建筑工程鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)分析

張小芳

山東萊鋼建筑設(shè)計(jì)有限公司 山東青島 266071

建筑行業(yè)中普遍將鋼制材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)稱之為鋼結(jié)構(gòu)，其能夠在外界干擾及多種作用力下始終保持和迅速恢復(fù)到最初的平衡狀態(tài)，這一屬性稱之為鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這主要是因?yàn)椋撝撇牧蠒?huì)在外力作用下發(fā)生失穩(wěn)，從而會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的平衡發(fā)生變化，促使建筑馬上或者在后期使用過(guò)程中發(fā)生結(jié)構(gòu)性的破壞，直接影響到建筑的安全性及使用年限。

1 造成鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)失穩(wěn)的主要原因

1.1 剪力設(shè)計(jì)存在調(diào)整不均勻的問(wèn)題

由于人們對(duì)建筑的審美發(fā)生了極大的改變，使用需求也越來(lái)越豐富，就導(dǎo)致各種不對(duì)稱的建筑大量建設(shè)，這對(duì)設(shè)計(jì)者的建筑剪力計(jì)算、設(shè)計(jì)方面的水平要求頗高。這些不對(duì)稱的建筑群體與傳統(tǒng)的對(duì)稱建筑相比，其出現(xiàn)傾斜的概率更大，對(duì)設(shè)計(jì)師的鋼結(jié)構(gòu)剪力設(shè)計(jì)要求更為嚴(yán)格。但是我國(guó)大多設(shè)計(jì)者在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，其為了節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間、簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程，直接將垂直結(jié)構(gòu)的構(gòu)件簡(jiǎn)化為柱子，將傾斜的斜柱視為斜桿，導(dǎo)致在調(diào)整框架柱剪力時(shí)發(fā)生計(jì)算偏差，最終促使建筑設(shè)計(jì)存在不科學(xué)之處。要知道，斜柱在建筑使用過(guò)程中不僅要作為水平方向的支撐，同時(shí)也是建筑豎直方向支撐荷載的主要結(jié)構(gòu)，就是這部分的荷載造成建筑的整體剪力的計(jì)算偏差，促使建筑發(fā)生傾斜。

1.2 強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)問(wèn)題

根據(jù)國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)及建筑行業(yè)的行業(yè)規(guī)劃的要求，在對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)弱梁的彈塑性予以重點(diǎn)分析和計(jì)算。通過(guò)長(zhǎng)期的研究，讓人們發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)科學(xué)和安全需要弱梁具有一定的彈塑性。不管是在強(qiáng)震之下，還是構(gòu)件受荷非常大的狀態(tài)下，鋼結(jié)構(gòu)的塑性都是出現(xiàn)在梁上。因此，在對(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果想要其具有較強(qiáng)的抗壓性，且能夠及時(shí)恢復(fù)到建筑最初的平衡狀態(tài)，保護(hù)建筑不被傾斜所破壞，就需要在對(duì)弱梁的彈塑性予以重點(diǎn)分析和設(shè)計(jì)，促使其在抵抗外力作用發(fā)揮出優(yōu)秀的表現(xiàn)。因此，在后期的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該對(duì)強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)加以注意[1]。

1.3 鋼制材料本身的缺陷導(dǎo)致的設(shè)計(jì)問(wèn)題

現(xiàn)階段我國(guó)鋼制材料在制作經(jīng)過(guò)了冶煉、澆筑以及軋制等環(huán)節(jié)，且生產(chǎn)量巨大。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，往往會(huì)因?yàn)榫薮蟮漠a(chǎn)量和復(fù)雜的制作過(guò)程導(dǎo)致鋼制構(gòu)件的質(zhì)量參差不齊。同時(shí)，鋼材本身就有耐熱能力高、耐腐蝕能力差的特點(diǎn)。在日積月累的使用過(guò)程中，風(fēng)吹雨淋會(huì)建筑的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件會(huì)發(fā)生裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性發(fā)生改變。

1.4 設(shè)計(jì)人員水平問(wèn)題

目前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員水平參差不齊，許多設(shè)計(jì)人員缺乏穩(wěn)定概念，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)只注重結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算，忽視了構(gòu)件、整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定驗(yàn)算，另外設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算簡(jiǎn)圖及支座約束條件與實(shí)際受力狀態(tài)不符，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)的情況[2]。

