試析鋼結構建筑設計中的注意事項

【摘 要】 鋼結構建筑成為目前應用較為廣泛的建筑類型，本文就鋼結構建筑設計與技術表現進行了簡單介紹，并對鋼結構建筑穩定性設計的要點進行了分析。

【關鍵詞】 鋼結構建筑 穩定性

一、引言

隨著科技的發展新型材料的運用越來越廣泛，鋼材是其中普遍采用的一種。而以鋼結構為主體的建筑是現代空間結構發展的主流，探討現代鋼結構建筑設計與表現具有重要的意義和價值。

二、鋼結構建筑設計與技術表現

鋼結構建筑設計的構思成功關鍵所在是技術構思與表現，下面就分別從幾個方面來闡述這一點。

1.鋼結構建筑設計的技術表現

建筑形象的構思是一個概念形象的創作過程，是建筑創作的難點之一，也是建筑設計中備受關注的核心問題之一。回顧工業革命以來建筑與科學技術關系的發展，可以明顯地發現建筑對技術變革反應的遲滯性，這從一個側面反映了建筑學在社會文化當中的深層地位，以及建筑學與人的生活方式的密切聯系。另外現代方興未艾的信息革命正在廣泛地滲透并涉及社會活動的每個領域，使現代科學思維被融入到建筑設計中，新項目的規劃、建筑和景觀設計方法發生了巨大的變化。建筑設計的宗旨也從單純的追求美發展到追求問題的合理解決，從根本上改變了人們以往對建筑的認識和設計方式，并最終影響了人類千百年來形成的傳統建筑觀，比如高技派建筑就是其主要代表，其以精致的節點和精細的加工來體現高超的技藝，以更高的工藝水平來設計和“制造”建筑。

2.鋼結構建筑細部設計有較高要求

鋼結構建筑設計的復雜化與精致度要求越高，對細部設計的要求也越高。因為細部設計決定一個地方最終是否得到確認及其質量。在現代鋼結構建筑中，各種金屬結構桿件，連接金屬桿件的節點細部，常常暴露在外，使建筑帶有強烈的科技感，比如建于1977年法國的巴黎蓬皮杜藝術與文化中心，它的鋼柱、鋼梁、桁架等結構構件都裸露在外，從中不僅體現出技術美，而且體現出人的智慧和能力。因而，對鋼結構建筑來說細部質量保持較高的設計要求是非常重要的，在鋼結構建筑中應受到特別重視。

3.建筑策劃也是鋼結構建筑設計與表現的影響因素

因為鋼結構建筑設計具有建筑設計的一般屬性，建筑師不是隨心所欲在作設計，業主設計任務書對建筑師的平面和設計構思等發生的作用是重大的。客戶希望設計師有更好的業績，而且希望在其最終產品的確定過程中，設計師和市場專家都能更高效的參與決策。在這個階段，建設項目更強調整體設計、更強調專業設計師、市場專家及開發商之間的協調，設計過程包括了持續的信息和知識的交流與整合。另外，鋼結構建筑的專業化不但能提供豐富的設計知識而且能有效的整合設計資源和市場專家共同對建筑負責，使設計和業主的經營意圖有效的結合起來，使項目獲利和減少風險。

三、鋼結構的整體失穩和局部失穩

鋼結構失穩包括整體失穩和局部失穩。整體失穩是考慮整個構件或框架的穩定性問題，它是通過定義長細比確定穩定系數代入計算公式進行驗算的：而局部失穩是構件內部失穩的控制問題，保證局部穩定主要是通過對構件截面的尺寸來控制的，如翼緣寬厚比，腹板高厚比。

整體失穩大多數是由局部失穩造成的，當受壓部位或受彎部位的長細比超過允許值時，會失去穩定。它受很多客觀因素影響，如荷載變化、鋼材的初始缺陷、支承情況的不同等。支撐往往也容易被設計者或施工者所忽視，這也是造成整體失穩的原因之一。在吊裝中由于吊點位置的不同，桁架或網架的桿件受力可能發生改變，造成失穩；腳手架傾覆、坍塌或變形大多是因為連桿不足、沒有支撐造成的。又如鋼組合梁中由于腹板高而薄或翼緣寬而薄也會造成局部失穩。但是很多可能發生荷載變化的重要結構如橋梁、桁架、水工閘門等，由于多采用超靜定結構，因它有贅余桿件，所以可預防因一個桿件失穩而造成整體失穩。

