濟南埃菲爾花園項目鋼結構設計的穩定性分析

高 彥

（甘肅省科工建設集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

近年來我國建筑鋼結構工程的設計受到廣泛重視，鋼結構穩定性設計的研究提上日程，韋婉等[1]提出了關于鋼結構樞紐工程的穩定性設計建議，強調在鋼結構設計的過程中，重點提升結構的穩定性，預防因為結構穩定性存在問題導致鋼結構工程的強度和可靠性受到不利影響。周佳等[2]強調鋼結構的設計，需要保證鋼結構和鋼材料、混凝土的穩定性組合，提升項目的穩定性，為本文的研究提供了參考依據。本文研究中以某鋼結構工程為案例，提出鋼結構設計的穩定性措施，創新之處在于分析鋼結構穩定性的影響因素，以影響因素為基礎探索如何增強鋼結構設計的穩定性，為我國鋼結構設計過程中有效控制整體結構穩定性提供幫助。

1 案例分析

濟南埃菲爾花園項目的位置是在濟南槐蔭區，建設工程是1A 級住宅，建筑總面積為4.8 萬m2，有三棟樓是小高層，三棟樓是多層住宅。小高層的部分采用鋼框架-中心支撐結構，建筑框架柱使用的是箱型截面，中心支撐部分應用的是圓鋼管，框架梁的部分、樓面次梁的部分，應用的是H 型鋼材料。多層住宅的三棟樓，使用的是純鋼框架體系，梁柱的部分，應用熱軋H 型鋼材料，應用的鋼材料數量是2 300t，H 型鋼材料的數量是900t。該工程項目的地理位置優越，交通條件良好，處于溫帶季風氣候區域，人文環境良好，是典型的鋼結構工程項目。

2 建筑鋼結構設計中穩定性影響因素

濟南埃菲爾花園鋼結構項目雖然是我國典型的鋼結構工程，但是在設計的過程中，鋼結構設計穩定性受諸多影響因素，導致鋼結構穩定性難以滿足要求。

2.1 構件因素

首先，鋼結構的穩定性和鋼構件的桿件高度、厚度比例，或是長度和細度比例存在直接聯系，如果鋼構件的桿件長度與細度比例、高度與厚度比例不合格，即使鋼結構承載的重量和負荷不是很大，也會發生變形和彎曲的問題，使整體結構的穩定性降低。建筑工程項目中鋼結構出現穩定性的問題，可能會導致分支點的部分、極值點的部分缺乏穩定性，或是出現跳躍式失穩的現象，為有效預防此類問題，需要設計人員計算構件的長度和細度比例，獲得相應的數據值，但是由于所得到的數據值和對長度限制值進行計算的規定有所不同，導致最終設計的構件長度與細度比例限值存在誤差，可能會引發結構失穩的現象；其次，建筑鋼結構穩定性最為重要的影響因素就是鋼結構本身，如果鋼結構框架或是排架的剛度不符合標準、水平方向支撐過程中負載強度控制性能較低，都會導致結構的橫向穩定性降低。對于鋼材料構件所組合而成的建筑物架，需要對外部的荷載和地震作用力、風力等環境因素有著支撐的作用，如果鋼柱和物架的承載力不足，會導致結構穩定性受到不利影響；最后，鋼結構的構件可能存在初始幾何缺陷問題、殘余應力問題、偏心問題等，例如：鋼構件安裝的過程中，節點安裝有偏差、桿件存在彎曲的現象或是節點偏心的問題，都是構件的初始集合缺陷，如果不能合理進行此類缺陷問題的控制，將會導致鋼結構的穩定性降低，不能滿足建筑工程的穩定性要求。

2.2 設計因素

鋼結構設計中多數設計人員也會采用信息化技術進行結構穩定性和平面強度的計算分析，根據建筑標高進行鋼結構的分解，簡化計算結構不同水平荷載作用力下的體系形式，利用科學合理的計算方式明確鋼結構的穩定性設計方法。但是由于部分設計人員缺乏專業的能力和計算技能，不能準確采用現代化的信息技術和軟件等開展鋼結構穩定性計算工作，甚至會出現穩定性分析和計算的誤差問題，導致設計工作不良，不能按照建筑工程的特點和鋼結構的特點等準確完成結構穩定性的設計工作，最終導致因為設計因素的影響使整體結構的穩定性難以提升。

