建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定性原則及要點分析

摘 要：本文分析了建筑工程鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計原則，重點闡述了其設(shè)計要點，包括結(jié)構(gòu)選型、防腐設(shè)計、防火設(shè)計、框架優(yōu)化設(shè)計及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗算。旨在提高鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使建筑各部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力合理，進而創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)高效工程，達到項目綜合效益最大化的目標。

關(guān)鍵詞：建筑工程；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計；穩(wěn)定性原則；設(shè)計要點文章編號：2095-4085（2024）10-0092-03

0 引言

近年來，鋼結(jié)構(gòu)逐漸成為現(xiàn)代建筑工程的主流結(jié)構(gòu)型式，其憑借自重輕、易于施工、造價低廉的顯著優(yōu)勢，在高層建筑、大型公共建筑及商業(yè)綜合體建筑等工程項目中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的綜合效益。然而，鋼結(jié)構(gòu)建筑投運使用期間，在內(nèi)外部因素共同影響下，可能會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的情況，存在一定安全隱患。為此，需重點關(guān)注結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，要明確建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計原則，并運用科學的設(shè)計方法，以保證建筑各部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力合理，進而打造優(yōu)質(zhì)高效工程。

1 建筑工程鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計原則

1.1 精密性

建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)性較強，需開展大量計算工作，包括力學關(guān)系、框架平衡關(guān)系、連接抗彎承載力及框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等計算內(nèi)容。如果某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)計算錯誤，都將導致鋼結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)與穩(wěn)定性能充滿不確定性。目前，一些設(shè)計人員過度依賴自身經(jīng)驗，尚未熟練掌握現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范中的各項計算公式，設(shè)計方案中缺少科學、全面的計算數(shù)據(jù)。對此，必須遵循精密性原則，以精密計算作為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的重要一環(huán)。設(shè)計期間應(yīng)嚴格遵循規(guī)范要求開展各項計算工作，要反復驗算計算數(shù)據(jù)的準確性，并在設(shè)計方案編制完畢后，對鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定系數(shù)加以驗算，以起到查漏補缺的作用。

1.2 配合性

建筑鋼結(jié)構(gòu)通過精密焊接與螺栓緊固等高效連接方式，將眾多構(gòu)配件精準組裝，并確保各部件間協(xié)調(diào)配合，這種完美的契合度直接決定整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與牢固性，是構(gòu)建堅實穩(wěn)固建筑體系的關(guān)鍵。因此，在工程設(shè)計階段，設(shè)計人員必須遵循配合性原則，應(yīng)重點考慮各處構(gòu)配件的配合狀態(tài)，既要分析平面穩(wěn)定情況，也要分析立體建筑物是否具備穩(wěn)定基礎(chǔ)，要確保各處構(gòu)配件功能作用得以充分發(fā)揮，進而為建筑鋼結(jié)構(gòu)的整體剛度與強度提供保障。

1.3 剪力調(diào)整

根據(jù)同類工程案例來看，部分建筑鋼結(jié)構(gòu)形式不規(guī)則，以降低鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)為代價，過度追求鋼結(jié)構(gòu)靈活分隔性能與建筑造型美觀性，造成平面結(jié)構(gòu)散亂布置構(gòu)件、簡化垂直構(gòu)件和斜柱的情況，雖然可以降低設(shè)計難度，表現(xiàn)出獨特的建筑造型，但也會影響結(jié)構(gòu)剪力調(diào)整精度。對此，設(shè)計人員必須嚴格遵循剪力調(diào)整原則，重點分析局部與整體結(jié)構(gòu)荷載狀況及剪力調(diào)整效果的影響，應(yīng)優(yōu)先保證剪力調(diào)整穩(wěn)定性和靈活性。一般情況下，建筑鋼結(jié)構(gòu)主要采取框架結(jié)構(gòu)型式，利用支撐框架以及純框架負責承受水平剪力，支撐框架用于承受主要總剪力，并把剩余剪力分配給框架部分承受^［1］。

