建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

王 麗

山西恒達(dá)鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司 山西 太原 030000

從目前的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)判斷，目前的建設(shè)正處在一個(gè)良性的發(fā)展時(shí)期，隨著建設(shè)的規(guī)模和數(shù)量的增長(zhǎng)，需要更多的穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。由于其施工簡(jiǎn)便，工期短，抗震性能好，回收率高，因而越來(lái)越多地被采用。然而，在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，一些設(shè)計(jì)者未能全面地顧及到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際，未能對(duì)其進(jìn)行合理的控制，從而保證其整體的穩(wěn)定和其自身的作用。為此，應(yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原理進(jìn)行合理的界定，并采用合理、合理的方法來(lái)提高其整體的安全、穩(wěn)定性能。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性介紹

在大部分的建設(shè)項(xiàng)目中，鋼結(jié)構(gòu)的形狀和材質(zhì)都是多種多樣的，因此，為了保證鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，必須要從結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上對(duì)其進(jìn)行高品質(zhì)的設(shè)計(jì)，并對(duì)其在使用中的應(yīng)力進(jìn)行全面的研究，然后再對(duì)其進(jìn)行全面的分析，最終達(dá)到安全的目的。

目前，鋼結(jié)構(gòu)已成為許多建筑工程中最常用的結(jié)構(gòu)形式，工人們?cè)谶M(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮到實(shí)際的荷載，又要考慮到不同的構(gòu)件，如何合理地選用不同的構(gòu)件，以最大限度地減小構(gòu)件的承載力和產(chǎn)生的可能，從而保證整體的安全。在進(jìn)行鋼架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注重細(xì)節(jié)，確保各構(gòu)件的受力均衡，從而達(dá)到整體的整體穩(wěn)定[1]。

2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性原則分析

2.1 確定結(jié)構(gòu)安全的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

目前，隨著設(shè)計(jì)信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)穩(wěn)定和應(yīng)力的分配，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要從多個(gè)角度來(lái)綜合考慮鋼構(gòu)件的受力性能。要考慮建筑施工環(huán)境、施工過(guò)程中的荷載因子和水平穩(wěn)定要求等因素，進(jìn)行全面的分析，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，要對(duì)房屋的耐久性進(jìn)行全面的檢驗(yàn)，以保證其在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的耐久性，特別是某些較小的構(gòu)件往往是受力最大的，所以要對(duì)其進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和提高，以保證整體的使用效率。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)的剪力協(xié)同優(yōu)化

隨著建筑結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，建筑結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了不均勻性，并逐步成為一種趨勢(shì)，斜柱體的應(yīng)用也日益頻繁，與豎向結(jié)構(gòu)相比，斜柱比豎向結(jié)構(gòu)的斜拉柱有一個(gè)相對(duì)的傾角，為確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要進(jìn)行合理的剪力。在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)的特定內(nèi)容時(shí)，往往出于簡(jiǎn)化的考慮，將豎向構(gòu)件表示成柱，而對(duì)斜立柱表示為斜撐，這樣的設(shè)計(jì)方法不會(huì)對(duì)房屋的實(shí)際穩(wěn)定產(chǎn)生任何的影響，但如果進(jìn)行調(diào)節(jié)，很可能會(huì)被擾亂。于斜柱來(lái)說(shuō)，雖然可以承受橫向的壓力，但在豎直方向上也要承受一定的壓力，如果設(shè)計(jì)者忽視了豎向的載荷，就會(huì)產(chǎn)生剪切誤差，從而對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定產(chǎn)生不利的作用[2]。因此，在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)工程的實(shí)際情況，如果有必要進(jìn)行剪應(yīng)力設(shè)計(jì)，就應(yīng)遵循剪切調(diào)節(jié)的原理，根據(jù)不同的施工條件，靈活地調(diào)節(jié)剪切力，從而保證鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在實(shí)際工程中，剪力是比較復(fù)雜的，因此，在進(jìn)行剪力計(jì)算時(shí)，必須全面地考慮剪力的影響，并做好相應(yīng)的應(yīng)力調(diào)節(jié)。

2.3 強(qiáng)樁弱梁的構(gòu)造原理

如果鋼制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是實(shí)用的，那么如果它的橫向荷載太大，或要求很大的荷載，那么它就會(huì)發(fā)生在梁體上，如果它的設(shè)計(jì)品質(zhì)不高，它就會(huì)發(fā)生在立柱上。根據(jù)強(qiáng)桿-弱梁法的原理，可以有效地加強(qiáng)鋼架的承載力，從而使其在強(qiáng)度作用下迅速回復(fù)到原來(lái)的水平。當(dāng)前，在鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題上，必須對(duì)其進(jìn)行分析和計(jì)算，以確保其在梁上的表現(xiàn)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，必須考慮到結(jié)構(gòu)與實(shí)際結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)，尤其要重視鋼構(gòu)件的地震作用，使其與施工的結(jié)構(gòu)符合[3]。

