建筑鋼結構設計中穩定性探討

李紀果，丁國治，尹海松，安偉東，于海濱

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京100176）

1 引言

鋼結構是現代建筑工程的主流結構形式之一，其在廠房、橋梁、劇院等大型建筑設計領域中均有應用。20 世紀，受限于鋼材冶煉技術，建筑用鋼材的碳含量偏高，在韌性、耐腐蝕性方面不占優勢，以致建筑設計行業并沒有給予鋼結構較高的重視[1]。近些年，金屬冶煉技術有很大的發展與進步，生產出大量的高強度、高韌性、耐腐蝕的建筑用鋼材，使鋼結構逐漸成為建筑行業的“新寵”。將鋼結構用于工程建設中，能減輕建筑結構整體自重，全面提升其安全性。但是，隨著建筑行業的發展，建筑鋼結構應用條件的日趨復雜化對其穩定性提出了更高的要求，故而應持續提高鋼結構的穩定性，保證建筑的使用安全。

2 建筑鋼結構設計穩定性概述

首先，當前建筑領域中采用的鋼結構構成形式、材料成分等均表現出多樣化特征，為確保其穩定性符合設計要求，應做好結構承載力的計算工作，客觀分析鋼結構使用過程中的應力分布與需求，在此基礎上實現科學選材，合理設計構件、節點等，進而從根本上使結構穩定性得到保障。其次，鋼結構作為建筑工程的常用結構之一，設計時要整體分析建筑整體受到的載荷，確保鋼結構使用過程中不會因承載力不夠而出現局部變形、塌陷等問題[2]。最后，實際設計工作中，要完善各種細節設計，確保不同結構之間應力平衡，否則可能會因一個部位設計不完善而造成綜合穩定性不達標。

3 鋼結構穩定性設計的原則

3.1 維持各個層面的穩定性

因為鋼結構早期工藝設計流程復雜且操作難度高，具體設計時，要配合使用計算機軟件進行質檢，只有在其質量達標后方可用于建筑建設領域中。設計時，要綜合結構阻尼比、水平荷載系數等指標的檢測值，以及本地環境的最大風荷載、抗震系數等指標，確保結構有足夠強的抗震能力。另外，還要重視對小構件以及連接構件的受力分析，從而確定科學的節點設計，確保各結構連接的穩定性與承載力符合工程要求。

3.2 合理調整剪力

新時期下，不對稱式建筑設計逐漸成為建筑設計的潮流之一，這也是斜柱構造廣泛用于建筑建設領域的主要原因。和垂直構件相比較，斜柱傾角較大，對建筑構件承受剪力的能力提出了較高的要求。鋼結構的具體設計過程中，一些設計者為了使設計過程便捷化，常規做法是把垂直構件簡化為柱子，將斜柱簡化成斜桿，盡管以上設計方式不會給建筑的整體穩定性造成負面影響，但很難實現對剪力的精準調整。斜柱的主要作用是支撐水平方向的荷載以及部分豎向荷載，若忽視了豎向荷載，計算出的剪力值會有一定的誤差，對建筑鋼結構的穩定性形成負面影響[3]。為規避以上情況，設計者應堅持科學調整剪力的設計原則，結合施工方式靈活調整，進而使整個鋼結構的穩定性得到保障。

3.3 完善強柱弱梁的設計

遵照強柱弱梁設計原則有助于強化鋼結構的抗壓性能，進而提升鋼結構的承載力。為提高鋼結構的穩定性，相關人員要確保建筑構造和測算所得結果統一，加強鋼結構的抗震設計，使其符合相關設計規范的要求。

4 穩定性設計及驗證

4.1 穩定性設計要點

4.1.1 科學選型

為確保建筑鋼結構的穩定性，首先，在結構布置過程中，要嚴格遵循簡易、規整、對稱的原則，確保剛度中心與質量中心重合，這樣能提高建筑的抗震性能，當建筑建設區域發生地震災害時，建筑結構能較好地規避局部扭轉效應，進而提升建筑物的安全性與穩定性。其次，不推薦布置角部重疊或“細腰形”鋼結構，不宜采用外凹或內凸的縱向結構。最后，進行建筑鋼結構的底部構造設計，T 形、L 形、U 形鋼結構是常用結構類型，對其進行規范使用能削弱自然災害對建筑鋼結構造成的不良影響，進一步提升整個建筑的穩定性[4，5]。

