提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的措施探討

劉志強(qiáng)

摘 要：隨著建筑行業(yè)發(fā)展，越來越多的鋼結(jié)構(gòu)建筑開始出現(xiàn)并大量使用。雖然鋼結(jié)構(gòu)建筑在成本以及施工效率方面有著更好的優(yōu)勢，但同時(shí)對于設(shè)計(jì)的要求也越來越高。設(shè)計(jì)不合理極有可能導(dǎo)致整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的崩塌，造成各種安全問題。故而圍繞鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性展開分析，首先探討了鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要分析機(jī)理，之后對鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)具體原因進(jìn)行分析，最后給出可靠的提升鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的策略，以期對同行業(yè)者有所幫助。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì);穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TU391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-6903（2022）08-0111-03

0 引言

隨著科技的發(fā)展，越來越多的建筑開始嘗試使用鋼結(jié)構(gòu)形式[1]。和傳統(tǒng)的建筑形式對比，鋼結(jié)構(gòu)建筑無論在成本管控、施工便利，以及資源節(jié)約等方面均有著突出優(yōu)勢。但同時(shí)也應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)現(xiàn)階段依然存在著一定的問題，包括較低的設(shè)計(jì)質(zhì)量、不夠合理的設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)人員綜合素質(zhì)水平偏低等，如若不徹底解決，勢必會(huì)導(dǎo)致整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，更嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致人員傷亡等問題出現(xiàn)。故而，就提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性展開探究有著一定的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

1 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析機(jī)制

業(yè)內(nèi)主要將鋼結(jié)構(gòu)于外力影響下是不是可以立即恢復(fù)至建筑最開始的平衡形態(tài)稱作鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。外力作用下，建筑鋼結(jié)構(gòu)可能會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，從原本的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)為新的平衡狀態(tài)。在這一轉(zhuǎn)換過程中，整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)或許因此出現(xiàn)損壞，建筑耐用性大打折扣。一般而言，建筑鋼結(jié)構(gòu)在外力作用下和鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)受力情況下，所受力大多數(shù)為非線性形式的受力曲線。因此，可以明確現(xiàn)下建筑鋼結(jié)構(gòu)的分析絕大部分構(gòu)建于幾何非線性分析的前提下的。所以，就建筑鋼結(jié)構(gòu)屈曲和極限予以研究，是甄別建筑鋼結(jié)構(gòu)承載性的重要內(nèi)容，同時(shí)也是建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究的重要組成部分[3]。

2 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)原則

2.1 計(jì)算策略和結(jié)構(gòu)簡圖一致性

對單層以及多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，無需計(jì)算框架的穩(wěn)定性，但需要分析框架柱穩(wěn)定指標(biāo)。在對框架柱穩(wěn)定性分析期間，涉及計(jì)算長度參量，需要確立框架整個(gè)的穩(wěn)定性效果。由此方能夠保證最終的框架穩(wěn)定分析和柱穩(wěn)定分析等同。另外，如若分析策略以及結(jié)構(gòu)簡圖不吻合，則務(wù)必就應(yīng)用的計(jì)算策略予以優(yōu)化，基于此確保鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究的目的[4]。

2.2 構(gòu)件和細(xì)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

實(shí)際在對傳遞彎矩以及不傳遞彎矩連接位置設(shè)計(jì)時(shí)，需要考量其剛度以及柔度指標(biāo)，在對桁架連接位置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，則需要盡可能地降低桿件的偏心指標(biāo)等。這些均為典型的構(gòu)件的細(xì)節(jié)位置的設(shè)計(jì)。而需要對穩(wěn)定性予以考量時(shí)，則對于細(xì)節(jié)方面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還有著更多的訴求，例如簡支梁就抗彎強(qiáng)度而言，對于不動(dòng)鉸支座的訴求是避免移動(dòng)以及支持在平面中轉(zhuǎn)動(dòng)，但是在對整個(gè)梁的穩(wěn)定性予以分析時(shí)，支座不單單需要達(dá)到上述規(guī)定，此外還應(yīng)當(dāng)避免梁圍著縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)，支持梁于水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)以及梁端截面自主翹曲。由此可見，在穩(wěn)定性設(shè)計(jì)期間，組件和細(xì)節(jié)部位的穩(wěn)定性分析相對復(fù)雜，但同時(shí)也十分關(guān)鍵。

