试析建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点

吴立飞

（太原中旅工程设计有限公司，山西 太原 030012）

建筑钢结构工程对安全稳固性有较高的标准要求，一旦稳定性失衡，极易诱发安全事故，对公众生命财产安全构成威胁。为此，相关人员应进一步明确钢结构的基本特征与设计原则，分析建筑钢结构工程失稳因素与设计要点，以加强整体结构的安全稳固性。

1 钢结构工程的基本概念

建筑钢结构工程以钢材为主要结构材料，是较为常见的建筑工程结构类型。众所周知，钢材具有强度等级高、抗形变能力强、耐用性持久等优势特征。基于钢材的这些优势特征，其被广泛应用到超重型、大跨度建筑工程中。建筑钢结构工程符合工程力学的基本特征，不仅材料韧性好、抗压性、耐腐蚀性突出，而且在形变过程中能够承受较大的动力荷载。在建筑工程建设中，为提高施工效率，缩短时间跨度，采用钢结构具有重要意义。且钢结构还适用于自主化、集成化与机械化水平较高的生产环节，能够有效加强生产环境的密闭性与精确性。

2 建筑钢结构工程稳定性设计的基本原则

钢结构工程设计原则包括稳定性原则、统一性原则与配合性原则。只有严格遵循这些基本的设计原则，才能加强整体设计的合理性、规范性与可靠性。具体内容如下。

2.1 稳定性原则

在建筑钢结构工程规划设计环节，要充分考虑整个结构体系与结构组成部分的安全稳固性需求。当下，大多数建筑工程结构都是按照平面体系进行设计的，如桁架结构与框架结构等。要想保证这些平面结构的安全稳固性，就需以整体结构布局为立足点，确保平面结构构件稳定性参数与整体结构稳定性参数相协调。

2.2 统一性原则

该原则主要指计算结构简图与计算方法保持一致性。当下，无论是单层结构设计，还是多层框架结构设计，都忽略了框架稳定性分析这一重要环节，采用框架柱稳定性分析取而代之。在框架柱稳定性分析中，要以柱体长度系数作为主要计算依据，并将计算结果作为整体框架结构稳定性分析的等效值。

2.3 配合性原则

该原则是指工程结构的细节构造的稳定分析与主体结构构件的稳定性分析相配合，保证二者的一致性。

3 建筑钢结构工程的失稳因素

要客观判断建筑工程结构的质量安全等级，就需以钢结构的稳定性作为主体参考指标。然而，从工程结构设计与施工角度来说，建筑钢结构工程具有多样性特征。与传统钢筋混凝土结构相比，钢结构的多样性特征体现在结构特点与连接方式方面，如节点承载力、梁柱承载力与拱承载力等。同时，相关人员要客观分析影响钢结构稳定性的主导因素。结合以往积累的实践经验可知，钢结构失稳因素主要包括如下几方面：

1） 极值点失稳，对于建筑钢材制作的偏心受压构件，一旦压力值临近极限点，必然会失去稳定性，而这也就是极限点失稳现象。在建筑工程建设中，偏心受压现象较为普遍化，尤其是非对称结构与非常规结构的荷载设计。此外，在建筑工程中，大量使用结构复杂且质量等级较高的配件也会导致设计与应用失配，成为不稳定性诱因。

2） 分支点失稳，分支点失稳的主要诱因是分支点结构设计不合理。而分支点失稳属于局部失稳。在调整直杆轴心时，平板受压面的弯曲现象也是较为典型的分支点失稳表现形式。

3） 跃越失稳，跃越失稳与极值点失稳和分支点失稳的核心理念存在本质性差异，既不是极值点，也不是平衡分支点，是从平稳丧失后跳跃到另一个平衡点的状态。跃越失稳是以上述两类失稳结构为基础的一次性发展结果，这些失稳现象会破坏整体结构稳定性，严重情况下，甚至会威胁建筑安全。在工程项目中，一旦出现跃越失稳问题，就需要结合钢结构特性，采取有效的处理措施，在整体稳定性评估指标达到标准要求后方可投入使用。