3 建筑鋼結構設計中穩定性措施

埃菲爾花園項目的鋼結構設計中，為提升整體結構的穩定性，按照結構穩定性影響因素，采用以下幾點措施改善設計模式：

3.1 構件的合理選擇

在建筑工程鋼結構設計工作中，結構穩定性問題的分析是以外部荷載作用條件和環境中進行，所以在鋼結構或是鋼構件不穩定分析的同時，也需要同步進行變形分析，通過科學合理的分析方式，準確研究建筑鋼構件的情況，為構件的良好選擇提供保障，如圖1 所示。（1）鋼構件穩定性分析方面，可采用靜力分析法，利用靜力平衡的方式和已經出現略微變形的構件受力作用相整合，創建相應的平衡微分方程，以此為基礎，準確分析構件的臨界荷載，明確構件的穩定性是否符合要求。或是采用動力分析方法，在平衡狀態的鋼構件上施加略微的干擾，使鋼構件能夠產生振動，在此過程中結構產生變形或是振動速度加快，都與構件的荷載存在直接聯系，如果鋼構件實際荷載低于極限荷載數據值，變形方向和加速度方向呈現相反的狀態，去除荷載之后，構件從運動狀態改變為靜止狀態，就證明鋼構件又恢復到了平衡狀態，代表構件具有一定的穩定性；（2）為確保在設計工作中能夠選擇穩定性較強的鋼構件，設計人員需按照建筑工程的圖紙和鋼結構的計算簡圖，準確進行構件的穩定性計算分析，按照我國《鋼結構設計標準》相關的規定進行構件穩定性計算，綜合分析對構件穩定性造成影響的陣列長度等各類因素，計算不同構件的彎曲度，最終選擇穩定性符合要求的構件設計形式；其三，根據建筑工程項目的情況，編制不同的鋼構件設計方案，在現場開展試驗分析工作，對比分析不同設計方案的應用效果，最終選擇能夠保證鋼結構穩定性的構件設計方案，從而增強鋼構件的穩定性。

圖1 鋼構件的選擇

3.2 設計方案的優化完善

建筑鋼結構設計中為有效解決結構穩定性問題，需要重點完善和優化設計方案，如圖2 所示。

圖2 鋼結構穩定性設計方案的優化

3.2.1 結構布置形式的設計

建筑鋼結構的穩定性設計，需全面分析整體系統情況和局部鋼結構的穩定性要求，重點進行結構平面設計，例如：鋼結構的框架設計屬于重要部分，平面鋼結構設計方面，應根據系數的計算結果，設計穩定性較強的平面鋼結構，如若所設計平面結構缺乏穩定性，就應做好總體結構分析和布局分析，科學合理進行支撐構件的設計，保證所有鋼結構整體的穩定性符合要求。總而言之，鋼結構的穩定性設計方面，設計人員應按照局部框架和整體系統的情況，確保鋼構件的合理布局和設計，使結構穩定性提升。

3.2.2 結構受力的分析

為確保建筑鋼結構的穩定性符合標準，最重要的就是保證結構受力水平符合要求。因此，設計人員應做好結構的受力分析工作，使整體結構的受力水平符合標準，有效維護結構的穩定性。首先，設計人員應準確研究和分析鋼結構的承重能力、負載重力，設計梯形狀或是l 形狀的鋼結構，使建筑重量分散，對建筑支撐進行平衡。其次，設計工作中應重點做好靜力方面和動力方面的分析，通過動力分析了解鋼結構的垂直方向和受力狀態，利用向鋼結構施加垂直振動力，了解結構的變形情況和振動速度，按照分析結果設計結構，使鋼結構的穩定性有所提升。同時，利用靜力分析的方式計算鋼結構水平方向和受力臨界值，改進設計方案，從而確保鋼結構的所有部位在各個方向受力的穩定性。最后，設計人員應做好鋼結構的縱向方向和水平方向的受力計算分析，準確了解各個位置的受力特點，通過設計內容和方案的完善優化，保證鋼結構的穩定性。另外，設計人員應采用計算機技術、檢測儀器設備等，對鋼構件的受力情況進行檢測分析，將檢測結果數據輸入計算機系統進行計算和研究，按照計算結果明確鋼構件的受力特點和實際情況，確保能夠通過受力的調整和處理，預防出現鋼構件的受力不穩定問題，提升結構的穩定性。

3.2.3 細節層面的設計

建筑鋼結構的穩定性設計工作中，不僅需要準確分析鋼結構受力情況，做好穩定性計算工作，還需以增強結構穩定性和延長壽命為目的，做好細節層面的設計工作。

（1）防火設計

建筑鋼結構使用期間可能會受外界溫度的影響出現變形或是其他問題，一旦建筑內部發生火災，如果鋼結構缺乏防火性能，將會導致鋼結構的承載力和強度降低，不能滿足穩定性要求。因此，應重點進行鋼結構的防火設計，首先，設計人員應在現場實地考察勘察，按照現場情況和周圍環境等做好防火設計，在設計方案中明確，防火材料的性質和防火材料的所在位置，綜合分析防火設計后的結構，承重狀況和占地面積狀況，通過合理的防火設計，確保鋼結構在火災環境中的穩定性。其次，設計人員應選擇防火等級符合要求的鋼構件材料，避免火災事故對鋼結構的穩定性產生影響，可在鋼結構外部設計防火層，降低結構的傳熱系數，增加耐火時間。

