基于穩(wěn)定性原則的建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

丁宏年　趙晨杰

摘要：在建筑工程建設(shè)中，鋼結(jié)構(gòu)憑借本身自重輕、強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)性能好等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，受到了工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。不過(guò)，在建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如果穩(wěn)定性不足，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，引發(fā)嚴(yán)重后果。本文結(jié)合建筑工程鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)問(wèn)題，對(duì)其設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了討論和分析。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定性；建筑工程；鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

引言

最近幾年，高層建筑逐漸成為了城市建筑發(fā)展的主流方向，在一定程度上解決了城市住房用地緊張的問(wèn)題，但是高層建筑本身較大的自重對(duì)于基礎(chǔ)的承載能力要求較高，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，有效減少了建筑工程對(duì)于基礎(chǔ)承載力的要求，在提高施工效率、降低成本造價(jià)等方面發(fā)揮著重要作用，做好建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要。

1.建筑工程鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的意義

相比較混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、抗震性好、施工簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在建筑工程建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用，在我國(guó)，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)建筑的數(shù)量不斷增加，受到了社會(huì)各級(jí)的廣泛關(guān)注，如2008年北京奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)館“鳥(niǎo)巢”，采用的就是鋼結(jié)構(gòu)形式。但是從目前的發(fā)展情況分析，鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在著穩(wěn)定性不足的問(wèn)題，分析其原因，主要是設(shè)計(jì)人員缺乏穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的相關(guān)概念，沒(méi)有對(duì)材料本身的力學(xué)性能以及鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行充分了解，或者為了降低成本，沒(méi)有能夠嚴(yán)格要求，對(duì)一些關(guān)鍵性的結(jié)構(gòu)點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，導(dǎo)致其穩(wěn)定性不足，進(jìn)而引發(fā)巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，做好建筑工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)意義重大，其不僅關(guān)系著建筑工程本身的施工質(zhì)量，而且關(guān)系著住戶的生命財(cái)產(chǎn)安全，必須得到足夠的重視。

2.建筑工程鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的方法和要點(diǎn)

2.1原則。在針對(duì)建筑工程鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定設(shè)計(jì)時(shí)，需要確保構(gòu)件設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的一致性，明確細(xì)部構(gòu)造的標(biāo)準(zhǔn)和要求，避免盲目設(shè)計(jì)的情況。以簡(jiǎn)支梁抗彎性能的設(shè)計(jì)為例，需要確保不動(dòng)鉸支座能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，避免位移現(xiàn)象，同時(shí)確保簡(jiǎn)支梁可以在適當(dāng)范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，并且需要能夠在一定程度上控制梁繞縱軸的扭轉(zhuǎn)，保證應(yīng)力的合理分配。同時(shí)，應(yīng)該重視對(duì)于框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，就目前而言，在建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用的框架結(jié)構(gòu)包括了單層框架和多層框架，而無(wú)論是哪一種情況，一般都會(huì)以框架柱的穩(wěn)定計(jì)算來(lái)代替框架的穩(wěn)定性分析。而實(shí)際上，框架穩(wěn)定性的分析需要結(jié)合具體情況，涉及的內(nèi)容眾多，如果設(shè)計(jì)人員重視不足，就可能出現(xiàn)安全隱患。因此，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要確保穩(wěn)定性計(jì)算所用方法合理，與具體的計(jì)算對(duì)象保持一致。

2.2方法。結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，一般需要在外部荷載的作用下，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行討論和分析，主要設(shè)計(jì)分析方法有三種，一是靜力法，適用于已經(jīng)出現(xiàn)微小結(jié)構(gòu)變形的情況，通過(guò)對(duì)其受力條件的分析，構(gòu)建相對(duì)平衡的微分方程，結(jié)合方程計(jì)算相關(guān)荷載的臨界值。在實(shí)際應(yīng)用中，如果需要對(duì)平衡微分方程進(jìn)行構(gòu)建，需要滿足兩個(gè)基本條件，其一，構(gòu)件本身屬于截面的直桿，其二，壓力必須始終遵循之前的軸線作用，不能出現(xiàn)過(guò)于強(qiáng)烈的變化；二是動(dòng)力法，適用于對(duì)處于平衡狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)體系的研究，如果通過(guò)施加干擾的方式打破平衡，則結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的振動(dòng)，引發(fā)結(jié)構(gòu)變形、振動(dòng)加速等，這些與鋼結(jié)構(gòu)整體荷載有著密切的聯(lián)系。如果荷載值較低，超出鋼結(jié)構(gòu)本身穩(wěn)定性的極限荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)變形和振動(dòng)加速的方向與之前相反；三是能量法，如果鋼結(jié)構(gòu)承受的荷載為保守力，則可以結(jié)合現(xiàn)有的受力條件，對(duì)結(jié)構(gòu)的總體勢(shì)能進(jìn)行構(gòu)建。如果結(jié)構(gòu)本身同樣處于平衡狀態(tài)，則需要對(duì)其總體勢(shì)能進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，結(jié)合計(jì)算結(jié)果來(lái)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。

2.3要點(diǎn)。（1）形式選擇：在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)時(shí)，穩(wěn)定性是需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。就目前而言，在建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般都是以平面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為主，如比較常見(jiàn)的框架結(jié)構(gòu)等。因此，在對(duì)平面鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)值進(jìn)行計(jì)算時(shí)，必須保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置與計(jì)算方法一致，在計(jì)算中，需要根據(jù)實(shí)際情況，確定是否應(yīng)該增加支護(hù)強(qiáng)度的計(jì)算。

（2）防火設(shè)計(jì)：防火設(shè)計(jì)對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)意義重大，在鋼結(jié)構(gòu)中，雖然鋼材本身并不會(huì)發(fā)生燃燒，但是其本身具有不耐高溫的特點(diǎn)，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度后，鋼材可能會(huì)發(fā)生斷裂或者變形，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)，引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。因此，防火設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中一項(xiàng)必須關(guān)注的內(nèi)容。在鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)該注意，其防火性能較傳統(tǒng)的鋼混建筑防火性能要低，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)一般會(huì)采用兩種不同的形式，一是在結(jié)構(gòu)中加入具備良好防火隔熱性能的保全板，實(shí)現(xiàn)對(duì)于火災(zāi)的有效預(yù)防，二是可以在鋼結(jié)構(gòu)中涂抹相應(yīng)的防火涂料，提升其防火性能。

（3）防腐設(shè)計(jì)：鋼結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中，容易受自然因素的影響，尤其是長(zhǎng)期暴露在室外環(huán)境下，很容易出現(xiàn)銹蝕的情況，在影響其外觀質(zhì)量的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的下降。因此，在建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，基于穩(wěn)定性考慮，需要重視防腐設(shè)計(jì)，一般是通過(guò)涂抹防腐涂料的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合建筑工程的實(shí)際需求，對(duì)防腐涂料進(jìn)行合理選擇，通過(guò)規(guī)范的施工，保證良好的防腐效果。

3.結(jié)語(yǔ)

總而言之，在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的帶動(dòng)下，鋼結(jié)構(gòu)作為一種非常有效的結(jié)構(gòu)形式，在建筑工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，也受到了越來(lái)越多的關(guān)注，憑借其自身的優(yōu)點(diǎn)，在建筑工程建設(shè)中發(fā)揮著非常積極的作用。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要重視結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題，結(jié)合穩(wěn)定性原則進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，把握設(shè)計(jì)要點(diǎn)，通過(guò)深入的分析和探討，推動(dòng)建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的提高，促進(jìn)建筑行業(yè)的穩(wěn)定健康發(fā)展。