2 增加鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的相關(guān)設(shè)計(jì)方法

2.1 增強(qiáng)對(duì)總體穩(wěn)定性分析

為了延遲建筑的使用年限，強(qiáng)化建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)師在對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性予以設(shè)計(jì)時(shí)，不要局限于單一的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，要結(jié)合施工場(chǎng)地的具體情況，仔細(xì)分析建筑所在區(qū)域的環(huán)境，盡量選擇技術(shù)較為成熟的對(duì)稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)建筑的抗震系數(shù)、水平荷載系數(shù)進(jìn)行反復(fù)、多次的計(jì)算，對(duì)建筑使用過(guò)程中產(chǎn)生的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮與核算，通過(guò)結(jié)合實(shí)際的建筑情況來(lái)確定最終合理的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2.2 加強(qiáng)靜力分析以及動(dòng)力分析

建筑工程鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)主要可以分為靜力分析和動(dòng)力分析這兩個(gè)方面，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮到工程的實(shí)際狀況和當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境對(duì)建筑可能造成的影響，對(duì)建筑通過(guò)微小形變后的鋼結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析，且建立靜態(tài)分析平衡微分方程，計(jì)算出建筑鋼結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的壓力載荷臨界點(diǎn)。同時(shí)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)體系的平衡狀態(tài)下的外部荷載小擾動(dòng)予以計(jì)算，如果建筑上存在震動(dòng)荷載，如果設(shè)備震動(dòng)頻率與建筑結(jié)構(gòu)自震周期相同，從而導(dǎo)致建筑與設(shè)備出現(xiàn)共同振動(dòng)現(xiàn)象，鋼結(jié)構(gòu)建筑的受荷情況就會(huì)發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)受到的負(fù)荷高于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的極限負(fù)荷值時(shí)，鋼構(gòu)件就會(huì)出現(xiàn)變形，從而影響建筑使用，甚至?xí)o建筑帶來(lái)破壞。因此，設(shè)計(jì)師在對(duì)工程鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)的靜力分析以及動(dòng)力分析。

2.3 增加節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性分析

由于設(shè)計(jì)人員會(huì)在設(shè)計(jì)流程進(jìn)行簡(jiǎn)化來(lái)節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，直接將建筑鋼結(jié)構(gòu)中的相關(guān)柱梁連接簡(jiǎn)化為剛性連接或者理想的鉸接。這樣會(huì)導(dǎo)致這些梁柱會(huì)存在力的夾角，在后期計(jì)算中這些梁柱則不會(huì)對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的彎矩進(jìn)行傳遞，最終使得建筑設(shè)計(jì)框架的側(cè)移量估計(jì)值減少、導(dǎo)致后續(xù)建筑鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)框架側(cè)移量過(guò)多，最終使得建筑的鋼結(jié)構(gòu)承載力不能符合建筑實(shí)際使用的需要。因此設(shè)計(jì)者在對(duì)鋼制結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性分析予以強(qiáng)化，通過(guò)設(shè)計(jì)出科學(xué)的建筑鋼結(jié)構(gòu)柱體穩(wěn)定承載力理論值來(lái)保證鋼制結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程具有良好的穩(wěn)定性[3]。

2.4 加強(qiáng)相關(guān)人員的培訓(xùn)

鋼結(jié)構(gòu)建筑相較于傳統(tǒng)混凝土建筑設(shè)計(jì)存在一定的差別，相關(guān)設(shè)計(jì)人員及設(shè)計(jì)單位要加強(qiáng)對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)及培訓(xùn)工作。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在當(dāng)前我國(guó)飛速發(fā)展的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)下，建筑行業(yè)也發(fā)生了質(zhì)的飛躍，不僅推動(dòng)了城市化進(jìn)程發(fā)展腳步，也帶動(dòng)了與建筑行業(yè)相關(guān)的附屬行業(yè)。在此背景下，建筑設(shè)計(jì)者應(yīng)在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的指導(dǎo)下，不斷豐富自我設(shè)計(jì)理念、扎實(shí)自己基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)分析予以不斷的強(qiáng)化，通過(guò)科學(xué)的設(shè)計(jì)來(lái)保障建筑的使用安全和期限。