建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的原則與對策

文/徐智勇 大連松巖建筑設(shè)計院有限公司 遼寧大連 116000

1、建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的基本原則

建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的基本原則,主要包括三個方面的內(nèi)容：

1.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原則

因為鋼結(jié)構(gòu)比較特殊、結(jié)構(gòu)比較復雜，故而相關(guān)的工藝設(shè)計和施工工藝存在較大難度，而伴隨設(shè)計工藝和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，借助信息技術(shù)實現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和應(yīng)力分布情況的檢測，已經(jīng)十分常見，故設(shè)計過程中，必須多維度考量鋼結(jié)構(gòu)的承載能力和承載效果。

一方面，要充分考慮到建筑本身施工環(huán)境、建筑使用過程中的荷載系數(shù)、水平層面的穩(wěn)定需求；另一方面，要考慮建筑使用區(qū)域的抗震系數(shù)，保證鋼結(jié)構(gòu)在使用過程中必要的抗震效果和抗震能力。因為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件大多是應(yīng)力比較集中的結(jié)構(gòu)，故有必要提升其穩(wěn)定性和承載效果，實現(xiàn)對建筑鋼結(jié)構(gòu)整體情況的優(yōu)化。

1.2 協(xié)調(diào)性原則

如今，各行各業(yè)出現(xiàn)的建筑工程形態(tài)日趨復雜，尤其是不對稱設(shè)計頻率頗高，并慢慢成為一種潮流。所以，斜柱使用頻率越來越高，同類型的建筑也可謂隨處可見，其較之于一般的垂直構(gòu)件，存在一定角度的傾斜，所以要想保證建筑物的穩(wěn)定性和安全性，就必須設(shè)計一定的剪力。

很多時候，設(shè)計師在進行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時，會出于簡便考量，直接將垂直構(gòu)件表述為柱子，將斜柱表述為斜桿——這樣雖然不至于影響到建筑本身的穩(wěn)定性，但是一旦遇到需要調(diào)整剪力的情況，就會遭受一定程度的干擾。比如對于斜柱來說，因其具有水平受力的功能，同時垂直方向也需要荷載，一旦設(shè)計是忽略了這一部分內(nèi)容，就有可能出現(xiàn)剪力的誤差，進而影響后續(xù)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

鑒于此，設(shè)計師在進行具體設(shè)計的過程中，有必要結(jié)合建筑的實際情況，一旦發(fā)現(xiàn)有需要設(shè)計剪力的必要，就必須遵循相應(yīng)的原則，進行具體的設(shè)計和調(diào)整，進而保證鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.3 強柱弱梁原則

假設(shè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計具有時效性，質(zhì)量較高，那么其在承載水平過大或者強力荷載，塑性鉸就有可能會出現(xiàn)在梁上，反之，就有可能出現(xiàn)在柱子上。秉承“強柱弱梁”的基本設(shè)計原則，可以提高鋼結(jié)構(gòu)的抗壓能力，促使其自身的荷載能力得到進一步提升，以便快速恢復到較為正常的狀態(tài)。

目前鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性需要進行設(shè)計方面的計算和分析，確保塑性鉸能夠準確地呈現(xiàn)在梁上，而要想實現(xiàn)這一目標，就要保證設(shè)計時計算結(jié)構(gòu)和實際構(gòu)造完全一致，尤其是要注意鋼結(jié)構(gòu)的抗震效果。

2、建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析方法

建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析方法是基于概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計法，充分考慮到鋼結(jié)構(gòu)的幾何非線性影響，規(guī)定了二階效應(yīng)的系數(shù)選用。對于軸心受壓構(gòu)件、受彎構(gòu)件以及拉彎壓彎構(gòu)件穩(wěn)定性的分析計算規(guī)范，多采用一階彈性分析法，具體要點如下：

2.1 軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性

軸心受壓構(gòu)件如果不夠穩(wěn)定，多是因為在荷載作用下，軸心桿件的整體剛度不夠，所以軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性分析要點，主要包括這樣幾部分：

首先，結(jié)合桿件支座以及支撐的具體情況，對其長度進行計算，然后根據(jù)計算結(jié)果選擇合適的構(gòu)件斷面、尺寸，合理控制桿件的長短、粗細比例，確定壓桿的整體穩(wěn)定性系數(shù)，以確保構(gòu)件的穩(wěn)定；