1.4 強柱弱梁

在建筑工程投運使用階段，地震災(zāi)害是鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性面臨的首要挑戰(zhàn)。在地震災(zāi)害持續(xù)期間，地震能量會對鋼結(jié)構(gòu)體系造成劇烈沖擊，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能直接決定了建筑結(jié)構(gòu)整體的受損程度。如果結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，可能會出現(xiàn)整體變形失穩(wěn)、建筑物倒塌等安全事故，從而造成嚴重的經(jīng)濟損失與人員傷亡。為預防上述安全事故發(fā)生，在工程設(shè)計階段，設(shè)計人員應(yīng)遵循強柱弱梁原則，以提高鋼結(jié)構(gòu)延性和增強抗壓性能為設(shè)計目的。還應(yīng)結(jié)合工程情況，采取調(diào)整節(jié)點連接方式、翼緣加腋、柔性連接填充墻與梁柱等設(shè)計舉措。柱體承載性能應(yīng)超過梁體承載性能，后續(xù)發(fā)生地震災(zāi)害時，可確保梁體和柱體依次進入屈服狀態(tài)，有利于減輕建筑結(jié)構(gòu)震中受損程度。

2 建筑工程鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計要點

2.1 結(jié)構(gòu)選型

隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)體系的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)體系不斷完善，當前已形成諸多類型的結(jié)構(gòu)型式。根據(jù)同類工程建筑使用情況來看，不同類型鋼結(jié)構(gòu)的適用方向沒有完全重合。因此，根據(jù)建筑類型和用途選擇合適的結(jié)構(gòu)型式，才能做到最大限度發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用優(yōu)勢，并在建筑全壽命周期內(nèi)始終保持主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固狀態(tài)。目前來看，主流鋼結(jié)構(gòu)型式包括鋼框架、鋼網(wǎng)架、門式鋼架以及鋼桁架，適用范圍如下。

（1）鋼框架。主要采取框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，平面布局中橫向部署純鋼框架，負責承受屋面荷載及樓板荷載；縱向部署多根豎向鋼柱，負責承受地震荷載以及縱向水平風荷載，在建筑頂部部署樓蓋。高層建筑、寫字樓等類型建筑存在荷載較重、平面布置要求嚴格的共性特征，適宜采取鋼框架結(jié)構(gòu)型式。

（2）鋼網(wǎng)架。結(jié)構(gòu)體系布局方案與網(wǎng)格較為相似，因而被稱為鋼網(wǎng)架。其強調(diào)分散布置大量桿件，節(jié)點以連接各處桿件來構(gòu)成交叉桁架網(wǎng)架或是四角錐體網(wǎng)架，節(jié)點形式須設(shè)計為十字板節(jié)點或支座節(jié)點。對于體育場館等公共建筑，適宜采取鋼網(wǎng)架型式，作為高次超靜定空間，其具備剛度大、抗震性能理想的特征，足以維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)^［2］。

（3）門式鋼架。同時部署鋼柱、墻面檁條、抗風柱等多種類鋼構(gòu)件，需將鋼結(jié)構(gòu)跨度控制在24～30m左右，受力主體為門式框架，并在結(jié)構(gòu)體系內(nèi)存在諸多種類的節(jié)點形式。對于工業(yè)廠房、展覽館等層數(shù)較少的建筑工程，適宜采取門式鋼架，相比于其他結(jié)構(gòu)型式，此類結(jié)構(gòu)具備受力簡單、傳力路徑清晰明確的優(yōu)勢。

（4）鋼桁架。結(jié)構(gòu)體系分布大量桿件，桿件兩端相互聯(lián)結(jié)，組合形成角鋼桁架結(jié)構(gòu)、管桁架結(jié)構(gòu)或是H型鋼桁架結(jié)構(gòu)。對于高層建筑與超高層建筑，可采取鋼桁架型式，其具備結(jié)構(gòu)自重輕與剛度大的優(yōu)點，還可以減少鋼材用量和降低造價成本。

2.2 防腐設(shè)計

相比于常規(guī)的混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)抗腐蝕性能有待提高。由于鋼構(gòu)件長期暴露在外部空氣環(huán)境中，受到空氣中水分侵蝕及其他腐蝕物質(zhì)影響，建筑投運使用一段年限后，逐漸會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象。腐蝕類型包括電化學腐蝕以及化學腐蝕，腐蝕程度越嚴重，鋼構(gòu)件力學性能越差，進而會嚴重影響主體結(jié)構(gòu)承載性能與穩(wěn)定系數(shù)。對此，必須對鋼結(jié)構(gòu)進行防腐保護，應(yīng)隔離鋼構(gòu)件避免其與外部空氣環(huán)境直接接觸，并阻攔太陽光直接照射到鋼構(gòu)件表面，以此來保證建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)，也有利于延長建筑實際使用壽命。具體可采取以下防腐措施。