3 建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 負(fù)載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意對(duì)稱和上下穿透性，盡量減小扭轉(zhuǎn)等問(wèn)題，增強(qiáng)鋼梁的連續(xù)性和穩(wěn)定性。在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，一般采用 L、 T兩種形式，對(duì)周邊構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)，從而提高其抗彎承載力，確保鋼材的質(zhì)量和使用。此外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從結(jié)構(gòu)剛度、中心設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多個(gè)角度出發(fā)，對(duì)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在抗彎矩的設(shè)計(jì)中，應(yīng)全面考慮橫向承載力，對(duì)其進(jìn)行深層次的研究，以確保其穩(wěn)定。比如，在剪切梁的彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，不動(dòng)鉸鏈支架不僅要在水平方向上進(jìn)行有效的運(yùn)動(dòng)，而且要防止結(jié)構(gòu)發(fā)生偏移，還要保證結(jié)構(gòu)在水平方向上的旋轉(zhuǎn)和橫梁的彎曲，從而提高簡(jiǎn)支梁的整體穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的目的。

3.2 防火設(shè)計(jì)

鋼鐵建筑的防火性能主要靠選擇合適的耐火材料和涂層來(lái)達(dá)到。在進(jìn)行鋼架建筑的消防安全設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先依據(jù)建筑的防火級(jí)別和不同的火災(zāi)類別，對(duì)其進(jìn)行合理的規(guī)劃，并對(duì)所需要的材質(zhì)和涂層進(jìn)行分類，然后再按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行選擇。通常選用厚度較厚、粘結(jié)強(qiáng)度大于0.05 MPa的材質(zhì)作為主要的耐火涂層，而鋼制建筑外層阻燃的主要是硬阻燃板。在選用的時(shí)候，要根據(jù)耐火指標(biāo)的需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶暨x和噴涂，以達(dá)到最好的耐火效果，以防止出現(xiàn)問(wèn)題。在選擇的鋼鐵時(shí)，應(yīng)注意防火檢驗(yàn)，減少對(duì)建材的破壞，確保施工的安全。另外，天花板的裝飾也是一個(gè)值得注意的問(wèn)題。在鋼結(jié)構(gòu)的耐火設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)不同的方案進(jìn)行比較，得出最終的方案，從而達(dá)到最佳的防火效果[4]。

3.3 防腐設(shè)計(jì)

鋼建筑的腐蝕方式有兩種，一是化學(xué)侵蝕，二是電化學(xué)侵蝕，二者都會(huì)對(duì)鋼材的耐用性和強(qiáng)度造成一定的損害，所以在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中必須考慮其防腐的合理性。利用防腐涂料可以有效地抑制鋼構(gòu)件的銹蝕。從建設(shè)和經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，在進(jìn)行防腐蝕的時(shí)候，必須對(duì)其進(jìn)行維修和維修的狀況進(jìn)行全面的研究，從而合理地決定使用的是半永久還是永久的油漆。在進(jìn)行鋼鐵防腐蝕工程之前，要做好市場(chǎng)調(diào)研，根據(jù)不同區(qū)域的天氣情況，合理的進(jìn)行防腐蝕措施，以確保工程質(zhì)量的全面提高。

3.4 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

在鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析中，一般采用了臨界壓解法和折減率方法來(lái)確定其失穩(wěn)和總剛性。而且，在實(shí)際工程中，必須對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，以保證其符合設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性能。在計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)， F為 Fn時(shí)，其彎矩特性接近于零，因此必須對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的穩(wěn)定性分析。在彈性穩(wěn)定性的計(jì)算中，可以采用二次解析法來(lái)進(jìn)行撓度的分析與把握，并利用疊加原則精確地求出其穩(wěn)定度，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[5]。

