建筑工程鋼結構穩(wěn)定性設計分析

(山西筑城建筑設計有限公司，山西 太原 030006)

引言

隨著城市的不斷發(fā)展，各種形式的建筑逐年增加，其中混凝土結構在住宅建筑、商業(yè)建筑和部分工業(yè)建筑中普遍使用，鋼結構在工業(yè)建筑中和少數(shù)商業(yè)建筑中已使用較多。與混凝土結構相比，鋼結構具有質(zhì)輕、截面面積小、強度高等優(yōu)點，但缺點是耐火性能差，會因失穩(wěn)而發(fā)生事故。為減少鋼結構事故發(fā)生率，鋼結構建設時應對設計、原材料和施工等方面進行有效控制，其中設計是鋼結構建設階段的重要環(huán)節(jié)之一。

鋼結構進行設計時，主要是對鋼結構的穩(wěn)定性進行驗算分析，從而防止垮塌事故的發(fā)生。國內(nèi)已有專家學者對鋼結構穩(wěn)定性設計問題提出了自己的見解。田宏[1]為提高鋼結構穩(wěn)定性設計水平，對設計中的諸多要點進行了分析并提出了一套行之有效的設計方案；戚樂樂等[2]著眼于建筑物的穩(wěn)固性能，對設計過程中產(chǎn)生的問題進行了分析，并針對性地提出了解決方案。

1 鋼結構特性分析

當前建筑行業(yè)所用的鋼結構主要由鋼板原料、冷軋薄壁鋼板以及熱軋鋼等構成，相對于鋼筋混凝土結構而言，鋼結構具有自重輕、塑性好的特性。除此之外，鋼結構有著優(yōu)異的柔韌性，可以滿足工程施工的各項技術要求，從而得到了業(yè)內(nèi)的廣泛認可。

在鋼結構建設過程中，有必要根據(jù)結構的功能要求，選擇各類材料，以最高效和經(jīng)濟地完成建設任務。尤其是在大跨度結構的施工中，考慮到鋼材的韌性和塑性性能，鋼結構的優(yōu)越性得到充分的應用。部分建筑物對穩(wěn)定性有著很高的要求，一般來說也可優(yōu)先考慮鋼結構，因鋼結構的應用荷載狀態(tài)與理論受荷有著良好的擬合性，擁有極高的可靠性。

建筑鋼結構的施工過程相對簡單，屬于建筑裝配式施工的一種，考慮到其材料種類單一，鋼結構的受力體系和荷載傳遞往往較為明了。在相同荷載作用下，鋼結構的自重遠低于鋼筋混凝土結構。不僅能夠降低建筑結構本身的自重，還可減少建筑材料的運輸費用和勞務施工費用，一定程度上降低了工程造價。

相較于混凝土結構，鋼結構最大的缺點是耐高溫性能及耐侵蝕性能較差。當項目現(xiàn)場施工環(huán)境溫度達到160 ℃以上時，鋼結構的強度將會劇烈下降，從而引發(fā)結構承載力不足而失穩(wěn)，有可能造成嚴重的事故或后果。為此，應加強對鋼結構的保護，如在鋼結構表面布置保溫層，該方法可以有效地解決高溫問題，但會增加施工建設成本。

2 鋼結構穩(wěn)定性設計分析

2.1 穩(wěn)定性設計的內(nèi)涵

建筑物鋼結構穩(wěn)定性是指除了受到鋼材自身重力的直接影響外，在外力作用下鋼結構構件的穩(wěn)定性。鋼結構穩(wěn)定性是在建筑處于平衡時，鋼結構所能承受的最大應力，且該應力在數(shù)值上不得超過鋼結構構件材料的屈服應力，在這種情況下鋼結構才能達到穩(wěn)定。建筑鋼結構的穩(wěn)定性不足通常是在外力荷載的作用下，結構內(nèi)部應力超過了鋼材屈服點，從而引起鋼結構發(fā)生較大的變形，嚴重的承載力不足則會引起整體失穩(wěn)而垮塌。

2.2 穩(wěn)定性設計的要點

建筑鋼結構進行穩(wěn)定性設計時，需要緊緊圍繞以下要點開展工作：

(1)進行建筑結構的整體設計時，應整體把握總體結構各方面的分布情況，不能只考慮鋼結構單一方面的影響因素，從而合理有效地進行鋼結構穩(wěn)定性設計。

(2)選取合理的計算方法，尤其是在異形特種鋼結構設計時，保證計算出的鋼結構穩(wěn)定性結果與工程鋼結構荷載情況相對應。

設計人員在進行設計時通常會忽略對穩(wěn)定性的計算，一般會選用假定法進行計算，從而達到更好的設計計算結果。因而在進行假定計算前，應充分考慮工程的各方面條件，才能保證建筑鋼結構的最終穩(wěn)定性計算結果不會與建筑荷載產(chǎn)生偏差。