（1）金屬鍍層。提前對鋼構(gòu)件進行脫脂或酸洗處理，徹底去除表面殘留銹跡與油漬，再采取電解法或噴鍍法，在鋼構(gòu)件表面形成一層致密性的金屬鍍層，要完全包裹鋼構(gòu)件，以阻攔外部空氣、太陽光輻射及水汽侵蝕。

（2）防腐涂層。在鋼構(gòu)件制作加工方案中，額外增設(shè)涂層保護步驟。防腐保護原理與金屬鍍層一致，是利用涂層隔離鋼構(gòu)件接觸外部環(huán)境。需優(yōu)先選用具備良好環(huán)境適應(yīng)能力與抗氧化性的防腐涂料。如果對鋼結(jié)構(gòu)抗腐蝕性能有著嚴格要求，或是現(xiàn)場環(huán)境較為復雜，可酌情增加涂層厚度，或是陸續(xù)施作多層防腐保護涂層。

（3）建筑選址。鋼結(jié)構(gòu)在潮濕環(huán)境與干燥環(huán)境中的腐蝕速度及整體腐蝕程度有著明顯區(qū)別。因此，在選址設(shè)計環(huán)節(jié)，需提前收集工程資料信息，應(yīng)優(yōu)先選擇相對干燥的環(huán)境作為建筑選址。如果無法變更選址地點，則對鋼構(gòu)件金屬鍍層或是防腐涂層進行加厚處理。

2.3 防火設(shè)計

耐火性差是鋼結(jié)構(gòu)天然存在的短板，鋼結(jié)構(gòu)耐火極限普遍在450～600℃不等。多數(shù)建筑火災(zāi)事故在發(fā)生10～15min時的火場溫度達到400℃，建筑內(nèi)部分布過多可燃物、易燃物時，還會進一步提高火場溫度及溫升速度。在建筑火災(zāi)持續(xù)期間，由于長時間處于高溫環(huán)境，鋼結(jié)構(gòu)承載性能大幅削弱，會陸續(xù)出現(xiàn)鋼柱變形、鋼梁彎曲等情況，嚴重時還會出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及坍塌事故。一般情況下，缺少專項保護措施的建筑鋼結(jié)構(gòu)耐火極限僅為15min。因此，應(yīng)對鋼結(jié)構(gòu)進行防火保護，須最大限度延長鋼結(jié)構(gòu)耐火極限時間。具體可采取以下措施。

（1）優(yōu)選鋼材。在確保工程造價不超限的前提下，應(yīng)使用特種耐火鋼材來替換普通鋼材。耐火鋼在600℃高溫下，1～3h內(nèi)的屈服強度仍舊保持在2/3室溫屈服強度以上水準，本身具備一定程度的防火抗坍塌功能。其具體型號包括Q345FRC和Q345FRD。

（2）規(guī)劃防火分區(qū)。需根據(jù)建筑室內(nèi)面積、建筑類型與建筑等級來確定防火分區(qū)面積；并在相鄰防火分區(qū)間隔部位，設(shè)置防火門、防火卷簾及防火隔墻等設(shè)施，以起到抑制火勢蔓延范圍和速度的作用。建筑火災(zāi)持續(xù)期間，火勢范圍主要集中在著火點所處防火分區(qū)，其他防火分區(qū)不易形成明火，鋼結(jié)構(gòu)雖然會出現(xiàn)局部受損問題，但不會對整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成明顯影響^［3］。

（3）構(gòu)件阻燃。鋼構(gòu)件外部配置高效防火屏障，采用石膏板或巖棉板等優(yōu)質(zhì)防火阻燃材料構(gòu)建，可有效隔絕火焰侵襲，確保構(gòu)件內(nèi)部溫度維持在耐火極限之下。此外，亦可選擇直接在鋼構(gòu)件表面涂抹防火涂料，盡管其保護效能略遜于獨立保護層，但通過增加涂層厚度可增強效果。經(jīng)此防火強化處理，鋼構(gòu)件的極限耐火溫度顯著提升，由原先的450～600℃躍升至900～1 200℃，極大增強了建筑在火災(zāi)中的結(jié)構(gòu)安全性，可避免承載失效及整體穩(wěn)定性喪失的風險。