四、鋼結構強度與穩定問題分析

強度問題是指結構或者單個構件在穩定平衡狀態下由荷載所引起的最大應力（或內力）是否超過建筑材料的極限強度，因此是一個應力問題。極限強度的取值取決于材料的特性，對混凝土等脆性材料，可取它的最大強度，對鋼材則常取它的屈服點。

穩定問題則與強度問題不同，它主要是找出外荷載與結構內部抵抗力間的不穩定平衡狀態，即變形開始急劇增長的狀態，從而設法避免進入該狀態，因此，它是一個變形問題。如軸壓柱， 由于失穩，側向撓度使柱中增加數量很大的彎矩，因而柱子的破壞荷載可以遠遠低于它的軸壓強度。顯然，軸壓強度不是柱子破 壞的主要原因。

五、鋼結構穩定設計的三點要求

⑴結構計算簡圖和實用計算所依據的簡圖必須相一致。目前任設計單層和多層框架結構時，經常不作框架穩定分折而是代之以框架柱的穩定計算。在采用這種方法時，計算框架柱穩定時用到的柱計算長度系數，應通過框架整體穩定得出，才能使柱穩定計算等效于框架穩定計算。然而，實際框架多種多樣，而設計中為了簡化計算工作，需要設定一些典型的假設條件。CB 50017—2003規范的條文說明中對單層或多層框架給出的計算長度系數采用了五條基本假定，其中包括：“框架中所有柱子是同時喪失穩定的，即各柱同時達到其臨界荷載”。根據這條假定，框架各柱的穩定參數桿件穩定計算的常用方法，往往是依據一定的簡化假設或者典型情況得出的，設計者必須確知所設計的結構符合這些假定條件時才能正確反映實際情況。在實際工程中，框架計算簡圖和實用方法所依據的假定有時會出現不一致的情況，此時就必須對計算長度系數進行調整，例如附有搖擺柱的無支撐（弱支撐）框架柱、橫梁受有較大軸心壓力的框架以及梁柱連接為半剛性構造的情況等等，否則會造成計算結果與實際情況的不一致，甚至會導致不安全的后果。所以所用的計算方法與前提假設和具體計算對象應該相一致。

⑵結構整體布置必須考慮整個體系以及組成部分的穩定性要求。目前結構大多數是按照平面體系來設計的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結構不致出平面失穩，需要從結構整體布置來解決，亦即設計必要的支撐構件。這就是說，平面結構構件的平面外穩定必須和結構布置相一致。另外，由平面桁架組成的塔架，基于同樣原因，需要注意桿件的穩定和橫隔設置之間的關系。

⑶設計結構的細部構造和構件的穩定計算必須相互配合。結構計算和構造設計相符合，一直是結構設計中大家都注意的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節點連接，應分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節點應盡量減少桿件偏心這些都是設計者處理構造細部時經常考慮到的。但是，當涉及穩定性能時，構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。例如，簡支梁就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在乎面內轉動。然而在處理梁整體穩定時上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉，同時允許梁在水平平面內轉動和梁端截面自由翹曲，以符合穩定分析所采取的邊界條件。

六、鋼結構穩定設計要點分析

⑴穩定性整體分析。桿件能否保持穩定牽涉到結構的整體，穩定分析必須從整體著眼。

⑵失穩和整體剛度。現行規范通用的軸心壓桿的穩定計算法是臨界壓力求解法和折減系數法。

⑶穩定計算的其它特點。在彈性穩定計算中，除了需要考慮結構的整體性外，還有一些其他特點需要引起重視，首先要做的就是二階分析，這種分析對柔性構件尤為重要，這是因為柔性構件的大變形量對結構內力產生了不能忽視的影響，其次，普遍用于應力問題的迭加原理。在彈性穩定計算中不能應用。這是因為迭加原理的應用應以滿足以下條件為前提：一是材料服從虎克定律應變成正比；二是結構的變形很小。

參考文獻

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