建筑工程中鋼結構設計的穩定性與設計要點

王 麗

山西恒達鋼結構工程有限公司 山西 太原 030000

從目前的發展狀況來判斷，目前的建設正處在一個良性的發展時期，隨著建設的規模和數量的增長，需要更多的穩定的結構的設計。由于其施工簡便，工期短，抗震性能好，回收率高，因而越來越多地被采用。然而，在鋼結構的設計中，一些設計者未能全面地顧及到現場的實際，未能對其進行合理的控制，從而保證其整體的穩定和其自身的作用。為此，應對鋼結構的特點和設計原理進行合理的界定，并采用合理、合理的方法來提高其整體的安全、穩定性能。

1 建筑鋼結構設計穩定性介紹

在大部分的建設項目中，鋼結構的形狀和材質都是多種多樣的，因此，為了保證鋼結構的穩定，必須要從結構的設計上對其進行高品質的設計，并對其在使用中的應力進行全面的研究，然后再對其進行全面的分析，最終達到安全的目的。

目前，鋼結構已成為許多建筑工程中最常用的結構形式，工人們在進行鋼結構的設計時，既要考慮到實際的荷載，又要考慮到不同的構件，如何合理地選用不同的構件，以最大限度地減小構件的承載力和產生的可能，從而保證整體的安全。在進行鋼架結構的設計時，要特別注重細節，確保各構件的受力均衡，從而達到整體的整體穩定[1]。

2 鋼結構設計穩定性原則分析

2.1 確定結構安全的設計準則

目前，隨著設計信息化技術的飛速發展，采用計算機技術來監測鋼構件的設計穩定和應力的分配，在設計過程中需要從多個角度來綜合考慮鋼構件的受力性能。要考慮建筑施工環境、施工過程中的荷載因子和水平穩定要求等因素，進行全面的分析，在實際應用過程中，要對房屋的耐久性進行全面的檢驗，以保證其在實際應用過程中的耐久性，特別是某些較小的構件往往是受力最大的，所以要對其進行合理的設計和提高，以保證整體的使用效率。

2.2 鋼結構的剪力協同優化

隨著建筑結構日趨復雜，建筑結構中出現了不均勻性，并逐步成為一種趨勢，斜柱體的應用也日益頻繁，與豎向結構相比，斜柱比豎向結構的斜拉柱有一個相對的傾角，為確保結構的穩定性，需要進行合理的剪力。在設計鋼結構的特定內容時，往往出于簡化的考慮，將豎向構件表示成柱，而對斜立柱表示為斜撐，這樣的設計方法不會對房屋的實際穩定產生任何的影響，但如果進行調節，很可能會被擾亂。于斜柱來說，雖然可以承受橫向的壓力，但在豎直方向上也要承受一定的壓力，如果設計者忽視了豎向的載荷，就會產生剪切誤差，從而對鋼結構的穩定產生不利的作用[2]。因此，在設計階段，根據工程的實際情況，如果有必要進行剪應力設計，就應遵循剪切調節的原理，根據不同的施工條件，靈活地調節剪切力，從而保證鋼結構的穩定。在實際工程中，剪力是比較復雜的，因此，在進行剪力計算時，必須全面地考慮剪力的影響，并做好相應的應力調節。

2.3 強樁弱梁的構造原理

如果鋼制結構的設計是實用的，那么如果它的橫向荷載太大，或要求很大的荷載，那么它就會發生在梁體上，如果它的設計品質不高，它就會發生在立柱上。根據強桿-弱梁法的原理，可以有效地加強鋼架的承載力，從而使其在強度作用下迅速回復到原來的水平。當前，在鋼結構的穩定問題上，必須對其進行分析和計算，以確保其在梁上的表現。在進行結構計算時，必須考慮到結構與實際結構的協調，尤其要重視鋼構件的地震作用，使其與施工的結構符合[3]。

3 建筑工程中鋼結構穩定性設計要點

3.1 負載結構設計

在鋼結構的設計中，應注意對稱和上下穿透性，盡量減小扭轉等問題，增強鋼梁的連續性和穩定性。在鋼結構的設計中，一般采用 L、 T兩種形式，對周邊構件進行加強，從而提高其抗彎承載力，確保鋼材的質量和使用。此外，在結構設計時，應從結構剛度、中心設計和結構設計等多個角度出發，對結構形式進行優化設計，以保證結構的穩定。在抗彎矩的設計中，應全面考慮橫向承載力，對其進行深層次的研究，以確保其穩定。比如，在剪切梁的彎曲強度設計中，不動鉸鏈支架不僅要在水平方向上進行有效的運動，而且要防止結構發生偏移，還要保證結構在水平方向上的旋轉和橫梁的彎曲，從而提高簡支梁的整體穩定，從而實現設計的目的。

