探討鋼結構設計的穩(wěn)定性原則與設計要點

關巧英 許宏成 天津東南鋼結構有限公司

1 引言

在建筑工程中，鋼結構建筑占據重要地位，其穩(wěn)定性與建筑的后續(xù)使用安全有著極為密切的聯系。基于這樣的情況，為了保證鋼結構建筑整體的安全性，必須要保證鋼結構的穩(wěn)定性。而這需要鋼結構穩(wěn)定性設計的支持?；诖耍骄夸摻Y構設計的穩(wěn)定性原則及其設計要點具有極高的現實價值。

2 鋼結構穩(wěn)定性設計的特點分析

鋼結構穩(wěn)定性設計有以下三個特點。第一，多樣性。對于鋼結構來說，失穩(wěn)形式多種多樣（彎曲失穩(wěn)垮，扭轉失穩(wěn)等），但其穩(wěn)定性問題又普遍由受壓構件失穩(wěn)引起的?；诖耍谑軌簶嫾脑O計中，一定要保證受壓構件的穩(wěn)定。同時，鋼結構受到形變的影響會使不受壓部分轉化為受壓部分，因此在設計過程中對結構及局部構件的變形應嚴格控制。大跨度鋼結構還應考慮溫度對構件變形的影響；第二，相關性。這一特點主要指的是鋼結構設計中不同模式的相互影響。一旦某一部分出現問題，則其他部分也會受到影響。換言之，鋼結構整體與局部之間能夠相互影響；第三，整體性。整體性設計的終極目標是指確保鋼結構建筑在規(guī)定的使用年限內安全可靠。荷載、制造工藝、材料性能、安裝方法、結構細節(jié)構造、使用環(huán)境及維護方式等多種因素決定了鋼結構的整體性。

3 鋼結構設計的穩(wěn)定性原則分析

第一，一致性。為了保證鋼結構的穩(wěn)定，首先要保證計算假定要與實際情況相一致，如果計算假定與實際情況不符，荷載計算錯誤，節(jié)點形式選用錯誤等都屬于設計風險，不能反映建筑物的真實受力情況，所產生的計算結果通常會相差懸殊，那么建筑物將會有安全風險。所以必須確保計算假定的正確性與準確性，并嚴格依照假定原則完成簡化操作，否則極有可能導致失穩(wěn)事故的發(fā)生。

第二，整體穩(wěn)定。廠房結構的縱向穩(wěn)定主要依靠結構的縱向支撐系統(tǒng)來保證，例如，鋼柱的柱間支撐，鋼屋架的上/下弦水平支撐和垂直支撐等等。因此，在實際的鋼結構設計穩(wěn)定性計算時，需要重點考慮支撐系統(tǒng)能可靠地傳遞結構縱向的水平荷載（包括風荷載、地震荷載、吊車荷載等等）。而對于沒有支撐的鋼結構建筑來說，主要是靠構件自身及其節(jié)點的剛度來保證結構的整體穩(wěn)定。所以在實際的計算中，應當按照支撐系統(tǒng)和結構自身剛度的實際情況來保證鋼結構的整體穩(wěn)定性。

第三，局部穩(wěn)定。換句話說，就是要在設計中保證構件本身的穩(wěn)定性（構件高厚比、寬厚比，徑厚比，長細比等滿足規(guī)范要求）。在穩(wěn)定性設計計算中，應當保證構件本身及其組成部份（桿件或板件）在荷載作用下不發(fā)生屈曲不失穩(wěn)。

4 保證鋼結構穩(wěn)定性的設計要點探究

4.1 材料選擇

在實際的設計工作中，為了最大程度的保證建筑工程鋼結構的穩(wěn)定性，需要選用高強度的材料。在此過程中，應重點保證選用的鋼結構材料與焊接等級保持一致。在設計前，需掌握工程的實際需求、技術及質量要求等，結合對焊縫、鋼材的要求完成鋼材料的確定。筆者認為，應當盡可能使用具有強抗拉伸性、高屈服強度的鋼材，以此確保鋼結構的穩(wěn)定性以及建筑工程的總體質量。另外，在材料入場前，要對鋼材料進行質量檢驗。

4.2 結構選型

結構選型也是保證鋼結構設計穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)，對建筑工程項目與施工整體目標的實現具有重大影響。在實際的結構選型過程中，需要把握鋼結構整體的結構體系，并充分考慮力學關系，來保證結構的整體穩(wěn)定。