其次，桿件之所以會出現(xiàn)局部出現(xiàn)穩(wěn)定的情況，主要是因為組成軸壓桿件的板件彎曲剛度不足，而在荷載作用下，板件出現(xiàn)翹曲變形而致使桿件局部失去穩(wěn)定性。所以要想改變這樣一種情況，就要選擇和是的桿件斷面，亦或者在桿件尚布置加勁肋，保障其穩(wěn)定性。

2.2 受彎構(gòu)件的穩(wěn)定性

受彎構(gòu)件失去穩(wěn)定性，很大程度上是因為在實際工程設(shè)計的過程中，為了節(jié)約材料，讓受彎構(gòu)件的界面的高和寬取較大的值，讓受彎構(gòu)件的平面外抗彎剛度以及抗扭曲度較低，這樣就會導致受彎構(gòu)件在荷載作用下，內(nèi)部彎矩達到臨界值，受壓翼緣發(fā)生屈曲變形。鑒于此，受彎構(gòu)件穩(wěn)定性的設(shè)計要點，包括這樣幾部分：

首先，控制構(gòu)件受壓翼緣不過早，容易產(chǎn)生屈曲變形，其可以通過設(shè)置側(cè)向支撐的方式，來減少平面外的自由長度，或者通過加大構(gòu)件截面寬度的方式，來提高截面模量，進而提高構(gòu)件整體的穩(wěn)定性；

其次，受彎構(gòu)件之所以會局部失去穩(wěn)定性，主要是因為構(gòu)件的腹板與翼緣的寬厚比較大，荷載作用促使構(gòu)件發(fā)生彎曲影響穩(wěn)定性，所以為了改變這一類情況，可以嘗試加大板件寬厚比或者布置加勁肋的構(gòu)造措施的方式。

2.3 壓彎、拉彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定性

壓彎、拉彎構(gòu)件同時承受彎矩、軸壓力或者拉力的情況，屬于復合受力構(gòu)件。相對而言，壓彎構(gòu)件的穩(wěn)定性情況更為突出、也更為嚴重一些，主要包括單向壓彎和雙向壓彎兩種類型。在荷載的作用下，壓彎構(gòu)件容易出現(xiàn)因為彎矩而導致的初始性完全變形，而且伴隨荷載的不斷加大，彎矩和軸壓力所產(chǎn)生的復合應(yīng)力也會不斷加劇，導致構(gòu)件的變形在達到峰值之后，徹底喪失穩(wěn)定性。所以為了避免類似情況，多會采用放大彎矩的方法進行計算。

3、建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計關(guān)鍵點

建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計關(guān)鍵點主要包括兩個方面的內(nèi)容：

3.1 鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

加強和提升鋼結(jié)構(gòu)間穩(wěn)定性關(guān)系，需要格外重視鋼結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造。在針對鋼結(jié)構(gòu)展開設(shè)計時，要確保屋頂框架與屋頂板之間的有效連接，利用二者之間的穩(wěn)定性，來增加鋼結(jié)構(gòu)的抗震效果，進而提升建筑本身的安全性能。

另一方面，支撐的選擇形式及位置，決定了鋼結(jié)構(gòu)的抗震強度，因此在進行抗震設(shè)計時，必須考慮到這些元素，盡可能降低這些元素對鋼結(jié)構(gòu)抗震性能所產(chǎn)生的影響。

3.2 強節(jié)點弱構(gòu)件設(shè)計

結(jié)構(gòu)構(gòu)造需要考慮到連接承載水平，畢竟一旦連接損壞，梁和柱之間的連接會變得十分低效、而且結(jié)構(gòu)同樣容易被損壞。而要想避免這類情況，需要注意的是：

首先，需要從梁端的設(shè)計內(nèi)力開始操作，根據(jù)“強節(jié)點弱構(gòu)件”的基本原則，進行調(diào)節(jié)和設(shè)計；

其次，應(yīng)當采取必要的措施，來避免不良境況的出現(xiàn)。比如當光束的端部得到釋放時，框架構(gòu)件就能夠顯示出塑性構(gòu)造損壞以前的變形，其中地震能量存在的目的在于保障，如果采取節(jié)點加焊接蓋的方式，那么連接靈活性與整體輪廓束相比較，所面臨的承載力更大，若采用法蘭連接，那么其抗沖擊的性能，就必須滿足相應(yīng)的要求和標準。

如今，中國的建筑行業(yè)也發(fā)展到一定水平，而相關(guān)的施工技術(shù)以及設(shè)計質(zhì)量也在穩(wěn)步提升當中。鑒于如今我國建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場的具體情況，要采取合理有效的手段，對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計展開優(yōu)化，確保未來建筑工程整體質(zhì)量的提升。