試析建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

吳立飛

（太原中旅工程設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030012）

建筑鋼結(jié)構(gòu)工程對(duì)安全穩(wěn)固性有較高的標(biāo)準(zhǔn)要求，一旦穩(wěn)定性失衡，極易誘發(fā)安全事故，對(duì)公眾生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。為此，相關(guān)人員應(yīng)進(jìn)一步明確鋼結(jié)構(gòu)的基本特征與設(shè)計(jì)原則，分析建筑鋼結(jié)構(gòu)工程失穩(wěn)因素與設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)固性。

1 鋼結(jié)構(gòu)工程的基本概念

建筑鋼結(jié)構(gòu)工程以鋼材為主要結(jié)構(gòu)材料，是較為常見(jiàn)的建筑工程結(jié)構(gòu)類(lèi)型。眾所周知，鋼材具有強(qiáng)度等級(jí)高、抗形變能力強(qiáng)、耐用性持久等優(yōu)勢(shì)特征?；阡摬牡倪@些優(yōu)勢(shì)特征，其被廣泛應(yīng)用到超重型、大跨度建筑工程中。建筑鋼結(jié)構(gòu)工程符合工程力學(xué)的基本特征，不僅材料韌性好、抗壓性、耐腐蝕性突出，而且在形變過(guò)程中能夠承受較大的動(dòng)力荷載。在建筑工程建設(shè)中，為提高施工效率，縮短時(shí)間跨度，采用鋼結(jié)構(gòu)具有重要意義。且鋼結(jié)構(gòu)還適用于自主化、集成化與機(jī)械化水平較高的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，能夠有效加強(qiáng)生產(chǎn)環(huán)境的密閉性與精確性。

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)工程穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的基本原則

鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)原則包括穩(wěn)定性原則、統(tǒng)一性原則與配合性原則。只有嚴(yán)格遵循這些基本的設(shè)計(jì)原則，才能加強(qiáng)整體設(shè)計(jì)的合理性、規(guī)范性與可靠性。具體內(nèi)容如下。

2.1 穩(wěn)定性原則

在建筑鋼結(jié)構(gòu)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要充分考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)組成部分的安全穩(wěn)固性需求。當(dāng)下，大多數(shù)建筑工程結(jié)構(gòu)都是按照平面體系進(jìn)行設(shè)計(jì)的，如桁架結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)等。要想保證這些平面結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)固性，就需以整體結(jié)構(gòu)布局為立足點(diǎn)，確保平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件穩(wěn)定性參數(shù)與整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)相協(xié)調(diào)。

2.2 統(tǒng)一性原則

該原則主要指計(jì)算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與計(jì)算方法保持一致性。當(dāng)下，無(wú)論是單層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還是多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，都忽略了框架穩(wěn)定性分析這一重要環(huán)節(jié)，采用框架柱穩(wěn)定性分析取而代之。在框架柱穩(wěn)定性分析中，要以柱體長(zhǎng)度系數(shù)作為主要計(jì)算依據(jù)，并將計(jì)算結(jié)果作為整體框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的等效值。

2.3 配合性原則

該原則是指工程結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)構(gòu)造的穩(wěn)定分析與主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性分析相配合，保證二者的一致性。

3 建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的失穩(wěn)因素

要客觀判斷建筑工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全等級(jí)，就需以鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性作為主體參考指標(biāo)。然而，從工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工角度來(lái)說(shuō)，建筑鋼結(jié)構(gòu)工程具有多樣性特征。與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)的多樣性特征體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與連接方式方面，如節(jié)點(diǎn)承載力、梁柱承載力與拱承載力等。同時(shí)，相關(guān)人員要客觀分析影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主導(dǎo)因素。結(jié)合以往積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)因素主要包括如下幾方面：

1） 極值點(diǎn)失穩(wěn)，對(duì)于建筑鋼材制作的偏心受壓構(gòu)件，一旦壓力值臨近極限點(diǎn)，必然會(huì)失去穩(wěn)定性，而這也就是極限點(diǎn)失穩(wěn)現(xiàn)象。在建筑工程建設(shè)中，偏心受壓現(xiàn)象較為普遍化，尤其是非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)與非常規(guī)結(jié)構(gòu)的荷載設(shè)計(jì)。此外，在建筑工程中，大量使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜且質(zhì)量等級(jí)較高的配件也會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)與應(yīng)用失配，成為不穩(wěn)定性誘因。

2） 分支點(diǎn)失穩(wěn)，分支點(diǎn)失穩(wěn)的主要誘因是分支點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。而分支點(diǎn)失穩(wěn)屬于局部失穩(wěn)。在調(diào)整直桿軸心時(shí)，平板受壓面的彎曲現(xiàn)象也是較為典型的分支點(diǎn)失穩(wěn)表現(xiàn)形式。

3） 躍越失穩(wěn)，躍越失穩(wěn)與極值點(diǎn)失穩(wěn)和分支點(diǎn)失穩(wěn)的核心理念存在本質(zhì)性差異，既不是極值點(diǎn)，也不是平衡分支點(diǎn)，是從平穩(wěn)喪失后跳躍到另一個(gè)平衡點(diǎn)的狀態(tài)。躍越失穩(wěn)是以上述兩類(lèi)失穩(wěn)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的一次性發(fā)展結(jié)果，這些失穩(wěn)現(xiàn)象會(huì)破壞整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，嚴(yán)重情況下，甚至?xí){建筑安全。在工程項(xiàng)目中，一旦出現(xiàn)躍越失穩(wěn)問(wèn)題，就需要結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)特性，采取有效的處理措施，在整體穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求后方可投入使用。

