建筑钢结构适用性分析

黄志强

摘要：我国钢结构在上世纪末快速崛起，经过长期发展，目前已经取得了一定的成绩，在全世界范围内，钢结构用量、产业规模和制造加工能力等均占首位。伴随着城市进程的不断推进和工业化的全面实施，我国钢结构行业拥有广阔的应用前景。适用性是建筑钢结构的主要性能之一，它在正常施工和常规使用中发挥着重要的作用。本文先简单介绍建筑钢结构的发展，然后对建筑钢结构适用性进行概述，最后着重分析了建筑钢结构的适用性，希望能为建筑钢结构的稳步发展提供一定的参考。

关键词：建筑；钢结构；适应性；分析

中图分类号： TS958 文献标识码： A

型钢、钢板、钢管等通过焊接、螺栓、铆钉等形式相互连接，形成建筑钢结构，它具有重量较轻、强度较高、延展性良好、跨越度大、安装方便、抗震性能较强的特点，这种结构被广泛地应用在高层建筑、大规模厂房建设中。伴随着国民经济的快速发展，建筑钢结构凭借自身的节省能源、保护环境、高效的优势得到了越来越多工程建设人员的关注，在城市化发展和工业化推进中蓬勃发展。因此，本文对于建筑钢结构适用性分析具有重要的现实意义。

一、建筑钢结构发展

建筑钢结构具有重量较轻、延展性良好、可塑性强、便于施工、抗震性能较高、容易修复、绿色环保等优点。我国建筑行业所用钢材在总钢材产量中达到半数以上，然而绝大部分钢材均应用在了钢筋混凝土结构中，钢结构主要应用在轻钢厂房建设和某些特殊建筑中，很少应用在其余建筑领域中，因此，造成了我国钢铁行业供过于求的现象。钢结构建筑与土木建筑相比，具有显著的优越性，我们应充分利用我国钢材产量优势，充分利用建筑钢结构，进而推进城市化和工业化进程。

二、适用性概述

适用性、安全性、持久性是建筑钢结构的基本功能，它们也被统称为可靠性，通常在工程施工和常规使用过程中，可有效承受各种作用，工作性能良好，在定期维护的前提条件下具有较强的持久性。一旦结果或者局部结果超出某种特定状态，就无法满足预先设计规定的其中一种功能，此时将这种状态称为此功能下的极限状态。负载能力极限状态、常规使用极限状态是极限状态两种最主要的形式。在具体的结构设计中，不仅要满足结构在极限负载条件下具有一定的安全性能，还应确保结构在常规使用负载条件下具备相应的使用功能，也可将其理解为应满足一定的适用性，此时的极限状态被称为常规使用极限状态。参照国家相关规定，常规使用极限状态的分析的内容主要包含形变、振动和局部地方损坏等内容。

虽然结构为与非常规使用极限状态时不会引发巨大的损坏和灾难性的损失，但是，有时严重可能影响结构的日常使用。伴随着国民经济的快速发展和生活水平的提高，人们对建筑功能的要求日益提高，近年来涌现出了大量的高层建筑、超高层建筑和大跨结构，世界范围内正在积极探索，稳步推广使用强度等级更高的钢材，因此，某些结构或者其构件设计正在由安全性控制设计逐步向适用性转变，在此种背景下，全面分析建筑钢结构在常规使用状态下的可靠性至关重要。

三、建筑钢结构适用性分析

（一）建筑钢结构常规使用极限状态下的表达式

在建筑钢结构的常规使用极限状态下，影响常规使用、外观形变和常规振动是主要研究对象。本文偏重前两者的研究，对于振动，其使用范围大部分局限于存在动力负载作用的特定工业建筑施工中。针对此点，相应的建筑钢结构设计规程中没有明确提出具体的控制振动位移的要求，主要通过制约建筑结构构件的尺寸比来控制存在一定影响效果的振动。实际施工过程中，如果能够合理控制静力位移，在某种程度上也能实现控制振动位移的目的。然而针对不同情况，符合“不干扰常规使用振动”要求的静力位移极限值或者相应的振动位移极限值的问题，仍需进一步研究并补充说明，因此，笔者结合自身工作经验，给出了相应的处理意见。

