建筑鋼結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性設(shè)計方法

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和社會的進(jìn)步，人民的生活水平在不斷地提高，對于居住環(huán)境的要求也在不斷的變化，為了使人們生活的更加安全和舒適，我國建筑技術(shù)水平逐步提升。在現(xiàn)代的建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)因為其自重輕、強(qiáng)度高的優(yōu)勢，它的穩(wěn)定性與其他建筑材料相比，更適合用于建筑設(shè)計中結(jié)構(gòu)的搭建。雖然建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到了整個行業(yè)的認(rèn)可，但近年來，由于建筑設(shè)計等問題的出現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性遭到了質(zhì)疑，安全事故也頻頻引發(fā)。本文對建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計出現(xiàn)的問題和缺陷進(jìn)行了討論，對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的提出一些合理的建議，希望能解決目前穩(wěn)定性設(shè)計中出現(xiàn)的問題，使建筑行業(yè)能平穩(wěn)、安全的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：建筑鋼結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性；設(shè)計

一、目前鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計存在的問題

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定性存在不少問題，穩(wěn)定性受到很多條件的限制，在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)時，不僅要考慮到鋼結(jié)構(gòu)本身對穩(wěn)定性的影響，同時也要控制外界因素對穩(wěn)定性的干擾。

（一）構(gòu)件承受力的強(qiáng)度影響穩(wěn)定性

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，構(gòu)件承載的程度對穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，構(gòu)建材料的應(yīng)力、截面特征也和穩(wěn)定性相關(guān)，在建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計開始時，考慮到支撐力、扭抗力等因素在假設(shè)、模型計算中難以反映，所以理論結(jié)果和實(shí)際承載力會不同，這些都是設(shè)計時要考慮的條件。

（二）大跨度結(jié)構(gòu)的設(shè)計有缺陷

大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計中反映軸力和彎矩的耦合效應(yīng)有一定難度，這個問題影響到了穩(wěn)定性設(shè)計。通常情況下，選定的穩(wěn)定安全系數(shù)不能反映網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力，由于預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計存在缺陷，導(dǎo)致整體與局部受到影響，穩(wěn)定性之間的關(guān)系需要進(jìn)行探討。

（三）穩(wěn)定理論不完善

在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計中，設(shè)計師是從各種條件達(dá)到最佳狀態(tài)的角度去考慮的，但一些不確定性的因素沒有考慮到，穩(wěn)定理論不完善，在施工中結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定會直接引起各個方面的結(jié)果的變化，為了保證鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，穩(wěn)定性的設(shè)計應(yīng)重視隨機(jī)參數(shù)的考慮。

二、鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的分類

（一）平衡分岔失穩(wěn)

平衡分岔失穩(wěn)是當(dāng)荷載增加時，結(jié)構(gòu)維持的平衡狀態(tài)被打破，出現(xiàn)新的平衡形式在本質(zhì)上和原來的平衡狀態(tài)有差異，穩(wěn)定性受到破壞不再穩(wěn)定。具體的原理是構(gòu)建截面承受的壓力超過了能臨界點(diǎn)，構(gòu)建發(fā)生變形，原來的軸心受壓平衡狀態(tài)被彎曲的狀態(tài)所取代，這就是平衡分岔失穩(wěn)。

（二）極值點(diǎn)失穩(wěn)

用于建筑的鋼材料偏心受壓構(gòu)件，當(dāng)其塑性超過了本身能承受的程度，就是失去了穩(wěn)定性，失穩(wěn)狀態(tài)的荷載值等同于構(gòu)件實(shí)際最大荷載值，這是一個漸變的過程，和平衡分岔失穩(wěn)不同。

（三）跳躍失穩(wěn)

跳躍失穩(wěn)和上述的失穩(wěn)類型都不相同，是失穩(wěn)后一個新的平穩(wěn)狀態(tài)取代了之前的平穩(wěn)狀態(tài)，沒有平衡分叉點(diǎn)，也不存在極限值。