由于建筑物的梁、柱構(gòu)件的塑性區(qū)域以柱身為主，尤其是下部的柱身最為突出，因此可以通過(guò)增大柱身的截面來(lái)探討其對(duì)整個(gè)體系的穩(wěn)定作用。構(gòu)造模型M1 （剖面大小350X300X10X10mm）、M2 （剖面大小350X250X10X10mm）、M3 （橫斷面大小400X400X10X10mm），并根據(jù)M1的剖面進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)節(jié)。從載荷-變形關(guān)系曲線的坡度可以看出，增大梁的橫斷面大小可以改善 X、 Y向的橫向移動(dòng)，同時(shí)也能降低同樣的載荷水平下的側(cè)傾。M2在最大載荷下 X向最大變形量為91.6 mm, Y向最大變形量為527.7 mm，相對(duì)于M1-Y向的位移量減少， X向的位移量沒(méi)有明顯的改變。由于M2梁的橫斷面稍大于M1，所以其抗側(cè)傾增加的范圍很小，因此，其側(cè)傾降低不顯著，但其極限承載值有一定的增加；M3在極限加載下，最大 X向最大變形量為96.9 mm, Y向最大位移622.1mm，較M4增加8%，約158%，而最大值則增加33%。結(jié)果表明，增大梁的橫斷面大小可以顯著地改善其極限承載力，并且在最大載荷下其延性更好。

4 建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的有效方法

4.1 動(dòng)力法

在平衡條件下，若受外部擾動(dòng)的影響，對(duì)鋼架系統(tǒng)的影響不大，對(duì)其產(chǎn)生的影響也很大。動(dòng)態(tài)方法就是運(yùn)用動(dòng)態(tài)理論來(lái)研究鋼框架的穩(wěn)定問(wèn)題，在一個(gè)很小的作用下，鋼架會(huì)產(chǎn)生一些變形，但這種變形的范圍很小，而且變化很慢，所以可以根據(jù)這一特點(diǎn)來(lái)決定其穩(wěn)定的極限載荷。

4.2 能量法

能量法即鐵木辛柯法,當(dāng)外部載荷大于某一特定的數(shù)值，且總勢(shì)能達(dá)到最大時(shí)，該鋼架的初始位置是不穩(wěn)定的；當(dāng)外加載荷大于某一特定的數(shù)值，且該條件下該鋼架的整體勢(shì)能不發(fā)生變化，當(dāng)該應(yīng)力作用在某一數(shù)值上的時(shí)候，該載荷即為該極限載荷。利用位能駐點(diǎn)理論對(duì)其進(jìn)行臨界載荷的解析，得到了該系統(tǒng)的動(dòng)力平衡方程，并得到了該系統(tǒng)的分叉失穩(wěn)載荷。

5 建筑鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)與不足

5.1 鋼結(jié)構(gòu)的材料優(yōu)勢(shì)

鋼結(jié)構(gòu)是一種用熱軋鋼板、鋼板或沖壓而成的薄鋼板，與水泥等建材比較，鋼的許多優(yōu)勢(shì)在于：首先，鋼的塑性好，強(qiáng)度高，韌性好，適用于高加載及高跨距的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件，而高的延展性、高適應(yīng)性和高韌度使得鋼材在承受動(dòng)載荷時(shí)不易由于過(guò)載而發(fā)生故障，同時(shí)鋼材還具備較強(qiáng)的吸能性能和較高的伸縮性，從而賦予鋼材極佳的耐震性能。

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

在工程上，鋼筋所具備的獨(dú)特特性是磚混結(jié)構(gòu)和水泥結(jié)構(gòu)所沒(méi)有的。第一，鋼材具有優(yōu)良的強(qiáng)度和較好的韌性，因而具有優(yōu)良的內(nèi)部構(gòu)造，因而具有優(yōu)良的抗震能力，由于其整體的體積較小，因而具有較低的抗震能力，其較佳的延展能力能夠減輕地震影響；第二，鋼筋也能節(jié)約建筑面積，在混凝土澆筑時(shí)，管子是穿過(guò)橫梁的，因此，其占地面積較大，因此，樓層至頂棚之間的凈距大大縮短；若在梁腹開(kāi)放的管內(nèi)，采用鋼管行走于同一樓層，其層間效果的凈值也會(huì)增加。另外，相對(duì)于常規(guī)的建筑，建造大面積的房屋，僅需使用高強(qiáng)度鋼材即可，因此，鋼鐵建筑非常適用于構(gòu)造較大、跨度較大的房屋。