4） 其他失穩(wěn)，除上述三種失穩(wěn)現(xiàn)象以外，連接構(gòu)件形變、銹蝕或鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在環(huán)境因素與外力作用下發(fā)生損壞，也會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

4 建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

4.1 布置與選型

鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑工程設(shè)計(jì)中較為常見(jiàn)。在選型設(shè)計(jì)過(guò)程中，要綜合考量施工材質(zhì)、投資預(yù)算與周邊環(huán)境等關(guān)鍵因素。同時(shí)，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮不同位置的實(shí)際需求，選擇滿(mǎn)足多元化需求的建材進(jìn)行施工。

4.2 估算構(gòu)件截面

在完成結(jié)構(gòu)布置后，設(shè)計(jì)人員應(yīng)客觀考量斷面形狀與梁柱尺寸，例如選擇軋制鋼、槽鋼或H 型鋼等。通常來(lái)說(shuō)，在估算構(gòu)件橫截面與厚度參數(shù)時(shí)，需要以截面高度和翼緣寬度等作為主要參考依據(jù)；在鋼梁選擇時(shí)，要以梁柱規(guī)格、性質(zhì)、支撐斷面形式作為主要參考依據(jù)。

4.3 設(shè)計(jì)構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)

第一步，焊接。在焊接過(guò)程中，嚴(yán)格遵照設(shè)計(jì)要求調(diào)整焊縫形式與規(guī)格，保證焊接處理的合理性；第二步，栓接。在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)連接時(shí)，相關(guān)人員要將高強(qiáng)螺栓作為傳力螺栓，讓強(qiáng)度等級(jí)至少達(dá)到19.0s。第三步，連接板。對(duì)厚度約為4 毫米的梁腹板進(jìn)行加厚處理，然后驗(yàn)算抗剪凈截面。第四步，梁腹板。驗(yàn)算栓孔位置所在的腹板的抗剪凈截面，采用高強(qiáng)承壓螺栓進(jìn)行連接，然后評(píng)估對(duì)應(yīng)孔壁的承壓能力。

5 建筑鋼結(jié)構(gòu)工程穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的具體方法

5.1 靜力平衡法的核心原理

靜態(tài)平衡法和中性平衡法簡(jiǎn)稱(chēng)平衡法，是估算鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極限荷載的重要方法。針對(duì)平衡分岔點(diǎn)的彈性穩(wěn)定性問(wèn)題，分岔點(diǎn)往往有兩個(gè)臨近平衡狀態(tài)，也就是原結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)和微型形變平衡狀態(tài)。平衡法是根據(jù)微型形變結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，確定分岔屈曲荷載的平衡方程。一般情況下，這個(gè)平衡方程的解不是唯一的，只是分岔屈曲荷載是最小解。為此，只要保證建筑工程結(jié)構(gòu)的屈曲荷載即可。盡管鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的平衡狀態(tài)估測(cè)難度較大，但是采取合理的平衡法依然可以準(zhǔn)確估算彈性結(jié)構(gòu)體系平衡路徑分岔點(diǎn)對(duì)應(yīng)的臨界荷載。

5.2 動(dòng)力法的核心原理

在鋼結(jié)構(gòu)體系的平衡狀態(tài)下，一旦受到外部荷載的干擾，極易產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)效應(yīng)。所謂動(dòng)力法，是指以動(dòng)力學(xué)理論為核心，探究影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性因素的方法。在受到外部荷載干擾后，結(jié)構(gòu)體系的小幅度位移直接決定了系統(tǒng)的臨界載荷，而緩慢的速度變化則是邊界條件。在發(fā)生外部荷載干擾后，且外荷載值小于穩(wěn)定極限值，鋼結(jié)構(gòu)的變形位移和方向始終在反方向上加速，保持互相抵消的狀態(tài)。在解除外部荷載干擾后，變形位移會(huì)隨之減緩，鋼結(jié)構(gòu)逐步恢復(fù)平衡狀態(tài)。在發(fā)生外部荷載干擾，且外荷載大于穩(wěn)定極限值時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)必然會(huì)發(fā)生相應(yīng)程度的形變。但是，變形位移方向與加速方向保持一致，形成互相促進(jìn)的態(tài)勢(shì)。在解除外部荷載干擾后，這種變形位移現(xiàn)象不會(huì)減弱，而鋼結(jié)構(gòu)也失去平衡穩(wěn)定性。若振動(dòng)頻率為零，則采用動(dòng)力法可以保證鋼結(jié)構(gòu)在臨界狀態(tài)下的動(dòng)力荷載。

5.3 能量法的核心原理

能量法是指以勢(shì)能駐值條件為基礎(chǔ)確定臨界荷載的方法。若外部荷載值小于限定值，總勢(shì)能是最小的。此時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的初始位置相對(duì)穩(wěn)定；若外部荷載值大于限定值，總勢(shì)能是最大的。此時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系初始位置不穩(wěn)定。但是如果外界荷載數(shù)值與特定值相同，一旦發(fā)生微型位移，數(shù)值始終保持不變。在此過(guò)程中，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系處于偶然平衡狀態(tài)，而這也就是臨界狀態(tài)。在臨界狀態(tài)下，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合勢(shì)能定值原理，確定能量守恒方程，進(jìn)而準(zhǔn)確估算分叉屈曲載荷。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展與現(xiàn)代化城市建設(shè)進(jìn)程的加快，建筑行業(yè)的發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。為此，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)綜合分析建筑鋼結(jié)構(gòu)工程失穩(wěn)因素與設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提升整體設(shè)計(jì)水平，進(jìn)而促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)工程的順利竣工。