3.2 防火設計

鋼鐵建筑的防火性能主要靠選擇合適的耐火材料和涂層來達到。在進行鋼架建筑的消防安全設計時，應先依據建筑的防火級別和不同的火災類別，對其進行合理的規劃，并對所需要的材質和涂層進行分類，然后再按有關規定進行選擇。通常選用厚度較厚、粘結強度大于0.05 MPa的材質作為主要的耐火涂層，而鋼制建筑外層阻燃的主要是硬阻燃板。在選用的時候，要根據耐火指標的需要進行適當的挑選和噴涂，以達到最好的耐火效果，以防止出現問題。在選擇的鋼鐵時，應注意防火檢驗，減少對建材的破壞，確保施工的安全。另外，天花板的裝飾也是一個值得注意的問題。在鋼結構的耐火設計中，可以根據不同的方案進行比較，得出最終的方案，從而達到最佳的防火效果[4]。

3.3 防腐設計

鋼建筑的腐蝕方式有兩種，一是化學侵蝕，二是電化學侵蝕，二者都會對鋼材的耐用性和強度造成一定的損害，所以在鋼結構的設計中必須考慮其防腐的合理性。利用防腐涂料可以有效地抑制鋼構件的銹蝕。從建設和經濟角度來看，在進行防腐蝕的時候，必須對其進行維修和維修的狀況進行全面的研究，從而合理地決定使用的是半永久還是永久的油漆。在進行鋼鐵防腐蝕工程之前，要做好市場調研，根據不同區域的天氣情況，合理的進行防腐蝕措施，以確保工程質量的全面提高。

3.4 穩定性設計

在鋼結構的穩定分析中，一般采用了臨界壓解法和折減率方法來確定其失穩和總剛性。而且，在實際工程中，必須對其進行嚴格的檢驗，以保證其符合設計的穩定性能。在計算關鍵點時， F為 Fn時，其彎矩特性接近于零，因此必須對其進行相應的穩定性分析。在彈性穩定性的計算中，可以采用二次解析法來進行撓度的分析與把握，并利用疊加原則精確地求出其穩定度，以增強結構的穩定性[5]。

由于建筑物的梁、柱構件的塑性區域以柱身為主，尤其是下部的柱身最為突出，因此可以通過增大柱身的截面來探討其對整個體系的穩定作用。構造模型M1 （剖面大小350X300X10X10mm）、M2 （剖面大小350X250X10X10mm）、M3 （橫斷面大小400X400X10X10mm），并根據M1的剖面進行了相應的調節。從載荷-變形關系曲線的坡度可以看出，增大梁的橫斷面大小可以改善 X、 Y向的橫向移動，同時也能降低同樣的載荷水平下的側傾。M2在最大載荷下 X向最大變形量為91.6 mm, Y向最大變形量為527.7 mm，相對于M1-Y向的位移量減少， X向的位移量沒有明顯的改變。由于M2梁的橫斷面稍大于M1，所以其抗側傾增加的范圍很小，因此，其側傾降低不顯著，但其極限承載值有一定的增加；M3在極限加載下，最大 X向最大變形量為96.9 mm, Y向最大位移622.1mm，較M4增加8%，約158%，而最大值則增加33%。結果表明，增大梁的橫斷面大小可以顯著地改善其極限承載力，并且在最大載荷下其延性更好。

4 建筑工程中鋼結構穩定性設計的有效方法

4.1 動力法

在平衡條件下，若受外部擾動的影響，對鋼架系統的影響不大，對其產生的影響也很大。動態方法就是運用動態理論來研究鋼框架的穩定問題，在一個很小的作用下，鋼架會產生一些變形，但這種變形的范圍很小，而且變化很慢，所以可以根據這一特點來決定其穩定的極限載荷。

4.2 能量法

能量法即鐵木辛柯法,當外部載荷大于某一特定的數值，且總勢能達到最大時，該鋼架的初始位置是不穩定的；當外加載荷大于某一特定的數值，且該條件下該鋼架的整體勢能不發生變化，當該應力作用在某一數值上的時候，該載荷即為該極限載荷。利用位能駐點理論對其進行臨界載荷的解析，得到了該系統的動力平衡方程，并得到了該系統的分叉失穩載荷。

5 建筑鋼結構的優勢與不足

5.1 鋼結構的材料優勢

鋼結構是一種用熱軋鋼板、鋼板或沖壓而成的薄鋼板，與水泥等建材比較，鋼的許多優勢在于：首先，鋼的塑性好，強度高，韌性好，適用于高加載及高跨距的結構及構件，而高的延展性、高適應性和高韌度使得鋼材在承受動載荷時不易由于過載而發生故障，同時鋼材還具備較強的吸能性能和較高的伸縮性，從而賦予鋼材極佳的耐震性能。