5.3 鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)因素

鋼構(gòu)件的不穩(wěn)定是由三個(gè)原因引起的：第一，是分支座的不穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，破壞了鋼架的原有平衡，使其處于動(dòng)態(tài)平衡的臨界點(diǎn)。產(chǎn)生該問(wèn)題的原因是：由于分支點(diǎn)的結(jié)構(gòu)不夠好，提高了直連桿的軸向和提高了平面的承壓能力，導(dǎo)致了局部的不穩(wěn)定。二是極值不穩(wěn)定；由于偏壓構(gòu)件是用鋼制成的，因此，在某一程度上，極點(diǎn)會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定。工程施工中常常出現(xiàn)偏壓?jiǎn)栴}，尤其是在采用異型承重或不均勻的結(jié)構(gòu)時(shí)，由于附加構(gòu)件的重量過(guò)大，往往會(huì)導(dǎo)致工程的實(shí)際狀況與設(shè)計(jì)的內(nèi)容發(fā)生矛盾，從而導(dǎo)致工程不穩(wěn)定。三是跳躍時(shí)不穩(wěn)定。它是由失去平衡而進(jìn)入到另外一種穩(wěn)定狀態(tài)，由分支處和極限點(diǎn)引起，從而引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)，危及工程的安全。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意防止跳越不穩(wěn)定，并根據(jù)實(shí)際工程特點(diǎn)進(jìn)行加固，以保證其穩(wěn)定符合規(guī)范規(guī)定。

6 華源國(guó)際中心項(xiàng)目概況

比如華源國(guó)際廣場(chǎng)，位于思明區(qū)03-07區(qū)域東側(cè)A5，整體地形較為平坦，周圍的公路已經(jīng)完成。該項(xiàng)目占地51589.0m，地面35689.0m2。該項(xiàng)目是由框架-中央（偏）支承系統(tǒng)組成的。建筑的高166.670m，其建筑的最高允許高度沒(méi)有超出設(shè)計(jì)要求。地下四個(gè)樓層，主體結(jié)構(gòu)為自然地基，總深度約16m。

其設(shè)計(jì)參數(shù)為按照7°（0.15 g）的地震強(qiáng)度，采取綜合的地震對(duì)策和結(jié)構(gòu)地震。由于該項(xiàng)目采用了4個(gè)全屋式的地下室，因此，一樓與一樓的設(shè)計(jì)應(yīng)以不超過(guò)2的比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此，在建筑物的上部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，應(yīng)采用下墊板作為必需的嵌固件。按照現(xiàn)行規(guī)范的要求，廈門50年內(nèi)的平均風(fēng)速為0.80 kN/m2，必須按照 A等級(jí)的要求來(lái)確定地表的不平程度，而統(tǒng)一的建筑體型結(jié)構(gòu)必須采用1.4的系數(shù)值。從本項(xiàng)目的實(shí)際情況來(lái)考慮，以50年一遇的風(fēng)壓為基礎(chǔ)，以其1.1的設(shè)計(jì)荷載為標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù) JGJ 99-2015 《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》6.3.3條的要求，利用 MIDAS/GEN 2015對(duì)罕遇地震下的彈塑性問(wèn)題進(jìn)行了研究，采用了集中鉸模型構(gòu)件。從罕遇地震的觀點(diǎn)來(lái)看，在討論建筑物的彈性時(shí)程時(shí)，應(yīng)充分顧及在不同的震源序列中的相應(yīng)二向性成分，以及由抗側(cè)作用力的順序?qū)⑵浒礄M向（x, y）的順序進(jìn)行。按照1:0.85的規(guī)定，可對(duì)水平主、次向的加速峰值進(jìn)行調(diào)整。結(jié)果表明，在 r方向和 y方向上，層間極限位移角x均為1/65, y-1/69均可滿足1/50的樓層容許需求。在稀震條件下， X、 Y響結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的大部分部件都處于彈性態(tài)，一些部件處于I0狀態(tài)，而另一些部件（以支承系統(tǒng)的梁末端）則處于 LS狀態(tài)，滿足抗震的需要。因此，在罕見(jiàn)的地震作用下，整體的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)的需要。在實(shí)際的施工項(xiàng)目中，往往忽視了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定對(duì)整體施工的影響。應(yīng)結(jié)合具體情況進(jìn)行深入人的理論研究，以改善鋼架的實(shí)際穩(wěn)定。華源國(guó)際大廈就是一個(gè)非常好的例子，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用最合理的計(jì)算和研究方法，充分發(fā)揮鋼構(gòu)件的綜合性能。

7 結(jié)語(yǔ)

簡(jiǎn)而言之，由于我國(guó)的快速發(fā)展，對(duì)建筑的要求不斷提高，建筑的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)也日趨成熟，采用鋼構(gòu)件可以提高房屋的穩(wěn)定性能，提高房屋在地震和其他自然災(zāi)害中的安全性能，是目前我國(guó)建筑中使用最多的一種結(jié)構(gòu)。鋼架的穩(wěn)定與人類的利益息息相關(guān)，所以設(shè)計(jì)師必須要有一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男膽B(tài)，掌握好設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，然后再對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，把所有的工作都做到最好，這樣才能保證整個(gè)項(xiàng)目的穩(wěn)定，為建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。