三、建筑選擇鋼結(jié)構(gòu)的原因分析

（一）鋼結(jié)構(gòu)的材料特性

鋼結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成是鋼材料，和其他的建筑材料相比，它具有的特性使之穩(wěn)定性更好。第一，鋼材的可塑性較高，由于構(gòu)成鋼結(jié)構(gòu)的鋼材通過冷加工和熱加工的方式成形，使其韌性較好，對于建筑設(shè)計中荷載大的地方，能加固它的整體質(zhì)量，不會因為荷載大而發(fā)生意外斷裂。對于建筑中跨度大的構(gòu)造，鋼材極好的強(qiáng)度也彌補(bǔ)了空缺，除了這些優(yōu)勢，鋼結(jié)構(gòu)的抗震能力也很好，這歸功于鋼材的延展性和吸力。第二，鋼材比其他的建筑材料要輕，和建筑中常用的混凝土相比，在同樣的構(gòu)造運(yùn)用中，鋼材的重量比混凝土結(jié)構(gòu)要輕3/4或者2/3，對于施工中的購進(jìn)和吊用，減輕了工作量，節(jié)約了人力、物力資源。第三，鋼材能使建筑設(shè)計的實(shí)行更有利，因為鋼材在制造的過程中，材料元素較為穩(wěn)定，沒有很大的波動，使生產(chǎn)出來的鋼材質(zhì)地均勻，在可承受力的范圍內(nèi)，受力情況和設(shè)計中力學(xué)的計算最為接近，幫助建筑設(shè)計趨于科學(xué)化，數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。

（二）鋼結(jié)構(gòu)的建筑優(yōu)點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程上的廣泛應(yīng)用，不僅是因為其自身良好的材料優(yōu)勢，還有鋼結(jié)構(gòu)具有別的建筑結(jié)構(gòu)不具備的特性。第一，鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震新能較強(qiáng)，由于鋼結(jié)構(gòu)良好的自重力和延展性，當(dāng)?shù)卣饋砼R時，地震的震感會被鋼結(jié)構(gòu)一定程度的削減，地震的效力也相對減小，這與鋼結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量小有著密切的關(guān)系。第二，鋼結(jié)構(gòu)使建筑整體空間感更大，在建筑施工中，鋼結(jié)構(gòu)和混凝土有很大差別。鋼結(jié)構(gòu)的建筑施工時，管道的設(shè)置是將梁腹板上打孔，而混凝土結(jié)構(gòu)施工時，管道的設(shè)置和鋼結(jié)構(gòu)明顯不同，一般情況下，管道需要通過梁板底部，整體上減少了樓層的凈高，混凝土結(jié)構(gòu)占據(jù)的空間比鋼結(jié)構(gòu)多，鋼結(jié)構(gòu)可以利用這一特性，在住宅設(shè)計的選擇具有多樣性，如開放式住宅。

四、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的原則及計算方法

（一）鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計基本原則

建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計，重點(diǎn)在于如何把握穩(wěn)定性，鋼材決定了建筑的強(qiáng)度，可是強(qiáng)度不等于穩(wěn)定性，兩者要區(qū)別開來，首先要分析鋼結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的原因在哪里，通常鋼結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定是由內(nèi)外部力的不均衡造成的，外部的荷載力和內(nèi)部的抵抗力不均衡會引起鋼結(jié)構(gòu)的變形，而變形問題其實(shí)就是強(qiáng)度問題，要解決鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的不穩(wěn)定，最基本的是要遵循設(shè)計原則。第一，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計從組成部分到整體結(jié)構(gòu)都力求穩(wěn)定性達(dá)標(biāo)。在設(shè)計框架和桁架時，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計運(yùn)用的是平面體系，先將框架和桁架設(shè)計達(dá)到平穩(wěn)性，在擴(kuò)展到保證平面體系的平穩(wěn)性，最后使整個鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計趨于平穩(wěn)，從部分到整體，中間環(huán)節(jié)不能有差錯。第二，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中運(yùn)用了大量計算，首先要保證結(jié)構(gòu)圖紙的一致，實(shí)際所用的圖紙必須和設(shè)計圖紙計算結(jié)果大致相同，如在設(shè)計框架時需要計算框架的穩(wěn)定性，計算的結(jié)果要與模板框架結(jié)果大致相同，這樣才能確保框架的穩(wěn)定。

（二）鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計特點(diǎn)，大概可以分為三點(diǎn)：第一，穩(wěn)定性的計算。這里主要考慮彈性的計算，彈性穩(wěn)定計算不僅要分析結(jié)構(gòu)的屈曲性和強(qiáng)度，還要進(jìn)行二階分析，在對鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的較大的變形和撓度問題上，系統(tǒng)計算的準(zhǔn)確度是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計必要條件。第二，穩(wěn)定性從整體考慮。設(shè)計穩(wěn)定性的考慮不僅從組成部分上，還要進(jìn)行部分到整體結(jié)構(gòu)的分析，綜合起來進(jìn)行設(shè)計，不要穩(wěn)定了局部，整體沒有穩(wěn)定可能會造成失誤。第三，整體剛度和失穩(wěn)。穩(wěn)定性的計算方法多種多樣，較為普遍的是臨界壓力法和折減系數(shù)法，在軸心壓桿的穩(wěn)定性計算中，運(yùn)用到了這兩種算法。