在設計過程中，出于對鋼結構穩(wěn)定性的考慮，需要盡可能保證使用簡單的結構形式。比如：（1）平面布置應避免平面不規(guī)則，平面布置簡單、規(guī)則、對稱是為了使結構的剛度中心和質量中心基本重合，這樣可以避免地震時帶來的扭轉效應，避免扭轉破壞。建筑平面不易采用角部重疊和細腰型結構布置。（2）豎向結構布置也要避免豎向不規(guī)則，豎向盡量不采用局部外凸和內部凹進去的結構形式，實現上下貫通，以此達到整體結構穩(wěn)定及剛度連貫性的目的。結構的底層就是最顯著的薄弱層，很多地震都是由于底部薄弱層坍塌導致房屋破壞的。就以往的工程情況來看，T型或是L型和U型為較為常見的兩種結構形式，拐角處常用伸縮縫隔開，使結構分開成簡單的矩形形式，避免結構不均勻帶來的扭轉問題，提高了鋼結構的穩(wěn)定性。在鋼結構的設計過程中，還要注意結構的剛度中心以及結構質量中心的分布，不要離得太遠，以便減少扭轉。

4.3 構件設計

在這一過程中，必須要保證鋼結構的實際強度不小于國家及地方標準。同時，在施工中，需結合鋼結構的設計方案確定出合理的施工方案。另外，在實際的設計環(huán)節(jié)中，相關人員除了要考慮鋼結構的整體性之外，還應當發(fā)揮出二階分析法的作用。對于二階分析法來說，其對柔性構件的穩(wěn)定性保證具有重要意義，若是柔性構件發(fā)生較大的形變，產生的變形量會對結構內力產生不容忽視的影響。所以，要引入二階分析法完成柔性構件的優(yōu)化設計。

4.4 一致性設計

（1）計算方式與結構計算簡圖的一致。通常情況下，在展開單層或是多層框架結構的設計中，相關設計人員會對框架柱完成穩(wěn)定性設計，然后對框架的整體穩(wěn)定性的進行分析。在這一過程中，需要完成框架柱穩(wěn)定性的計算，并明確框架柱的計算長度系數。此時，設計人員要確保設計結果滿足假設條件，也就是避免局部穩(wěn)定對鋼結構整體穩(wěn)定產生影響。

（2）穩(wěn)定計算與鋼結構內部構件設計的一致。確保穩(wěn)定計算與鋼結構內部構件設計具有一致性是鋼結構穩(wěn)定性設計中較為關鍵的步驟。在實際的設計過程中，想要提升鋼結構的穩(wěn)定性，就需要對不同構件提出針對性要求?；诖?，在設計中也要落實差異性對待（比如梁和柱的要求不同，主梁和次梁要求不同）。

4.5 節(jié)點設計

節(jié)點設計是鋼結構設計中的重要環(huán)節(jié)，其設計質量直接影響著鋼結構的穩(wěn)定。在地震條件下，高延性的節(jié)點設計能夠降低建筑物及鋼結構的損壞程度。在設計中，相關設計人員需要減少設計缺陷，根據抗震等級不同確定節(jié)點設計要求，以此增強鋼結構的穩(wěn)定性。

4.6 功能性設計

（1）防腐設計。為了保證防腐處理質量，需要在設計中依托具體施工要求與實際使用環(huán)境，確定使用永久性涂裝或是半永久性涂裝。在設計中，應重點完成鋼材防腐等級的市場調查，結合不同區(qū)域、施工環(huán)境以及工程性質，確定防腐等級，并完成防腐處理方案的制定。通過這樣的方式，能夠保證建筑工程鋼結構的防腐效果。

（2）防火設計。鋼結構在火焰溫度達到一定高度，會造成鋼結構建筑的整體失穩(wěn)垮塌。所以，必須對鋼結構建筑進行防火設計。在進行建筑工程鋼結構的防火設計中，要根據防火等級及鋼構件位置選用相應的防火材料。就以往的工程情況來看，鋼結構防火設計及材料的選擇需嚴格依照工程項目的防護類型、防火種類、防火具體情況與要求完成。特別是在選擇防火材料時，應當盡可能選擇厚度以及粘結強度較高的材料，并將其填涂在節(jié)點部位。通過這樣的方式，不僅能夠更好完成節(jié)點部位的防火處理，還能夠提升相應位置的強度，確保建筑工程鋼結構整體的防火功能與防火指數。

在確定防火材料時，若是使用厚度較薄的防火材料難以滿足工程項目實際的防火需求，則選用厚涂型防火材料，如果厚涂型防火材料仍舊不能滿足工程實際需求，則應要求相關人員選用較高防火性能的防火材料。另外，還要保證吊頂設計中吊頂材料的防火及防腐蝕處理的效果，確保防火設計與防護等級、防火標準的內容相吻合。

5 總結

綜上所述，在掌握計算假定與實際結構的一致性、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定的前提下，通過材料選擇、結構選型、構件設計、節(jié)點設計、防腐設計、防火設計的提升，結合計算方式與結構計算簡圖、鋼結構內部構件設計的一致性保證，提升了鋼結構的穩(wěn)定性，促進了鋼結構工程整體質量的提升。