建筑钢结构及其稳定性设计方法

建筑钢结构及其稳定性设计方法

吴文品

苏州六度设计研究院有限公司云南分公司

摘要：随着经济的不断发展和社会的进步，人民的生活水平在不断地提高，对于居住环境的要求也在不断的变化，为了使人们生活的更加安全和舒适，我国建筑技术水平逐步提升。在现代的建筑工程中，钢结构因为其自重轻、强度高的优势，它的稳定性与其他建筑材料相比，更适合用于建筑设计中结构的搭建。虽然建筑钢结构的稳定性得到了整个行业的认可，但近年来，由于建筑设计等问题的出现，钢结构的稳定性遭到了质疑，安全事故也频频引发。本文对建筑钢结构设计出现的问题和缺陷进行了讨论，对钢结构稳定性的提出一些合理的建议，希望能解决目前稳定性设计中出现的问题，使建筑行业能平稳、安全的发展。

关键词：建筑钢结构；稳定性；设计

一、目前钢结构稳定性设计存在的问题

钢结构设计的稳定性存在不少问题，稳定性受到很多条件的限制，在设计钢结构时，不仅要考虑到钢结构本身对稳定性的影响，同时也要控制外界因素对稳定性的干扰。

（一）构件承受力的强度影响稳定性

在钢结构设计中，构件承载的程度对稳定性产生影响，构建材料的应力、截面特征也和稳定性相关，在建筑钢结构设计开始时，考虑到支撑力、扭抗力等因素在假设、模型计算中难以反映，所以理论结果和实际承载力会不同，这些都是设计时要考虑的条件。

（二）大跨度结构的设计有缺陷

大跨度结构设计中反映轴力和弯矩的耦合效应有一定难度，这个问题影响到了稳定性设计。通常情况下，选定的稳定安全系数不能反映网壳结构的受力，由于预张拉结构体系的设计存在缺陷，导致整体与局部受到影响，稳定性之间的关系需要进行探讨。

（三）稳定理论不完善

在钢结构稳定性设计中，设计师是从各种条件达到最佳状态的角度去考虑的，但一些不确定性的因素没有考虑到，稳定理论不完善，在施工中结构参数的不确定会直接引起各个方面的结果的变化，为了保证钢结构的施工质量，稳定性的设计应重视随机参数的考虑。

二、钢结构失稳的分类

（一）平衡分岔失稳

平衡分岔失稳是当荷载增加时，结构维持的平衡状态被打破，出现新的平衡形式在本质上和原来的平衡状态有差异，稳定性受到破坏不再稳定。具体的原理是构建截面承受的压力超过了能临界点，构建发生变形，原来的轴心受压平衡状态被弯曲的状态所取代，这就是平衡分岔失稳。

（二）极值点失稳

用于建筑的钢材料偏心受压构件，当其塑性超过了本身能承受的程度，就是失去了稳定性，失稳状态的荷载值等同于构件实际最大荷载值，这是一个渐变的过程，和平衡分岔失稳不同。

（三）跳跃失稳

跳跃失稳和上述的失稳类型都不相同，是失稳后一个新的平稳状态取代了之前的平稳状态，没有平衡分叉点，也不存在极限值。

三、建筑选择钢结构的原因分析

（一）钢结构的材料特性

钢结构的主要构成是钢材料，和其他的建筑材料相比，它具有的特性使之稳定性更好。第一，钢材的可塑性较高，由于构成钢结构的钢材通过冷加工和热加工的方式成形，使其韧性较好，对于建筑设计中荷载大的地方，能加固它的整体质量，不会因为荷载大而发生意外断裂。对于建筑中跨度大的构造，钢材极好的强度也弥补了空缺，除了这些优势，钢结构的抗震能力也很好，这归功于钢材的延展性和吸力。第二，钢材比其他的建筑材料要轻，和建筑中常用的混凝土相比，在同样的构造运用中，钢材的重量比混凝土结构要轻3/4或者2/3，对于施工中的购进和吊用，减轻了工作量，节约了人力、物力资源。第三，钢材能使建筑设计的实行更有利，因为钢材在制造的过程中，材料元素较为稳定，没有很大的波动，使生产出来的钢材质地均匀，在可承受力的范围内，受力情况和设计中力学的计算最为接近，帮助建筑设计趋于科学化，数据更为准确。

（二）钢结构的建筑优点

钢结构在建筑工程上的广泛应用，不仅是因为其自身良好的材料优势，还有钢结构具有别的建筑结构不具备的特性。第一，钢结构建筑的抗震新能较强，由于钢结构良好的自重力和延展性，当地震来临时，地震的震感会被钢结构一定程度的削减，地震的效力也相对减小，这与钢结构的总质量小有着密切的关系。第二，钢结构使建筑整体空间感更大，在建筑施工中，钢结构和混凝土有很大差别。钢结构的建筑施工时，管道的设置是将梁腹板上打孔，而混凝土结构施工时，管道的设置和钢结构明显不同，一般情况下，管道需要通过梁板底部，整体上减少了楼层的净高，混凝土结构占据的空间比钢结构多，钢结构可以利用这一特性，在住宅设计的选择具有多样性，如开放式住宅。