3 鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)深度不夠

國內(nèi)建筑設(shè)計(jì)有關(guān)管理?xiàng)l例已然對建筑設(shè)計(jì)崗位有了明確的要求。要求設(shè)計(jì)崗位應(yīng)當(dāng)具備扎實(shí)的展業(yè)基礎(chǔ)以及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。而實(shí)際情況則是國內(nèi)大部分的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的實(shí)力不夠，設(shè)計(jì)能力也遠(yuǎn)未達(dá)到要求，部分設(shè)計(jì)崗位人員更是在設(shè)計(jì)期間因?yàn)槿鄙賹?yīng)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，只是一味地學(xué)習(xí)課本內(nèi)容，未有對有關(guān)理論形成系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)以及經(jīng)驗(yàn)積累，最終使得建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間深度把控不到位，影響了建筑的穩(wěn)定性。

3.2 剪力調(diào)整不勻稱

傾角較高無疑會(huì)對整個(gè)的建筑架構(gòu)剪力提出更高的要求。國內(nèi)建筑設(shè)計(jì)人員就建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，為能夠?qū)υO(shè)計(jì)精簡處置，一般會(huì)把垂直結(jié)構(gòu)構(gòu)件精簡成柱子，把傾斜協(xié)助當(dāng)做斜桿，此類簡化至建筑物整體層面分析，對于該建筑的穩(wěn)固性方面的影響并不高[5]。而對框架柱剪力予以調(diào)整期間，可能會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的建筑設(shè)計(jì)問題，主要是因?yàn)樾敝谶@一期間不單單需要提供水平方向支持，在豎直方向給予對應(yīng)的支持負(fù)荷，忽視了該方面的負(fù)荷，可能對整個(gè)建筑的剪力分析造成損害。

3.3 墻柱弱梁問題

結(jié)合長時(shí)間的研究可以得出，相對安全以及科學(xué)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要求負(fù)荷在強(qiáng)震以及建筑組件承擔(dān)水平負(fù)荷較高的情況下，其建筑鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)的塑性鉸通常出現(xiàn)于梁上而不是出現(xiàn)于建筑鋼結(jié)構(gòu)柱上，此類塑性鉸能夠確保鋼結(jié)構(gòu)一體性，從而避免瞬間損壞問題，大大提高了整個(gè)的建筑整體抗壓水平，此外也更能夠確保建筑可以恢復(fù)至原始狀態(tài)，對建筑形成可靠的保護(hù)效果。而實(shí)際情況則是，設(shè)計(jì)時(shí)常會(huì)會(huì)使這一普遍性問題，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)于之后的使用期間穩(wěn)定性缺失，由此，于后期的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面需要高度關(guān)注強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)內(nèi)容。

此外，造成鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的原因還包含鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容，主要有：①設(shè)計(jì)人員并未對實(shí)際施工環(huán)境進(jìn)行仔細(xì)勘測和了解，只是單純憑借以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和工程資料來設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)，使得鋼結(jié)構(gòu)的性能與實(shí)際建筑需求出現(xiàn)一定的偏差，繼而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)概率提升。②設(shè)計(jì)人員專業(yè)技能不足，且不具備足夠的責(zé)任意識(shí)，無法嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求開展鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員對鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的產(chǎn)生原因也并未熟練掌握，對出現(xiàn)失穩(wěn)的鋼結(jié)構(gòu)往往采取的補(bǔ)救措施與實(shí)際所需不符，加劇損壞了建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。③在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)工作較為獨(dú)立，并未聯(lián)合防火、防腐以及抗震等要素進(jìn)行設(shè)計(jì)，全面性缺失，一旦建筑抗震性與標(biāo)準(zhǔn)要求不符，則會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)，在遇到地震時(shí)，建筑會(huì)瞬間倒塌，嚴(yán)重威脅到人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。

4 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)辦法

4.1 改良穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

就鋼結(jié)構(gòu)整個(gè)來說，兼具標(biāo)準(zhǔn)化還有著不小的差距。此外，中間或許會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)情況，而這勢必會(huì)損壞整個(gè)的構(gòu)筑物架構(gòu)。對此，可以大致了解到穩(wěn)定性以及強(qiáng)度彼此的聯(lián)系并不高，強(qiáng)度以及應(yīng)力為密切聯(lián)系的。對于強(qiáng)度的認(rèn)識(shí)，處在平衡性較高的情況下的單個(gè)以及整個(gè)組件，如若承擔(dān)應(yīng)力處于某一程度下，它的強(qiáng)度極值即為鋼結(jié)構(gòu)整個(gè)的支撐點(diǎn)。另一層面，穩(wěn)定性問題也需要深入性的研究，和形變的出現(xiàn)有著密切聯(lián)系，將鋼結(jié)構(gòu)整個(gè)分成兩個(gè)部分，處在穩(wěn)定情況下，內(nèi)部的抵抗性以及外部的負(fù)荷承載性保持平衡。此時(shí)，也就沒有內(nèi)部失穩(wěn)情況出現(xiàn)，如若外界因素干預(yù)，基于自我穩(wěn)定性，能夠于短期內(nèi)確定平衡點(diǎn)，這樣也就可以最大可能地降低形變問題，從而保證整個(gè)建筑架構(gòu)的安全可靠。

