建筑鋼結構設計中穩定性措施的探討

張榮杰

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引言

建筑行業的快速發展促使建筑中使用的技術不斷在創新和改變，在建筑設計方案中進行鋼結構設計，主要是因為鋼結構穩定性和經濟性良好，不僅能夠提升建筑物整體的質量，同時能夠確保建筑物具有良好的防震性能，因此，建筑結構行業對鋼結構設計中的穩定性非常重視，設計人員在設計鋼結構穩定性的過程中，需要科學采取措施提升鋼結構的穩定性和安全性。

1 建筑鋼結構設計中存在的問題

1.1 沒有合理的設計方案

隨著時代的發展和建筑規模的擴大，建筑工程設計使用的施工材料和施工技術也不斷在更新和優化，在實際建筑工程設計方案中，針對鋼結構的設計方案還不完善，部分設計人員在設計鋼結構的過程中主要是發揮鋼結構的優勢。例如，鋼結構能夠通過H形鋼柱或者H形鋼屋梁的形式進行應用，確保建筑整體的穩定性，然而在設計鋼結構的穩定性過程中忽視了鋼結構的不足。例如，鋼結構使用的鋼材沒有較好的耐火性和耐腐蝕性，所以在實際設計鋼結構應用的過程中，還需要做好嚴格的防護工作，從而確保鋼結構具有較強的穩定性和實用性。

1.2 設計中對鋼結構的安全性缺乏考慮

在建筑工程設計中，設計人員理念的轉變也促使鋼結構的體系發生變化，我國雖然制定了《鋼標》《門規》等規范要求的范文，但是在實際設計中，部分設計人員并未充分根據國家規范要求進行鋼結構設計，這樣就導致在實際鋼結構施工中很容易出現安全性的細節問題，加上部分設計人員對專業技術沒有熟練掌握，設計中沒有正確計算鋼結構的穩定性相關的參數、限值、受力、變形等參數數據，導致實際的鋼結構設計和施工中存在安全隱患。

1.3 設計中未充分考慮隨機因素

在鋼結構穩定性設計的過程中，部分設計人員并沒有將隨機因素的影響進行考慮，最終導致鋼結構穩定性存在一些問題。所謂的隨機因素主要包括：首先是物理和幾何層面的不確定性，因為材料、截面積、初始缺陷等物理因素存在不確定性；其次是在統計上存在不確定性，在物理和幾何測量的過程中主要是根據有限的樣本進行概率密度和分布函數統計，因為信息的缺失，很容易導致統計方面存在不確定性；最后是模型方面存在不確定性，在鋼結構設計中主要是提供假設，建立力學模型，根據計算結果對鋼結構穩定性進行設計，然而理論和實際的結構承載力是存在一定的差異，因此模型的不確定性也會影響到最終鋼結構的穩定性設計。設計人員在實際鋼結構穩定性設計中未考慮隨機因素也會影響到最終的設計[1]。

2 建筑鋼結構穩定性受到影響的因素

在建筑工程中，鋼結構會因為各種因素的影響導致自身沒有較好的穩定性，最終導致建筑物存在安全隱患，無法保障建筑物整體的安全。影響建筑結構穩定性的因素主要有以下幾點。

2.1 鋼結構自身因素

針對鋼結構，首先影響鋼結構穩定性的因素在于其自身，鋼結構自身的框架或者是排架是否剛度達到要求，以及鋼結構在水平方向支撐時的負荷強度是否可控，會影響到鋼結構的橫向穩定性。鋼結構構成的屋架需要有支撐外部的負荷，地震、吊車、風力等都會影響到鋼結構，若是鋼結構形成的鋼柱和屋架負荷強度低，將會對整體的穩定性造成影響，為后續施工以及居住造成安全隱患。其次，鋼材的初始缺陷包含結構整體的初始幾何缺陷和構件的初始幾何缺陷、殘余應力及初偏心。結構的初始幾何缺陷包括節點位置的安裝偏差、桿件的初彎曲、桿件對節點的偏心等。一般來說，結構的整體初始幾何缺陷的最大值可根據施工驗收規范所規定的最大允許安裝偏差取值，按最低階屈曲模態分布，但由于不同的結構形式對缺陷的敏感程度不同，所以，各規范可根據各自結構體系的特點規定其整體缺陷值。