四、钢结构稳定性设计的原则及计算方法

（一）钢结构稳定性的设计基本原则

建筑钢结构的设计，重点在于如何把握稳定性，钢材决定了建筑的强度，可是强度不等于稳定性，两者要区别开来，首先要分析钢结构不稳定的原因在哪里，通常钢结构的不稳定是由内外部力的不均衡造成的，外部的荷载力和内部的抵抗力不均衡会引起钢结构的变形，而变形问题其实就是强度问题，要解决钢结构设计的不稳定，最基本的是要遵循设计原则。第一，钢结构的设计从组成部分到整体结构都力求稳定性达标。在设计框架和桁架时，钢结构的设计运用的是平面体系，先将框架和桁架设计达到平稳性，在扩展到保证平面体系的平稳性，最后使整个钢结构的设计趋于平稳，从部分到整体，中间环节不能有差错。第二，钢结构设计中运用了大量计算，首先要保证结构图纸的一致，实际所用的图纸必须和设计图纸计算结果大致相同，如在设计框架时需要计算框架的稳定性，计算的结果要与模板框架结果大致相同，这样才能确保框架的稳定。

（二）钢结构稳定性设计的特点

钢结构稳定性的设计特点，大概可以分为三点：第一，稳定性的计算。这里主要考虑弹性的计算，弹性稳定计算不仅要分析结构的屈曲性和强度，还要进行二阶分析，在对钢结构产生的较大的变形和挠度问题上，系统计算的准确度是钢结构设计必要条件。第二，稳定性从整体考虑。设计稳定性的考虑不仅从组成部分上，还要进行部分到整体结构的分析，综合起来进行设计，不要稳定了局部，整体没有稳定可能会造成失误。第三，整体刚度和失稳。稳定性的计算方法多种多样，较为普遍的是临界压力法和折减系数法，在轴心压杆的稳定性计算中，运用到了这两种算法。

（三）钢结构稳定性设计的计算

1、静力平衡法

静力平衡法又称静力法，或者欧拉方法，常用于屈曲荷载的计算。通常发生细微屈服后，利用结构的力学状态分析体系和方程组求解，求解的结果不止一个的情况下，最小的解是结构体系的分岔屈曲荷载。静力平衡法在钢结构设计中较常使用的计算方法。

2、能量法

能量法又称铁木辛柯法，利用能量守恒原理求临界荷载，能量守恒原理是保守体系处于平衡状态时，贮存在结构体系中的应变能等于外力所做的功，关系表现为：ΔU=ΔW，其中ΔU为应变能的增量，ΔW为外力功的增量。根据势能驻值原理指的是结构受到外力作用导致位移发生微小变化而总势能不变，表达式为：δπ=0，其中δπ为结构总势能的一阶变分，有δπ=δU+δV=ΔU-δW，δU是虚位移引起的结构内应变能的变化，它总是正值，δW表示外力因为虚位移而做的功，且外力势能的变化δV等于外力虚功的负值，即δV=-δW。

3、振动法

振动法是对平衡状态下的结构体系施加微小干扰，使其发生振动，根据自由振动状态确定结构的临界荷载。当荷载小于稳定的极限荷载值时，加速度的方向和变形的方向相反，振动随着时间的推移呈现收敛状态，趋于静止，这时结构的平衡状态是稳定的。

五、钢结构稳定性设计的建议和注意事项

（一）提升钢结构稳定性的方法

建筑工程在施工过程中，可能会出现意外情况的发生，所以在建筑钢结构设计时，针对意外情况的紧急处理办法尤为重要，为了确保设计稳定性，要对整体结构进行加固。一般情况下，荷载分布状况是钢结构的加固常用方法，改变受弯杆的界面内力、焊接各种螺栓也对加固稳定性有着重要的作用。

（二）钢结构稳定性设计的注意事项

钢结构的建筑，如住宅的结构设计必须做到平面布置应力对称，布置的规则问题直接和住宅遇到突发性灾害的抵抗力有关。当厂房运用钢结构时，需要考虑防腐性，若厂房用于存放化学产品，钢结构可能会腐蚀，在设计时钢材质量要求严格把关，涂层要达到要求。除了这些需要注意的，不同的钢结构设计有不同的要求，针对具体的情况，考虑各方面因素，使钢结构具有良好的设计稳定性能。

结束语

总的来说，钢结构和其他建筑材料相比，对建筑的安全性和稳定性更为有益，但并不是完美的，钢结构也存在着一定的不足和缺陷，所以在建筑设计的时候需要利用钢材料自身可塑性高，强度好等特点，充分发挥其在整体建筑结构中的作用去固整体的稳定性，保障施工过程中建筑的安全，避免意外事故的发生。建筑中钢结构的广泛运用，对我国的建筑水平有了很大的提升。在不久的将来，建筑钢结构设计水平逐渐趋于完善，稳定性会有更大的突破和升级，对建筑业的发展会产生革命性的重大影响。

参考文献：

[1]王志军.高层住宅钢结构的设计流程及应注意的问题[J].中小企业管理与科技，2010，24（14）：635-636

[2]赵现鲁.浅谈建筑钢结构稳定性设计[J].中国建筑金属结构，2013（12）

[3]陈淑燕.提高钢结构设计稳定性的有效策略[J].城市建设与商业网点，2009

[4]梅庭玉，舒昌林.建筑结构及其稳定性设计[J].煤炭技术，2010（12）

[5]陈铭，何丽丽，巩伟平.浅谈钢结构稳定性设计[J].山西建筑，2009

[6]卢秋玉.对建筑钢结构设计及安装的探讨[J].中小企业管理与科技，2010，36（28）：749-750