傳導以及擴散性才會比較好。最后，要合理的運用二階法，使得柔性結構也能有足夠的穩(wěn)定性，就算有了一定的形變，對于結構的影響也可控制在可以接受的范圍內，而不會對結構安全產(chǎn)生過大影響。

（4）加固設計。首先，需要加固構件的截面，在進行設計的時候，可以一個桿件受彎設計成多個受彎，分散集中載荷，這樣就可以對鋼結構頂部的支撐力進行調整。對于支座和筒支進行連接的位置使用鋼結構，并通過撐桿來進行支撐，同時還要對鋼結構的連續(xù)結構位置進行一定的調整，確保預應力拉桿可以為結構提供界面內力。其次，要加固節(jié)點部位。需要對鋼結構的受力情況，施工的條件以及要求等進行分析，通過焊接鉚釘或者是螺栓的方式來加固銜接位置，有必要的話也可以進行混合連接，將高強螺栓的優(yōu)勢體現(xiàn)出來。就比如說珠港澳大橋，它的鋼結構E39與E30就是通過楔形結構連接起來的，大橋的底板、頂板以及界面的寬度與高度依次是9.6 m、12 m、37.95 m和11.4 m，使用的結構是對稱型的，為倒直角體形，鋼結構的形式是“三明治”形，這是一種新型的，能夠保證建筑鋼結構穩(wěn)定性的設計思路。

（5）防火設計。建筑鋼結構缺少耐火性，一旦環(huán)境溫度超過540 ℃，鋼結構負載能力就會快速的降低，結構也會失去平衡穩(wěn)定性。所以對于鋼結構防火設計，首先就是要使用具有良好防火性能的涂料，有比較高的粘性，要有很厚的涂層，使其具有良好的阻燃性，也就能夠賦予鋼結構更強的防火性能。其次，在施工的過程中，可以采用防火板來保護鋼結構，對鋼結構進行包敷保護，提高鋼結構的防火性能。

4.2 穩(wěn)定性計算方法

（1）分析阻尼數(shù)值。要想鋼結構有良好的穩(wěn)定性，就需要對阻尼數(shù)值進行分析，阻尼比的波動一直都比較穩(wěn)定的話，鋼結構才會有比較好的穩(wěn)定性。

（2）判定長細比。在進行鋼結構設計的時候，結構的穩(wěn)定性會隨著長細比判定數(shù)值的增加而降低。所以在進行設計時，必須要根據(jù)設計規(guī)范要求，對相關的因素進行全面的考慮，要做好對于長細比的分析工作。對于長細比的分析，比較常用的方法就是計算和幾何方法，必須要對長細比進行合理的控制，不能超出承載力范圍，這樣獲得的參數(shù)才會比較準確，才可以用來進行鋼結構設計，保證它的穩(wěn)定性 。

（3）靜力設計法。這種方法是根據(jù)鋼結構穩(wěn)定性的最大承載力來計算它的彈性系數(shù)。當應用這種設計方法的時候，首先基本的要求就是力學模型要與結構相符，這樣才可以確定使用哪種微分方程。其次，如果鋼結構材料的應變和應力是和胡克定律的線性關系相符的話，就可以采用靜力計算法。還有一點就是，需要靜力計算模型可以將結構的彈性受力準確地反映出來。最后，要進行合理的施工操作，確保施工精度。

（4）動力設計法。根據(jù)鋼結構的動態(tài)穩(wěn)定性展開的設計和分析。如果采用這種設計方法的話，首先需要鋼結構應力，可以將震動加速和結構變形準確地反映出來，能夠體現(xiàn)出鋼結構的輕微震動。其次，采用這種設計方法，可以對加速度和結構型面方向之間的關系進行平衡，假如靜態(tài)荷載數(shù)值出現(xiàn)變化，結構也會處于靜力穩(wěn)定狀態(tài)。第三點就在于如果鋼結構的形變方向和加速度是一致的話，就代表著這個結構能夠承載最大的負載，通過應用動力設計法，就可以消除干擾，鋼結構就會變得相對穩(wěn)定。最后還可以按照結構的載荷判斷靜態(tài)和動態(tài)之間的界限，同時將臨界載荷歸類為不穩(wěn)定的負荷，然后可以假設振蕩頻率是零來分析鋼結構的穩(wěn)定性。

（5）塑性設計法。塑形設計法指的是，標準塑性載荷與安全系數(shù)的乘積要大于鋼結構的構件強度。首先，在鋼結構內部強度的構造分析中，會運用一階塑性分析或剛性分析。其次，在重新分配結構內力時，可運用塑性設計法，使材料結構能夠符合結構可塑性的分析要求。最后，在對法蘭尺寸及限制橫截面進行設計時，可運用塑形設計法來反映鋼結構材料的范圍，并準確凸顯其穩(wěn)定性結構的特點，提升結構安全度。

4.3 穩(wěn)定性設計中需要注意的問題

在對建筑進行鋼結構設計的時候，一般將鋼結構區(qū)分為高層建筑和多層建筑。比如說別墅就屬于是多層建筑，而寫字樓往往是高層建筑。而對于高層建筑和多層建筑，分別有著相應的標準和規(guī)定。區(qū)分高層建筑和多層建筑大致可按40 m（層數(shù)12層）分界。在布置鋼結構的時候，不能只是考慮奇特的建筑造型，這樣就很難保證建筑的抗震能力。所以在布置鋼結構平面的時候，平面宜對稱布置，且規(guī)則，這樣在遇到地震的時候能夠保持其足夠的穩(wěn)定性，而不會受到太過嚴重的破壞。如今，各個領域都在應用各種各樣的計算機軟件技術，建筑行業(yè)對于鋼結構的設計，同樣也需要應用計算機分析軟件進行輔助。利用計算機軟件可以更好地計算鋼結構的平面構件的強度以及它的穩(wěn)定性，準確性更高，也更有效率，有助于提高設計質量。

5 結語

鋼結構的優(yōu)點在于其良好的結構強度，自身的重量也較輕，但對穩(wěn)定性的設計要求較高，對于穩(wěn)定性設計，通過對長細比的判斷，還有對阻尼系數(shù)的分析，綜合的應用各種不同的設計方法來進行設計，將鋼結構的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，可有利于實現(xiàn)建筑工業(yè)技術的集成化和產(chǎn)業(yè)化?？梢杂行Ы档吞寂欧?，環(huán)保性能更好。另外，鋼結構還有鋼材容易拆除，可回收的優(yōu)點，提高了材料的重復利用率。