2.2 鋼結構構件因素

鋼結構穩定性也與構件桿件高厚和長細比例有關，若是構件桿件高厚和長細比例不符合標準要求，即使建筑物不受較大的負荷，也很容易導致鋼結構出現變形、彎曲現象，降低鋼結構的穩定性。建筑中鋼結構發生失穩現象一般有分支點失穩，極值點失穩，跳躍式失穩，設計人員在使用直接計算分析方式進行構件的長細比值計算和分析，得出的數值與計算長度限值的規定有所不同，最終的長細比限值存在一定的誤差，很容易造成最終施工使用的鋼構件結構存在一定的偏差，無法達到施工要求，在施工中有可能會造成一定的安全風險。

2.3 鋼結構設計人員因素

隨著計算機技術在不同行業的廣泛應用，在鋼結構穩定性設計中，設計人員也會借助計算機等設備進行整體結構穩定性和平面內的強度計算，設計人員會對鋼結構的構件和結構平面外的強度和穩定性計算，通過對相關數據的分析、計算和設計，按照標高分解整個鋼結構，對不同水平荷載下的多個結構體系進行簡化計算，設計人員自身的專業技能和計算能力將會影響到最終的鋼結構穩定性設計，若是設計人員在計算和穩定性分析中出現誤差，很容易導致整個鋼結構的穩定性設計存在巨大的偏差，最終影響到鋼結構的設計和后期施工[2]。

3 建筑鋼結構穩定性設計的有效措施

在設計建筑鋼結構的過程中，設計人員需要按照鋼結構設計的規范嚴格進行穩定性設計，同時還需要將建筑工程的實際操作標準進行結合，從而合理進行鋼結構穩定性設計。為了能夠順利開展建筑工程的施工作業，在設計建筑鋼結構穩定性的過程中應該采取的措施有：

3.1 對鋼結構的布置和形式進行合理確定

在鋼結構的穩定性設計中，設計人員需要從總體結構進行布局，以整體系統和局部的鋼結構穩定性要求，充分考慮平面結構的設計系統，例如框架的設計，在設計平面鋼結構設計的過程中，根據相關系數計算，設計出穩定的平面鋼結構，若是設計的平面結構存在不穩定的現象，則需要從結構的總體進行分析和布局，合理設計支撐構件，促使整個結構整體上具有穩定性?？傊?，在鋼結構穩定性設計的過程中，設計人員需要根據鋼結構的整體系統和局部框架進行合理布局和構件設計，從而確保設計的鋼結構具有穩定性。

3.2 合理分析鋼結構的受力情況

鋼結構的關鍵指標之一就是其受力水平，在設計過程中，設計人員需要對鋼結構的承重負載能力進行考慮和分析，一般設計成L或者是T形的鋼結構具有較強的穩定性，對建筑整體的重量進行分散，平衡進行建筑支撐。另外，在設計中還需要對建筑鋼結構的動力和靜力進行分析，前者主要是分析垂直方向的受力，在設計中需要確保通過外力施加促使鋼結構垂直方向進行振動，觀察鋼結構的變形情況以及振動的具體速度，之后計算出鋼結構垂直方向的受力臨界值；后者主要是在鋼結構設計中，通過施加外力觀察鋼結構細微的形變情況，在分析受力的基礎上進行平衡微分方程構建，從而計算出鋼結構水平方向的受力臨界值。通過分析受力，可以有針對性地對設計方案進行改進和調整，從而提高鋼結構整體的穩定性。考慮到鋼結構不同的部位具有不同的受力情況和穩定性要求，所以在設計中需要具體分析受力。例如，鋼梁架在縱向和水平方向都需要分析和計算受力情況，將不同部位的受力特點進行分析，從而確保鋼梁架具有較強的穩定性。

