建筑钢结构的应用及其稳定性设计

建筑钢结构的应用及其稳定性设计

谢明辉

金刚幕墙集团有限公司

摘要：我国的建筑行业发展迅速，由于钢结构具有自重轻、强度高、工业化程度高等优点,所以在建筑工程中得到了广泛的应用。建筑钢结构的承载能力在很大程度上取决于它的稳定性，因其结构失稳破坏造成的人员伤亡、财产损失的事故案例也常有耳闻,而失稳破坏的原因通常是结构设计缺陷所致。本文通过对钢结构在建筑中的应用介绍，了解钢结构的特点，并对钢结构稳定性设计方法进行了分析，提供了理论的参考。

关键词：钢结构;稳定性设计;

在我国，钢结构在现代建筑中已经兴起并得到充分地利用，高层钢结构、钢-混组合结构、轻钢结构、重型钢结构、住宅钢结构等多种钢结构体系都是建筑业主要的发展方向并得以重用到建筑行业中。这主要由于钢结构具有自重轻,易安装,抗震性能好，环境污染少等优点,所以，在建筑工程中得到广泛应用和发展。我国在对钢结构进行设计时，考虑最多的是稳定性设计，这也是钢结构设计中应注意的首要问题，但在应用中，钢结构失稳的问题也时有发生，掌握稳定性设计方法，对于钢结构在建筑中的应用是至关重要的。

1钢结构的应用范围

1.1重型厂房结构

吊车起重量较大或其工作较繁重的车间多采用钢骨架。如冶金厂房的平炉、转炉车间，混铁炉车间，初轧车间；重型机械厂的铸钢车间，水压机车间，锻压车间等。近年随着网架结构的大量应用，一般的工业车间也采用了钢结构。

1.2大跨结构

如飞机装配车间、飞机库、干煤棚、大会堂、体育馆、展览馆等皆需大跨结构。其结构体系可为网架、悬索、拱架以及框架等。

1.3塔桅结构

包括塔架的桅杆结构，如电视塔、微波塔、输电线塔、钻井塔、环境大气监测塔、无线电天线榄杆、广播发射桅杆等。

1.4多层、高层及超高层建筑

多层和高层建筑的骨架可采用钢结构。工业建筑中的多层框架和旅馆、饭店等高层或超高层建筑，宜采用框架结构体系、框架支撑体系、框架剪力墙体系。

1.5承受振动荷载影响及地震作用的结构

承受振动荷载影响及地震作用的结构设有较大锻锤的车间，其骨架直接承受的动力尽管不大，但间接的振动却极为强烈，可采用钢结构。对于抗地震要求高的结构也宜采用钢结构。

1.6板壳结构

如大型油库、油罐、煤气库、高炉、热风炉、漏斗、烟囱、水塔以及各种管道等。

1.7其他构筑物

如栈桥、管道支架、井架和海上采油平台等。

1.8可拆卸或移动的结构

商业、旅游业和建筑工地用活动房屋，多采用轻型钢结构，并用螺栓或扣件连接。

2建筑钢结构稳定性设计

在设计钢结构时，要遵守它的基本设计原则，保证设计的钢结构安全可靠，确保设计的钢结构有良好的耐久性，并且有足够的强度、刚度和稳定性，具备钢结构应具有的基础的优势，通过稳定性设计，发挥钢结构的最大优势。

2.1钢结构设计原则

在了解设计原则时，我们先要理解强度和稳定的问题，知道二者的区别所在，强度问题是一个应力问题，我们所说的极限强度主要是取决于材料的特性；如对于混凝土等一些脆性材料，要取其最大的强度，而对于钢材则实常取其屈服点。但稳定问题与强度问题却不是同一概念，要解决强度问题，就先要找出不稳定的平衡状态，这个状态存在于外部荷载与构件内部抵抗力之间，也就是变形开始快速增长的那个状态，通过这种分，我们可以知道强度问题实质上是一个变形的问题。