4） 其他失稳，除上述三种失稳现象以外，连接构件形变、锈蚀或钢结构构件在环境因素与外力作用下发生损坏，也会导致整体结构失稳。

4 建筑钢结构工程设计的关键点

4.1 布置与选型

钢结构在高层建筑工程设计中较为常见。在选型设计过程中，要综合考量施工材质、投资预算与周边环境等关键因素。同时，在内部结构设计时，考虑不同位置的实际需求，选择满足多元化需求的建材进行施工。

4.2 估算构件截面

在完成结构布置后，设计人员应客观考量断面形状与梁柱尺寸，例如选择轧制钢、槽钢或H 型钢等。通常来说，在估算构件横截面与厚度参数时，需要以截面高度和翼缘宽度等作为主要参考依据；在钢梁选择时，要以梁柱规格、性质、支撑断面形式作为主要参考依据。

4.3 设计构件与节点

第一步，焊接。在焊接过程中，严格遵照设计要求调整焊缝形式与规格，保证焊接处理的合理性；第二步，栓接。在高层建筑钢结构连接时，相关人员要将高强螺栓作为传力螺栓，让强度等级至少达到19.0s。第三步，连接板。对厚度约为4 毫米的梁腹板进行加厚处理，然后验算抗剪净截面。第四步，梁腹板。验算栓孔位置所在的腹板的抗剪净截面，采用高强承压螺栓进行连接，然后评估对应孔壁的承压能力。

5 建筑钢结构工程稳定性设计的具体方法

5.1 静力平衡法的核心原理

静态平衡法和中性平衡法简称平衡法，是估算钢结构稳定极限荷载的重要方法。针对平衡分岔点的弹性稳定性问题，分岔点往往有两个临近平衡状态，也就是原结构平衡状态和微型形变平衡状态。平衡法是根据微型形变结构的应力状态，确定分岔屈曲荷载的平衡方程。一般情况下，这个平衡方程的解不是唯一的，只是分岔屈曲荷载是最小解。为此，只要保证建筑工程结构的屈曲荷载即可。尽管钢结构稳定性的平衡状态估测难度较大，但是采取合理的平衡法依然可以准确估算弹性结构体系平衡路径分岔点对应的临界荷载。

5.2 动力法的核心原理

在钢结构体系的平衡状态下，一旦受到外部荷载的干扰，极易产生强烈的振动效应。所谓动力法，是指以动力学理论为核心，探究影响钢结构稳定性因素的方法。在受到外部荷载干扰后，结构体系的小幅度位移直接决定了系统的临界载荷，而缓慢的速度变化则是边界条件。在发生外部荷载干扰后，且外荷载值小于稳定极限值，钢结构的变形位移和方向始终在反方向上加速，保持互相抵消的状态。在解除外部荷载干扰后，变形位移会随之减缓，钢结构逐步恢复平衡状态。在发生外部荷载干扰，且外荷载大于稳定极限值时，钢结构必然会发生相应程度的形变。但是，变形位移方向与加速方向保持一致，形成互相促进的态势。在解除外部荷载干扰后，这种变形位移现象不会减弱，而钢结构也失去平衡稳定性。若振动频率为零，则采用动力法可以保证钢结构在临界状态下的动力荷载。

5.3 能量法的核心原理

能量法是指以势能驻值条件为基础确定临界荷载的方法。若外部荷载值小于限定值，总势能是最小的。此时，整个结构体系的初始位置相对稳定；若外部荷载值大于限定值，总势能是最大的。此时，整个结构体系初始位置不稳定。但是如果外界荷载数值与特定值相同，一旦发生微型位移，数值始终保持不变。在此过程中，整个结构体系处于偶然平衡状态，而这也就是临界状态。在临界状态下，相关人员应当结合势能定值原理，确定能量守恒方程，进而准确估算分叉屈曲载荷。

6 结语

综上所述，随着社会主义市场经济的繁荣发展与现代化城市建设进程的加快，建筑行业的发展取得了长足的进步。为此，相关人员应当综合分析建筑钢结构工程失稳因素与设计要点，提升整体设计水平，进而促进钢结构工程的顺利竣工。