3.3 科學分析鋼構件的變形問題

在構建鋼結構的過程中需要對鋼結構的荷載進行分析，鋼結構在荷載方面具有偶然、可變、永久荷載等類型，這些荷載類型需要根據不同的標準值進行分析和參考，同時在不同因素的影響下，很容易導致鋼構件出現變形問題，所以在設計鋼結構的過程中，設計人員還需要對鋼結構的合理性和實用性特點進行考慮，在規定荷載能力范圍內，確保建筑更加穩固，并具有美觀性。

3.4 結合鋼結構的計算方法進行設計

在鋼結構的設計過程中，設計人員需要結合建筑整體的圖紙和結構計算簡圖，采用使用的計算方法對鋼結構和構件進行設計，從而確保設計的框架結構更加穩定，即在設計鋼結構穩定的過程中，計算是非常重要的。根據《鋼標》中關于鋼構件穩定的計算方法，充分考慮影響鋼構件穩定的不同幀列長度等因素，合理設計不同幾何規則的彎曲度，等確保最終呈現的鋼結構框架具有穩定性，按照幀穩定性計算柱的方式對鋼構件穩定性進行確定，根據計算進行鋼結構繪制。

3.5 設計中充分結合組件穩定性計算和設計結構

在鋼結構設計的過程中需要充分結合結構計算，根據傳遞力矩和不通過的節點進行連接，從而確保結構具有足夠的剛性和彈性。然而在進行穩定結構的設計中需要特殊考慮和設計，比如說在進行簡支梁的抗彎強度設計中，設計鉸鏈軸承不僅是為了避免簡支梁出現位移，同時也是為了確保簡支梁能夠在平面進行旋轉，所以在進行光束穩定性設計中需要充分考慮和設計阻擋光束的縱向軸線轉動，從而確保設計的鋼結構更加穩定，符合設計和施工要求。

3.6 設計鋼結構其他細節

在鋼結構穩定性設計的過程中除了要考慮鋼結構受力、彎曲變形、結構設計、穩定性計算等方面因素的影響，同時為了確保鋼結構具有穩定性和較長的使用壽命，還需要在鋼結構上進行其他功能的設計。

首先是要進行防火設計，鋼結構在實際使用中會受到溫度的影響，所以在設計環節中，設計人員需要到實際現場進行考察，根據具體的施工情況以及周邊環境對設計方案進行合理設計；同時，設計人員在優化設計方案的過程中需要充分考慮防火材料的性質、鋼結構的位置、經濟預算、防火后鋼結構的承重情況以及空間占據面積等因素，從而提升鋼結構的防火性能；另外，為了確定使用負荷防火等級的鋼構件，設計人員還需要確定建筑的防火等級，減少火災對鋼結構的影響，一般在鋼結構防火設計中會使用防火層，從而減小鋼結構的傳熱系數，延長鋼結構的耐火時間。

其次是進行防腐蝕設計，因為潮濕因素的影響，鋼結構會因為氧化而出現腐蝕現象，嚴重腐蝕之后，鋼結構會縮小界面，構件表面會出現銹坑，同時受力部位也會產生過于集中的應力，從而縮短鋼結構的使用壽命。在實際防腐蝕設計中，設計人員需要根據建筑環境進行防腐設計方案的規劃。一般在防腐蝕設計中使用的涂料具有較強的致密疏水性、較大電阻和較強的附著力，因此，在鋼結構表面可以均勻涂抹防腐蝕涂料，從而在表面形成保護膜，增強鋼結構的防腐蝕性[3]。

最后是要做好抗震設計，確保建設的建筑物是在堅硬或者是中硬的場地施工，從而保證地震時，建筑鋼結構具有一定的穩定性，減少受到震害的影響；同時還需要整體進行結構布局設計，確保建筑鋼結構具有對稱的形狀和結構，避免剛度中心過大偏離質量中心；此外，根據建筑得使用性能和環境，設計人員還需要設計對稱、均勻的鋼結構布置，避免破壞節點。

4 結束語

總之，建筑鋼結構是建筑物整體的支撐結構，在建筑行業中廣泛應用鋼結構，從而降低建筑的施工成本，提升建筑施工的效率，延長建筑的使用壽命，同時提升建筑的穩定性、抗震性，保證建筑整體的質量。