（1）钢结构的整体布置一定要符合整个体系以及组成部分的稳定性要求。

目前，大多数的钢结构是以平面体系设计的，例如，桁架和框架的设计。若要这些平面结构不出现失稳的问题，就要考虑钢结构的整体布置，通过对整体布置的解决，亦即设计必要支撑构件，防止出现失稳。这说明平面结构构件的出平面稳定计算和结构布置必须要有一致性。

（2）在框架结构的稳定计算中，结构计算简图和实用计算方法所依据的简图必须有一致性，这是重要的一点。

目前，在设计单层和多层框架结构时，我们不作框架稳定分析，而是作框架柱的稳定计算，在这里，我们通过这种方法计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数时,应该依靠框架整体稳定分析得出相应的结果，从而得出的柱子的稳定计算与框架稳定计算才是等效的。但在实际工作中，我们会设定一些不符合实际的典型条件，这是由于框架是多种多样的，需在设计简化计算的工作量。

（3）设计结构的细部构造与构件的稳定计算必须相一致。

设计人员处理构造细部时，在对传递弯矩和不传递弯矩的节点连接作出要求时，应该考虑到它要具备足够的刚度和柔度，以及要注意到桁架节点应尽量减少杆件偏心，但当构造上有不同于强度的要求或需要特殊考虑时，这些是涉及到构件稳定性能时，就应该考虑到这些。同时，在允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲时，支座也需要能够阻止梁绕纵轴扭转，达到以上的要求，在稳定分析中，就会符合会分析时所采取的边界条件。

2.2钢结构稳定性的分析方法

钢结构稳定问题的分析都是针对在外荷载作用下结构存在变形的条件下进行的,此变形应该与所研究的结构或构件失稳时出现的变形相对应。结构变形与荷载之间呈非线性关系,稳定计算属于非线性几何问题,采用的是二阶分析方法。稳定计算所确定的不论是屈曲荷载还是极限荷载,都可视为所计算的结构或构件的稳定承载力。

（1）静力法静力法即静力平衡法,是根据已发生了微小变形后结构的受力条件建立平衡微分方程,然后解出临界荷载。在建立平衡微分方程时遵循如下基本假定:1)构件是等截面直杆。2)压力始终沿构件原来轴线作用。3)材料符合胡克定律,即应力与应变成线性关系。4)构件符合平截面假定,即构件变形前的平截面在变形后仍为平截面。5)构件的弯曲变形是微小的,曲率可以近似地用挠度函数的二阶导数表示。根据以上假定条件可建立平衡微分方程,代入相应的边界条件,即可解得两端铰支的轴压构件的临界荷载。

（2）能量法能量法是求解稳定承载力的一种近似方法,通过能量守恒原理和势能驻值原理求解临界荷载。1)能量守恒原理求解临界荷载。保守体系处在平衡状态时,贮存在结构体系中的应变能等于外力所做的功,即能量守恒原理。其临界状态的能量关系为:ΔU=ΔW式中ΔU———指应变能的增量;ΔW———指外力功的增量。由能量守恒原理可建立平衡微分方程。2)势能驻值原理求解临界荷载。势能驻值原理指:受外力作用的结构,当位移有微小变化而总势能不变,即总势能有驻值时,结构处于平衡状态。表达式为:dΠ=dU-dW=0式中dU———指虚位移引起的结构内应变能的变化,它总是正值;dW———指外力在虚位移上作的功。

（3）动力法处于平衡状态的结构体系,如果施加微小干扰使其发生振动,这时结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关。当荷载小于稳定的极限荷载值时,加速度和变形的方向相反,因此干扰撤去后,运动趋于静止,结构的平衡状态是稳定的;当荷载大于稳定的极限荷载值时,加速度和变形的方向相同,即使撤去干扰,运动仍是发散的,因此结构的平衡状态是不稳定的。临界状态的荷载即为结构的屈曲荷载,可由结构的振动频率为零的条件解得。

3结语

钢结构因具有自重轻、强度高、工业化程度高等优点,在建筑工程中得到了广泛的应用,相信通过加强对结构的整体稳定、局部稳定以及平面外稳定的设计,克服结构设计缺陷,其应用的领域会越来越广泛。

参考文献

[1]GB50017-2003,钢结构设计规范[S].

[2]陈绍蕃.钢结构设计原理[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.