4.2 調(diào)整動(dòng)力策略

即處在平衡情況下的結(jié)構(gòu)體系，如果給予細(xì)微的荷載引發(fā)振動(dòng)，結(jié)構(gòu)形變以及振動(dòng)加速度均和附加的細(xì)微負(fù)荷有著聯(lián)系。如果負(fù)荷低于穩(wěn)定極限負(fù)荷情況下，只是加速度和形變方向不一致，消除干擾，運(yùn)動(dòng)也隨即變得靜止。所以，結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)為穩(wěn)定的，如果負(fù)荷高于其極限負(fù)荷的情況下，加速度以及形變方向一致，該情況下即便移除了干擾，運(yùn)動(dòng)也依舊存在，所以結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)為非穩(wěn)定的。故而，臨界情況下的負(fù)荷，即結(jié)構(gòu)的屈曲負(fù)荷，它的結(jié)果基于結(jié)構(gòu)主動(dòng)頻次為零的條件獲得。

4.3 提高靜力以及動(dòng)力研究

靜力研究即靜力平衡策略，探討細(xì)微形變的鋼結(jié)構(gòu)受力，構(gòu)建平衡微分函數(shù)，結(jié)合系統(tǒng)性的分析得到最終的臨界負(fù)荷。動(dòng)力分析策略的主要機(jī)理為如若建筑架構(gòu)系統(tǒng)處在平衡轉(zhuǎn)臺(tái)環(huán)境下，任何對于構(gòu)筑物素給予的細(xì)微的影響，建筑鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)均會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)顫動(dòng)。在這樣的顫動(dòng)環(huán)境下，建筑鋼結(jié)構(gòu)形變和振動(dòng)有關(guān)的加速度都和建筑鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)荷之間聯(lián)系緊密，如若存在負(fù)荷小于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極限負(fù)荷情況，因?yàn)榧铀俣韧巫兊姆较虿煌?，所以最后?huì)造成干擾消除，建筑鋼結(jié)構(gòu)從運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)成靜止，建筑鋼結(jié)構(gòu)再度回到靜止?fàn)顟B(tài)。結(jié)合這一機(jī)理開展分析以及設(shè)計(jì)，可以得到精準(zhǔn)的臨界載荷，保證鋼結(jié)構(gòu)建筑最終的穩(wěn)定性。

4.4 梁柱的合理把控

梁柱理論為時(shí)下鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容組成，也是核心內(nèi)容之一。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，應(yīng)當(dāng)綜合鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場的實(shí)際情況、工程原料配置以及具體的工程設(shè)計(jì)方案等有關(guān)工作，科學(xué)應(yīng)用梁柱理論研究鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間的細(xì)部架構(gòu)以及構(gòu)件彼此的穩(wěn)固、整體架構(gòu)和構(gòu)成部分之間的穩(wěn)定水平，由此實(shí)現(xiàn)保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的效果。

4.5 輕型鋼基礎(chǔ)和柱腳節(jié)點(diǎn)控制

基礎(chǔ)方式的選擇應(yīng)當(dāng)結(jié)合構(gòu)筑物所處區(qū)域的工程地質(zhì)情況以及構(gòu)筑物上端結(jié)構(gòu)形式等多個(gè)層面進(jìn)行總結(jié)分析。由于柱網(wǎng)規(guī)格較大，上端架構(gòu)船只柱腳內(nèi)力不大，一般為獨(dú)立基礎(chǔ)形式。如果地質(zhì)環(huán)境不理想的，可綜合考慮條形基礎(chǔ)，對于不良地質(zhì)情況的，可選擇應(yīng)用樁基礎(chǔ)形式。一般而言，不適用片筏基礎(chǔ)以及箱型基礎(chǔ)。對輕鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)除發(fā)作沖切以及剪切影響之外，由于有著較高的水平力，有關(guān)固接柱腳，還有著一定的彎矩影響，可能導(dǎo)致基礎(chǔ)發(fā)作顛覆以及滑移受損。其他方面，當(dāng)風(fēng)負(fù)荷較高的情況下，輕鋼結(jié)構(gòu)自我重量不大，可能缺少抵御風(fēng)負(fù)荷上拔力作用，繼而導(dǎo)致基礎(chǔ)上拔受損。為規(guī)避此類損壞出現(xiàn)，最為合理的方式即增加基礎(chǔ)埋深，輕鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)還應(yīng)當(dāng)預(yù)埋錨栓，以實(shí)現(xiàn)上端結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的可靠連接，如果錨栓間距混凝土基礎(chǔ)邊際過近，會(huì)導(dǎo)致發(fā)作基礎(chǔ)受損。所以錨栓建立邊緣的距離一般不小于15 cm，如果錨栓長度過小，則可能會(huì)使得其從基礎(chǔ)內(nèi)拔出，導(dǎo)致基礎(chǔ)受損，對此，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也明確了錨栓錨入尺寸要求。