鋼結構穩(wěn)定性設計誤區(qū)在于將鋼結構強度和穩(wěn)定性混淆不清。在設計之初，要明確二者之間的關系，從而可有效地選用所需鋼材，以提升鋼結構設計的穩(wěn)定性。

3 鋼結構穩(wěn)定性不足的原因分析

3.1 非對稱結構剪力簡化不當

隨著人們審美觀念的轉變，現(xiàn)階段建筑外觀日新月異，個性化、異形化、復雜化的建筑設計層出不窮，非對稱結構就是最為常見的異形結構之一，此類建筑建成后更易出現(xiàn)傾斜超標等失穩(wěn)現(xiàn)象。一般情況下，鋼結構發(fā)生傾斜的影響因素較多，而非對稱結構的傾斜大多是由于最初的設計剪力簡化不當造成的。相對于結構樣式較為對稱的建筑，非對稱結構對墻體的抗剪能力提出了更高的要求。在進行鋼結構穩(wěn)定性驗算時，因理論計算水平的限制，往往會對結構局部進行一定的簡化處理，便于利用現(xiàn)有的計算理論進行計算與分析。在鋼結構中，往往不起眼的結構力學簡化計算，將會對其結構受力產(chǎn)生明顯的影響，這是由于鋼材自身的特性所決定的。因此，在進行非對稱結構剪力簡化時，需考慮更多的影響因素，不能照搬混凝土結構計算方案。

3.2 設計深度不足

在目前國家相關法律法規(guī)的要求下，設計行業(yè)對從業(yè)人員的水平、能力和資格提出了更高的要求。但部分設計單位的資質(zhì)或結構設計人員的能力仍存在一定的欠缺，這就限制了建筑的設計水平。此外，大多數(shù)的結構設計人員均來自于高校，不可避免地產(chǎn)生了理論與工程間的偏差，同樣也容易引起設計深度的不足。

3.3 梁柱強弱的劃分不當

依據(jù)相關法律法規(guī)及行業(yè)標準，在進行建筑鋼結構設計的過程中，遇到弱梁設計時，需對該梁的彈塑性進行計算和分析，并應附上具體的設計方案和相關的分析報告或計算書，此種情況是出于對梁柱間一體性的考慮。根據(jù)設計實踐證明，鋼結構的梁弱于柱，更能決定鋼結構的塑性下限。部分鋼結構設計穩(wěn)定性不足的原因就在于梁柱強弱的劃分不當而造成的。

4 鋼結構設計的優(yōu)化

在鋼結構穩(wěn)定性設計時，設計人員必須熟知鋼結構工程設計的特點，以確保鋼結構工程設計的質(zhì)量。設計之前，結構設計人員應全面地分析鋼結構的各構件受力特點，確保鋼結構的局部穩(wěn)定性滿足設計要求。在設計過程中要優(yōu)選最佳的設計方法，如在計算軸心壓桿的穩(wěn)定性時，可采用臨界壓力的計算方案或采用折減系數(shù)法進行計算。

在進行鋼結構穩(wěn)定性設計工作時，涉及到繁雜的計算內(nèi)容，依靠人力計算不僅耗時耗力，還容易產(chǎn)生各種各樣的差錯與疏忽。將計算機技術和鋼結構穩(wěn)定性設計結合起來，使用先進的模擬計算軟件，如ABAQUS、ANSYS等模擬計算軟件，不僅可以縮短設計周期，同時還能得出更為精確的計算結果。

鋼結構穩(wěn)定性的設計方案并非是較為完善的，在施工過程中若發(fā)現(xiàn)了問題，如桿件受彎不足的情況，則應對設計方案進行優(yōu)化，但優(yōu)化過程不能由施工單位擅自更改，而是與設計單位協(xié)商，最后由設計單位出具變更通知單，方可進行下一步的施工。

5 結語

結合鋼結構固有的優(yōu)缺點和鋼結構穩(wěn)定性設計的基本理論，對鋼結構穩(wěn)定性設計不足的原因進行分析，給出了優(yōu)化鋼結構穩(wěn)定性設計的方案。