2.4 框架優(yōu)化設(shè)計

采取鋼框架結(jié)構(gòu)型式的建筑工程，其理想狀態(tài)下的框架側(cè)向位移量在允許范圍內(nèi)。但根據(jù)實際情況來看，受到樓層數(shù)、相對剛度等因素影響，實際框架受力狀態(tài)和側(cè)向位移量不夠理想。采取常規(guī)的增加構(gòu)件截面尺寸措施，可以解決此項問題，但也會造成增加鋼材耗用量、占用建筑室內(nèi)空間的后果。對此，設(shè)計人員可以從優(yōu)化框架結(jié)構(gòu)方面著手，采取增加節(jié)點剛度、設(shè)置斜撐、翼緣加腋三項設(shè)計措施，確保鋼框架側(cè)向位移量在設(shè)計規(guī)范允許范圍內(nèi)。

（1）增加節(jié)點剛度。以調(diào)整端板節(jié)點構(gòu)造作為提升剛度與減小側(cè)向位移量的方法，初始剛度取決于連接件抗彎剛度、螺栓分布情況和板體厚度，可酌情選擇增加端板面積和螺栓數(shù)量，或是在增加外伸端板長度的同時，在外伸部位設(shè)置兩排螺栓。

（2）設(shè)置斜撐。鋼結(jié)構(gòu)體系內(nèi)額外增設(shè)支撐桿件時，必須以結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為起始點，向上所有樓層均設(shè)置桿件，直接連接不同樓層間支撐桿件。需優(yōu)先采取直線連接方式，并直接連接頂層與其他相鄰跨間支撐桿件。一般情況下，可選擇設(shè)置鋼管柱間支撐作為斜撐件，斜撐和鋼結(jié)構(gòu)采取鉸接方式，并繪制樓層位移曲線，以判斷增設(shè)斜撐對框架結(jié)構(gòu)造成的實際影響。

（3）翼緣加腋。借鑒框支剪力墻結(jié)構(gòu)在框支梁節(jié)點部位加腋的設(shè)計措施，在鋼框架結(jié)構(gòu)節(jié)點部位同樣加腋，以此來增強節(jié)點抗彎性能。主要以梁體上部翼緣或是下部翼緣作為加腋位置，如果鋼框架結(jié)構(gòu)變形形式為剪切變形，所形成層間位移量最大值出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)底部，僅需在下部樓層進行水平加腋^［4］。

2.5 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗算

建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)取決于諸多因素，在工程設(shè)計階段，受限于經(jīng)驗、時間與精力，設(shè)計人員難以全面考量所有因素，從而造成設(shè)計紕漏，導致設(shè)計成果和預期目標存在一定差異。對此，為確保鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)完全達到工程建設(shè)要求，避免因設(shè)計問題而形成安全隱患，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案制定完畢后，必須開展結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗算工作。

（1）分析阻尼數(shù)值。以阻尼比作為初步判定鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)的重要指標，在建筑處于地震頻發(fā)區(qū)域時，建筑高度≤50m時要求阻尼比為0.04。建筑情況為罕遇地震彈性與塑性分析時，要求阻尼比為0.05^［5］。

（2）動力設(shè)計。構(gòu)建分析模型來模擬建筑結(jié)構(gòu)使用工況，可根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果來反映振動加速度和結(jié)構(gòu)變形程度。如果結(jié)構(gòu)形變方向和加速度保持統(tǒng)一狀態(tài)，即可判定鋼結(jié)構(gòu)滿足最大負載條件。

3 結(jié)語

綜上所述，為順利建設(shè)高品質(zhì)建筑工程，為鋼結(jié)構(gòu)型式的應(yīng)用推廣打牢基礎(chǔ)，建筑企業(yè)必須提高對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題的關(guān)注程度。設(shè)計人員需嚴格遵循精密性、配合性、剪力調(diào)整、強柱弱梁四項基本原則，要掌握在結(jié)構(gòu)選型、防腐設(shè)計、防火設(shè)計等諸多方面的設(shè)計要點，并準確驗算鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)，提前識別并處理所有設(shè)計問題，進而充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，推動我國建筑行業(yè)邁向全新發(fā)展階段。

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