除此以外，對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的加固處理也可以有效規(guī)避負(fù)荷分析，提高組件截面及其連接強(qiáng)度，規(guī)避粗在裂隙擴(kuò)張等情況。通常可采取下述辦法：首先，就受彎組件而言，能夠結(jié)合轉(zhuǎn)變它的截面方式予以加固，促使其負(fù)荷分布出現(xiàn)變化，例如把集總的負(fù)荷轉(zhuǎn)化成多核集中負(fù)荷形式，轉(zhuǎn)變端部支撐，把鉸接轉(zhuǎn)化成剛接形式等等，提高預(yù)應(yīng)力;其次，就桁架而言，可選擇下述辦法提高其內(nèi)里，實(shí)現(xiàn)加固作用。第一類，即擴(kuò)充預(yù)應(yīng)力桿件;第二種則是把撐桿變桁架轉(zhuǎn)換為撐桿架構(gòu);第三則是提高組件的截面。進(jìn)一步擴(kuò)展其截面時(shí)，務(wù)必分析選定的區(qū)域需要予以一定的強(qiáng)化支持，并綜合考量缺陷以及損傷等情況。

5 建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)意義

對于現(xiàn)代建筑鋼業(yè)而言，鋼結(jié)構(gòu)即基于各種鋼板等的可靠焊接、熱軋等工藝，促使鋼板轉(zhuǎn)換為能夠用于工程施工所需的型鋼原料。建筑鋼結(jié)構(gòu)主要包含兩類形式，即輕鋼結(jié)構(gòu)以及重鋼結(jié)構(gòu)。輕鋼結(jié)構(gòu)自重更低，實(shí)際占地面積也更小，大多使用在跨度不大的建筑工程方面。和輕鋼結(jié)構(gòu)對比，重鋼的自重會(huì)更高一些。即便重鋼自重明顯高于輕鋼，但對比傳統(tǒng)的混凝土建筑形式，無疑有著更為突出性的優(yōu)勢，主要被應(yīng)用于跨度較大的建筑工程之中。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為現(xiàn)代建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的關(guān)鍵組成，同時(shí)也是重中之重。不單單會(huì)對工程項(xiàng)目質(zhì)量造成影響，此外也會(huì)對我國建筑行業(yè)未來發(fā)展趨勢形成影響。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋼結(jié)構(gòu)制造有些密切聯(lián)系，因此提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為必要。結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面分析，此類設(shè)計(jì)不單單要求建筑設(shè)計(jì)人員有著較高的小空間想象能力，此外還應(yīng)當(dāng)具備扎實(shí)的專業(yè)技能基礎(chǔ)。和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對比，鋼結(jié)構(gòu)建筑更為關(guān)注結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分，同時(shí)設(shè)計(jì)難度也更高。設(shè)計(jì)人員往往需要具備多年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，并嚴(yán)格參照國家有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范展開設(shè)計(jì)，綜合建筑項(xiàng)目的客觀施工條件，確定鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心要點(diǎn)，在保證鋼結(jié)構(gòu)工程總體質(zhì)量的情況下，盡可能地規(guī)避鋼材損耗，切實(shí)把控工程項(xiàng)目成本。由此可見，鋼結(jié)構(gòu)依然是未來建筑行業(yè)的發(fā)展方向之一，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)更是直接關(guān)系到工程的成敗。

6 結(jié)語

由于建筑工程設(shè)計(jì)具備較強(qiáng)的系統(tǒng)性和專業(yè)性，且穩(wěn)定性設(shè)計(jì)作為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的核心部分，需嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，聯(lián)合建筑實(shí)際情況以及多方面因素，進(jìn)行準(zhǔn)確地分析設(shè)計(jì)。一旦鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)則將造成嚴(yán)重的后果。為此，為確保最終鋼結(jié)構(gòu)整個(gè)的穩(wěn)定效果，在設(shè)計(jì)期間，就應(yīng)當(dāng)對具體的設(shè)計(jì)原則有詳細(xì)的把握。對設(shè)計(jì)期間潛在的各方面問題予以深入性的研究和探討，結(jié)合各個(gè)潛在問題給出對應(yīng)的處理辦法，由此方能夠設(shè)計(jì)得到可靠、完整的鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

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