（三）鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的計算

1、靜力平衡法

靜力平衡法又稱靜力法，或者歐拉方法，常用于屈曲荷載的計算。通常發(fā)生細(xì)微屈服后，利用結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)分析體系和方程組求解，求解的結(jié)果不止一個的情況下，最小的解是結(jié)構(gòu)體系的分岔屈曲荷載。靜力平衡法在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中較常使用的計算方法。

2、能量法

能量法又稱鐵木辛柯法，利用能量守恒原理求臨界荷載，能量守恒原理是保守體系處于平衡狀態(tài)時，貯存在結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)變能等于外力所做的功，關(guān)系表現(xiàn)為：ΔU=ΔW，其中ΔU為應(yīng)變能的增量，ΔW為外力功的增量。根據(jù)勢能駐值原理指的是結(jié)構(gòu)受到外力作用導(dǎo)致位移發(fā)生微小變化而總勢能不變，表達(dá)式為：δπ=0，其中δπ為結(jié)構(gòu)總勢能的一階變分，有δπ=δU+δV=ΔU-δW，δU是虛位移引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)變能的變化，它總是正值，δW表示外力因為虛位移而做的功，且外力勢能的變化δV等于外力虛功的負(fù)值，即δV=-δW。

3、振動法

振動法是對平衡狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)體系施加微小干擾，使其發(fā)生振動，根據(jù)自由振動狀態(tài)確定結(jié)構(gòu)的臨界荷載。當(dāng)荷載小于穩(wěn)定的極限荷載值時，加速度的方向和變形的方向相反，振動隨著時間的推移呈現(xiàn)收斂狀態(tài)，趨于靜止，這時結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。

五、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的建議和注意事項

（一）提升鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的方法

建筑工程在施工過程中，可能會出現(xiàn)意外情況的發(fā)生，所以在建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時，針對意外情況的緊急處理辦法尤為重要，為了確保設(shè)計穩(wěn)定性，要對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。一般情況下，荷載分布狀況是鋼結(jié)構(gòu)的加固常用方法，改變受彎桿的界面內(nèi)力、焊接各種螺栓也對加固穩(wěn)定性有著重要的作用。

（二）鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的注意事項

鋼結(jié)構(gòu)的建筑，如住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須做到平面布置應(yīng)力對稱，布置的規(guī)則問題直接和住宅遇到突發(fā)性災(zāi)害的抵抗力有關(guān)。當(dāng)廠房運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)時，需要考慮防腐性，若廠房用于存放化學(xué)產(chǎn)品，鋼結(jié)構(gòu)可能會腐蝕，在設(shè)計時鋼材質(zhì)量要求嚴(yán)格把關(guān)，涂層要達(dá)到要求。除了這些需要注意的，不同的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計有不同的要求，針對具體的情況，考慮各方面因素，使鋼結(jié)構(gòu)具有良好的設(shè)計穩(wěn)定性能。

結(jié)束語

總的來說，鋼結(jié)構(gòu)和其他建筑材料相比，對建筑的安全性和穩(wěn)定性更為有益，但并不是完美的，鋼結(jié)構(gòu)也存在著一定的不足和缺陷，所以在建筑設(shè)計的時候需要利用鋼材料自身可塑性高，強(qiáng)度好等特點(diǎn)，充分發(fā)揮其在整體建筑結(jié)構(gòu)中的作用去固整體的穩(wěn)定性，保障施工過程中建筑的安全，避免意外事故的發(fā)生。建筑中鋼結(jié)構(gòu)的廣泛運(yùn)用，對我國的建筑水平有了很大的提升。在不久的將來，建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計水平逐漸趨于完善，穩(wěn)定性會有更大的突破和升級，對建筑業(yè)的發(fā)展會產(chǎn)生革命性的重大影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]王志軍.高層住宅鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程及應(yīng)注意的問題[J].中小企業(yè)管理與科技，2010，24（14）：635-636

[2]趙現(xiàn)魯.淺談建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013（12）

[3]陳淑燕.提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計穩(wěn)定性的有效策略[J].城市建設(shè)與商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)，2009

[4]梅庭玉，舒昌林.建筑結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性設(shè)計[J].煤炭技術(shù)，2010（12）

[5]陳銘，何麗麗，鞏偉平.淺談鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計[J].山西建筑，2009

[6]盧秋玉.對建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計及安裝的探討[J].中小企業(yè)管理與科技，2010，36（28）：749-750