4.1.2 輔助計算機及相關軟件進行設計

當前，可以采用計算機輔助執行鋼結構設計中的結構與構件的平面內強度及綜合穩定性的計算工作，可以依照標高分解整個建筑結構，能顯著提升設計工作效率，進而更加精準地計算出其強度與穩定性。

4.1.3 構件設計

構件設計為鋼結構設計的基礎內容，也是影響結構穩定性的重要因素之一。首先，要嚴格依照國家相關標準的要求選擇適宜的構件材料，且材料要和鋼結構的綜合應力要求相符。其次，組裝構件環節中，要確保結構始終維持平衡狀態，進而使鋼結構得到較強的力學傳導和力學擴散性能。最后，確保鋼材柔性結構的穩定性符合要求，將其應用過程中出現的形變量對結構造成的影響降到最低，進而使整個建筑的建設質量得到保障[6-9]。

4.1.4 受彎鋼構件局部穩定性

要提高受彎鋼構件局部穩定性，可以采用如下方法：

1）控制板件的寬厚比，使其能達到屈曲的極限承載能力要求，在整個構件失效之前不會發生屈曲；

2）在整個構件失效前允許板件屈曲，利用屈曲后的強度使構件的承載力滿足要求；

3）給梁增設橫向或縱向勁肋，借此方式提高梁體局部穩定性。

4.1.5 軸心受壓及壓彎構件局部穩定性

可以嘗試采用如下2 種方式：

1）調控翼緣板自由外伸寬度和厚度的比值；

2）控制腹板計算高度和厚度的比值，如果面對的受壓構件是圓管截面，則應嚴格控制外徑和壁厚的比值。

4.1.6 加固設計

1）加固構件截面。在鋼結構設計方案中，可以嘗試把單個桿件受彎轉變為數個桿件受彎，分散其承擔的集中載荷，間接調整鋼結構頂端的支撐力。支座和筒支的連接處應用鋼結構，且要配合使用撐桿支撐結構，有針對性地調整鋼結構內連續結構的位置，使預應力拉桿能更好地承受分布界面的內力。

2）加固處理連接位置。可以在精準分析鋼結構的受力狀態、建設要求與條件等方面的基礎上，應用鉚釘、焊接、螺栓等方式加固鋼結構的連接位置，也可以嘗試運用混合銜接形式，使高強度螺栓的功能與作用充分發揮出來[5]。當前，為提升鋼結構的穩定性，可以結合建筑鋼結構加固的原因、目的、受力狀況、構造及現場施工條件等，有針對性地完善加固方案。比如，南京長江大橋的鋼桁梁早些年間應用的聯結工藝便是采用鉚釘燒紅對正鉚孔，隨后再配合使用風槍擠壓鉚固聯結而成的，板層數目達到9 層，板束最厚達到了180 mm，鉚釘數量高達1.5×106個，將長江大橋的數個鋼桁梁聯結在一起。

4.1.7 防火設計

既往有大量的工程實踐表明，建筑鋼結構的耐火性不高，若建筑物外部溫度＞430 ℃，其負載能力會快速降低，對整個建筑的安全性造成負面影響。鑒于以上情況，應有針對性地完善鋼結構的防火設計工作。推薦選用防火性能較強的建材，如防火涂層厚的材料，其阻燃性較高，這是提升鋼結構防火性能的重要措施。建設施工時，要對材料進行阻燃和防銹處理，確保鋼結構符合防火設計標準。

4.2 穩定性驗證方法

4.2.1 分析阻尼數值

阻尼數值的分析是鋼結構穩定性分析的重要內容之一，若阻尼比始終是一個穩定值，或者僅有小幅度變化，則說明鋼結構具有較強的穩定性[10]。建筑結構阻尼比統計見表1。

表1 阻尼比參數值統計

4.2.2 判定長細比

建筑鋼結構的穩定性會隨構件長細比的增加而減弱。故而，設計人員應依照現行設計規范，綜合多方面因素，合理確定長細比，保證建筑鋼結構的穩定性[11]。

5 結語

鋼結構的穩定性對建筑物的質量安全與使用壽命長短起著決定性作用，設計人員在工作中應進行精準計算，整體分析不同結構之間的受力關系，認真做好鋼材的防腐、防火設計等，盡可能地消除影響鋼結構穩定性的不利因素，將鋼結構的優勢最大化，進而為建筑行業持續發展保駕護航。