1.构建极限设计状态表达式

梁、柱构成了建筑钢结构构件，设梁构件的相对变形值为C1/L，柱构件的相对变形值为C2/H，依据变形极限状态将其整理为：梁C1/L=S/(A1MI1)=[C1/L]；柱C2/H=S/(A2MI2)=[C2/H]，在这两个公式中，其中S代表负载效应；M代表钢材的弹性模量；A1、A2分别代表梁构件端部的条件和跨越度，柱构件端部条件和高度有联系的系数；C1、C2代表形变值，对于梁而言表示极限竖向位移，对于柱而言表示极限层间位移；I1、I2代表截面惯性距，L代表跨越度,H代表高度；[C1/L]、[C2/H]代表相对形变临界值。

2.分析方法阐述

利用CHECK-POINT方法进行分析，先求出建筑钢结构的极限状态方程，然后对其进行标准化转换，方程中的参数均为非正态分布变量，为进一步求解应对其进行正态化处理，确定标准正态分布函数和概率密度函数，计算钢构件抗力。

（二）计算结果的有效分析与合理化建议

1.由上述算例可知，建筑钢结构构件常规使用极限状态情况下的可靠性指标的计算范围在1-1.5之间，这些数值和负载能力极限状态情况下的指标相比较低。这主要是因为建筑结构构件满足常规使用极限状态条件时，只是不好使用，却不会出现强度破坏、疲劳损坏和稳定性能散失等无法使用的现象，此类现象只出现在负载能力极限状态中，通常后果比较严重，在常规使用极限状态中配置较低的可靠性指标是较为合理的。因情况而异，常规使用极限状态中可配置相应的可靠性能。通常主要包含可逆和不可逆这两种类型，建筑构件在静力负载条件下的弹性位移或者形变是可逆的，在常规动力负载条件下出现的振动位移或者形变也是可逆的，而在此种情况中出现的裂缝却是不可逆的。据我国相关调查结果表明，只要设计符合相应规范中的使用极限状态变形限制的条件的，其常规使用情况存在正常、良好和极度良好这三种状态；反之则存在稍微晃动、晃动幅度较大、摆动幅度不大、摆动幅度较大和摆动幅度特别大、严重损坏等评价。这些均说明，对影响结构常规使用变形的控制在某种程度上也影响了常规使用振动。综合来说，建筑钢结构设计规范可有效控制使用极限状态。

2.在以往的使用极限状态的可靠性分析过程中，尚未统计分析相对变形差异值（理论相对形变临界值和预期设计规范中的变形极限值这两者之间的差异），因此，现阶段不能准确研究相应的分布情况，且仍需进一步界定相对变形临界值的设立。我们无法肯定建筑结构设计规范中的相对变形值是否完全准确，并不排除存在一定的偏离。该数值直接关乎着使用极限状态条件下的失效概率的计算结果，也直接关乎着建筑刚结构的用钢指标，因此，如何确定其统计规律仍需进一步努力。其中理论上的相对变形临界值依赖于工作经验，有时依赖于工程调查。例如，建筑屋面因形变严重而引发雨水蓄积或者在初始漏水阶段，可以将檀条形变值看作理论相对变形的临界值。

3.对于影响常规使用振动，因每个人对振动的感受存在一定的差异，也不能准确把握相应的标准。例如，在某外资发电厂中，待钢结构厂房投入使用时，存在显著的振动，具行车司机反映，在启动车辆或者刹车时存在极其不适应的心理，工作压力较大。据反复核对验算，最终发现此厂房构件的尺寸比不符合相应的规范限制。在控制影响常规使用振动问题中，除进一步改进尺寸比外，还应考虑其它因素。

结语

伴随着城市化进程的不断推进和工业化生产的全面实施，建筑钢结构被广泛地应用在单层、多层、高层和超高层建筑中，并取得了一定的成绩。我国的建筑钢结构凭借自身经济适用、质量良好、劳动力成本不高等优势在世界范围内拥有较强的综合竞争力。同时社会的不断发展，也对建筑钢结构的性能提出了更为严格的要求，适用性是建筑钢结构的主要功能，它在常规使用中发挥着重要的要求，我们应加大在这方面的研究，全面分析建筑钢结构的适用性，进而生产制造更高强度的钢材，更好地满足现代建筑需求，推动建筑行业的稳步、健康发展。

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