5.2 鋼結構在建筑上的應用優勢

在工程上，鋼筋所具備的獨特特性是磚混結構和水泥結構所沒有的。第一，鋼材具有優良的強度和較好的韌性，因而具有優良的內部構造，因而具有優良的抗震能力，由于其整體的體積較小，因而具有較低的抗震能力，其較佳的延展能力能夠減輕地震影響；第二，鋼筋也能節約建筑面積，在混凝土澆筑時，管子是穿過橫梁的，因此，其占地面積較大，因此，樓層至頂棚之間的凈距大大縮短；若在梁腹開放的管內，采用鋼管行走于同一樓層，其層間效果的凈值也會增加。另外，相對于常規的建筑，建造大面積的房屋，僅需使用高強度鋼材即可，因此，鋼鐵建筑非常適用于構造較大、跨度較大的房屋。

5.3 鋼結構失穩因素

鋼構件的不穩定是由三個原因引起的：第一，是分支座的不穩定。當負荷增大時，破壞了鋼架的原有平衡，使其處于動態平衡的臨界點。產生該問題的原因是：由于分支點的結構不夠好，提高了直連桿的軸向和提高了平面的承壓能力，導致了局部的不穩定。二是極值不穩定；由于偏壓構件是用鋼制成的，因此，在某一程度上，極點會發生不穩定。工程施工中常常出現偏壓問題，尤其是在采用異型承重或不均勻的結構時，由于附加構件的重量過大，往往會導致工程的實際狀況與設計的內容發生矛盾，從而導致工程不穩定。三是跳躍時不穩定。它是由失去平衡而進入到另外一種穩定狀態，由分支處和極限點引起，從而引起整個結構的不穩，危及工程的安全。在設計時應注意防止跳越不穩定，并根據實際工程特點進行加固，以保證其穩定符合規范規定。

6 華源國際中心項目概況

比如華源國際廣場，位于思明區03-07區域東側A5，整體地形較為平坦，周圍的公路已經完成。該項目占地51589.0m，地面35689.0m2。該項目是由框架-中央（偏）支承系統組成的。建筑的高166.670m，其建筑的最高允許高度沒有超出設計要求。地下四個樓層，主體結構為自然地基，總深度約16m。

其設計參數為按照7°（0.15 g）的地震強度，采取綜合的地震對策和結構地震。由于該項目采用了4個全屋式的地下室，因此，一樓與一樓的設計應以不超過2的比例進行設計，因此，在建筑物的上部結構系統中，應采用下墊板作為必需的嵌固件。按照現行規范的要求，廈門50年內的平均風速為0.80 kN/m2，必須按照 A等級的要求來確定地表的不平程度，而統一的建筑體型結構必須采用1.4的系數值。從本項目的實際情況來考慮，以50年一遇的風壓為基礎，以其1.1的設計荷載為標準。

根據 JGJ 99-2015 《高層民用建筑鋼結構技術規程》6.3.3條的要求，利用 MIDAS/GEN 2015對罕遇地震下的彈塑性問題進行了研究，采用了集中鉸模型構件。從罕遇地震的觀點來看，在討論建筑物的彈性時程時，應充分顧及在不同的震源序列中的相應二向性成分，以及由抗側作用力的順序將其按橫向（x, y）的順序進行。按照1:0.85的規定，可對水平主、次向的加速峰值進行調整。結果表明，在 r方向和 y方向上，層間極限位移角x均為1/65, y-1/69均可滿足1/50的樓層容許需求。在稀震條件下， X、 Y響結構系統中的大部分部件都處于彈性態，一些部件處于I0狀態，而另一些部件（以支承系統的梁末端）則處于 LS狀態，滿足抗震的需要。因此，在罕見的地震作用下，整體的結構系統能夠滿足設計的需要。在實際的施工項目中，往往忽視了結構的穩定對整體施工的影響。應結合具體情況進行深入人的理論研究，以改善鋼架的實際穩定。華源國際大廈就是一個非常好的例子，在此基礎上，運用最合理的計算和研究方法，充分發揮鋼構件的綜合性能。

7 結語

簡而言之，由于我國的快速發展，對建筑的要求不斷提高，建筑的設計和建造技術也日趨成熟，采用鋼構件可以提高房屋的穩定性能，提高房屋在地震和其他自然災害中的安全性能，是目前我國建筑中使用最多的一種結構。鋼架的穩定與人類的利益息息相關，所以設計師必須要有一種嚴謹的心態，掌握好設計的關鍵，然后再對鋼結構進行改進，把所有的工作都做到最好，這樣才能保證整個項目的穩定，為建筑業的可持續發展做出貢獻。