（2）不同層面的穩定設計

建筑鋼結構在建筑工程中的應用具有一定的優勢，但是如果不能合理進行不同層面的穩定性設計，將會導致結構的穩定性受到影響，因此，設計人員應綜合分析對鋼結構穩定性產生影響的因素，從不同層面開展穩定性設計工作。一方面，全面整理和收集有關的數據信息，設計鋼結構的不同工藝標準，明確構件的工藝標準，以免因為工藝標準設計不良，出現穩定性問題。其次，綜合分析鋼結構的阻尼比數據、水平載荷數據、抗震強度數據等，做好各個層面穩定性的設計工作，例如：分析研究鋼結構的水平荷載數據信息，在條件良好的狀況下，水平荷載系數是零，但是如果實際情況不能達到標準，就可能會導致鋼結構受到風荷載的影響，出現失穩的問題，因此，在設計工作中，應按照當地區域的環境特點設計鋼結構的水平荷載系數，以免受到風荷載或是其他荷載因素的影響出現穩定性問題。

（3）強柱弱梁部分的設計

通常情況下如果鋼結構承受的荷載較大，需要在梁體上設計塑性鉸，才能保證結構使用期間不會出現瞬間損壞的問題和穩定性問題，經過外力影響后短時間內恢復到原本的穩定性狀態。目前我國的建筑工程標準方面已經提出了工程項目梁體上設計塑性鉸的規定和要求，在建筑鋼結構穩定性設計的過程中，強柱弱梁的設計，應該準確計算彈性的數據值，保證彈性數值滿足要求的情況下，將塑性鉸設計在梁體上，柱體則不設計塑性鉸，這樣不僅能夠滿足強柱弱梁的設計規范，還能有效維護鋼結構的穩定性。

（4）注意剪力調整的問題

建筑鋼結構穩定性設計工作中，剪力調整問題是需要重點關注的問題，主要原因是近年來科技發展、經濟水平不斷提升，建筑工程項目的高度和樓層數開始增加，建筑結構的形式非常復雜，斜柱、不對稱性的建筑結構應用頻率較高，對工程穩定性設計的要求越來越嚴格，且目前我國在建筑設計方面多數是利用簡化的方式處理，例如：將豎向類型的構件簡化成為柱子，斜向類型的構件簡化成為斜柱，雖然不會出現明顯的問題，但是框架柱剪力調整可能會受到影響，尤其是斜柱不僅能夠支撐水平方向的作用力，還能承受豎向荷載，這部分的荷載所產生的剪力不可忽視，所以在設計工作中應準確、全面分析鋼結構的剪力問題，合理進行剪力調整，保證結構的穩定性[4]。

（5）合理進行抗震設計

工程項目中鋼結構的抗震性能如果不符合規范要求，將會導致建筑結構安全性受到不利影響，因此在設計工作中需要制定完善的建筑鋼結構抗震設計方案和體系，通過合理的設計方式提升結構抗震性能。一方面，調查分析建筑工程所在地的地震災害歷史資料和數據信息，全面了解工程項目所在地的地震災害發生特點和具體情況，按照具體情況明確鋼結構設計的抗震等級要求，制定完善的設計方案和體系。另一方面，根據鋼結構的性能和使用環境，設計對稱性、均勻性的鋼結構，同時按照抗震等級的標準，合理設計抗震的規格，以免影響結構的抗震能力[5]。

（6）防腐蝕的設計

如果鋼結構的防腐性能不滿足要求，潮濕環境中可能會被氧化發生腐蝕的問題，如果腐蝕問題非常嚴重，會導致鋼結構的面積縮小、表面出現銹蝕，受力的部分受到應力的作用會發生失穩的風險。因此設計工作中應制定防腐設計方案，明確防腐涂料的標準，設計致密疏水性能、電阻較大、附著力較強的防腐涂料，明確涂料的涂抹厚度和標準規范，確保能夠利用防腐涂料改善鋼結構的防腐性能，避免因為腐蝕問題出現不穩定的現象。

4 結論

綜上所述，艾菲爾花園鋼結構設計工程項目鋼結構穩定性設計的影響因素為構件的因素、設計方案因素，為有效解決鋼結構設計的問題，本次研究中提出了構件選擇方面和設計方案優化的建議，通過鋼結構布置形式的合理設計、結構受力的分析、細節層面的設計，改善鋼結構的穩定性和承載力，提升鋼結構的強度。因此，建議在鋼結構設計方面，注重結構穩定性影響因素分析和研究，制定完善的設計方案，從而提高鋼結構的穩定性和可靠性。