浅析建筑钢结构设计方法

赵 辉

（城市规划设计研究院有限责任公司，江苏 扬州 225009）

1 建筑钢结构设计方法的演进

1.1 容许应力法

容许应力的设计原则是：其结构计算应力应小于结构构件设计所规定的容许应力。对于结构构件的计算应力要按规定的标准荷载，计算是以一阶弹性理论而得到，是以一个去除材料并大于1的安全系数的极限应力或是屈服应力而确定的[1]。其设计公式为：

式中 Rn——指结构材料的极限应力或是屈服应力的标准值；

K——安全系数；Sni——结构构件荷载标准值所求得的计算应力；n——工况数；i——荷载数。

容许应力主要存在的缺点在于：第一，不能合理的考虑到结构几何的非线性影响；第二，由于容许应力法采用的是单一安全系数，不能反映出荷载变异和抗力的独立性等。

1.2 塑性设计法

采用塑性设计原则是指结构构件的塑性性质和强度要高于标准荷载的构建乘以安全系数，在构建内力结构分析中一般采用钢塑性分析法或是一阶塑性分析法。塑性设计法的设计公式为：

式中 Rn——结构材料的塑性强度及性质所确定的承载力；

K——安全系数；S——计算应力；n——工况数；i——荷载数。

塑性设计法的主要优点在于其结构进入塑性后允许进行内力的重分布，但必须要求其构件和结构能有足够的延性，在设计中严格的限制了翼缘和截面腹板的比例尺寸。塑性设计法虽然考虑到了非线性，可以客户存在缺陷的容许应力法，但是在结构设计中依然不能反映出结构构件与材料屈服的扩展，此外，塑性设计法和容许应力法的相同点是在其结构的可靠性的保证，还是需要以经验性的安全系数来确定[2]。

1.3 极限状态法

极限状态法是为了克服塑性设计法和容许应力法所存在的缺陷，这种方法主要是采用荷载分项系数和抗力来替代单一安全系数。目前，极限状态法以是我国最常用的设计方法。其结构由于荷载的作用，可在一定的周期内达到两种极限状态，第一种是正常使用极限状态，第二种是承载能力极限状态。承载能力极限状态所对应的是结构的安全性，主要是指构件的塑性变形、断裂等造成的结构破坏。极限状态法的设计公式为：

式中f——抗力分项系数；

ri——荷载分项系数；Rn——构件抗力；Sni——荷载效应标准值。

其设计公式主要是通过可靠度分析与概率分析而得到的，在极限状态法的设计中考虑到几何非线性的影响，可以进行二阶分析，这样便克服了上述塑性设计法和容许应力法所存在的缺陷。

2 建筑钢结构的稳定性设计

在设计钢结构的过程中，需遵循其结构的设计原则，保证钢结构的安全可靠，从而有足够的强度和耐久性，才能具备建筑钢应具备的特点，建筑钢结构通过稳定性设计，钢结构才能充分发挥出最大优势。

2.1 钢结构的设计原则

在了解钢结构的设计原则时，首先要能区别强度和稳定问题，强度关键取决于材料特征，对于脆性材料都要取最大强度，如混凝土；对于钢材则取屈服点，而稳定问题在解决强度问题时，需找出其不稳定的平衡状态，这种不稳定状态存在内部抵抗力与外部荷载之间，也就是指变形在快速增长的开始点，通过这样区分，可以指导强度问题最主要就是一个变形问题。

（1）建筑钢结构的设计需符合组成部和整个体系的稳定性要求。由于很多钢结构都是以平面体系而设计的，比如框架和桁架的设计。为了防止平面结构出现失稳的情况，需要充分考虑到建筑钢结构的整体布置，同时设计其支构件，这种情况说明平面结构的结构布置和稳定计算需有一致性[3]。

（2）计算框架结构稳定性过程中，最重要的一点是计算方法和计算简图要有一致性。目前在设计多层框架结构或是设计单层框架结构时，最主要分析计算框架柱的稳定性，而不是作框架的稳定分析，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，要依靠框架的整体稳定来分析得出结果，这样便得出了框架稳定计算与框架柱稳定计算是等效的。

2.2 建筑钢结构设计稳定性特点

首先，从建筑钢结构整体稳定性来分析，如要保持钢结构的稳定性，需要从结构的整体出发来分析其稳定性。其次，从钢结构的整体刚度和失稳方面来看，应采用现行较为规范的折减系数法和临界压力求解法来进行稳定计算，对于轴心压杆的稳定计算通常用这两种方法。再次，在弹性稳定计算的过程中，不只考虑结构整体性特点，还应考虑到二阶分析，这主要是由于结构内力会受到柔性构建大变形量的一定影响。

总之，建筑钢结构的设计过程中，要对其结构优势有所了解，并对设计中需注意的问题有明确的认识，才能设计出合格的建筑钢结构体系，从而在建筑运用中取得更好的效益。

[1] 李国强，李进军.建筑钢结构设计方法的平诉和趋势[J].钢结构工程研究，2010（5）.

[2] 周新滨.浅谈钢结构体系研究[J].中国科技信息，2005（10）.

[3] 马奇，罗志兵.钢结构稳定设计的探讨[J].江西建材，2008（7）.