建筑钢结构设计中稳定性探讨

2021-11-19李纪果丁国治尹海松安伟东于海滨

工程建设与设计 2021年18期

李纪果，丁国治，尹海松，安伟东，于海滨

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京100176）

1 引言

钢结构是现代建筑工程的主流结构形式之一，其在厂房、桥梁、剧院等大型建筑设计领域中均有应用。20 世纪，受限于钢材冶炼技术，建筑用钢材的碳含量偏高，在韧性、耐腐蚀性方面不占优势，以致建筑设计行业并没有给予钢结构较高的重视[1]。近些年，金属冶炼技术有很大的发展与进步，生产出大量的高强度、高韧性、耐腐蚀的建筑用钢材，使钢结构逐渐成为建筑行业的“新宠”。将钢结构用于工程建设中，能减轻建筑结构整体自重，全面提升其安全性。但是，随着建筑行业的发展，建筑钢结构应用条件的日趋复杂化对其稳定性提出了更高的要求，故而应持续提高钢结构的稳定性，保证建筑的使用安全。

2 建筑钢结构设计稳定性概述

首先，当前建筑领域中采用的钢结构构成形式、材料成分等均表现出多样化特征，为确保其稳定性符合设计要求，应做好结构承载力的计算工作，客观分析钢结构使用过程中的应力分布与需求，在此基础上实现科学选材，合理设计构件、节点等，进而从根本上使结构稳定性得到保障。其次，钢结构作为建筑工程的常用结构之一，设计时要整体分析建筑整体受到的载荷，确保钢结构使用过程中不会因承载力不够而出现局部变形、塌陷等问题[2]。最后，实际设计工作中，要完善各种细节设计，确保不同结构之间应力平衡，否则可能会因一个部位设计不完善而造成综合稳定性不达标。

3 钢结构稳定性设计的原则

3.1 维持各个层面的稳定性

因为钢结构早期工艺设计流程复杂且操作难度高，具体设计时，要配合使用计算机软件进行质检，只有在其质量达标后方可用于建筑建设领域中。设计时，要综合结构阻尼比、水平荷载系数等指标的检测值，以及本地环境的最大风荷载、抗震系数等指标，确保结构有足够强的抗震能力。另外，还要重视对小构件以及连接构件的受力分析，从而确定科学的节点设计，确保各结构连接的稳定性与承载力符合工程要求。

3.2 合理调整剪力

新时期下，不对称式建筑设计逐渐成为建筑设计的潮流之一，这也是斜柱构造广泛用于建筑建设领域的主要原因。和垂直构件相比较，斜柱倾角较大，对建筑构件承受剪力的能力提出了较高的要求。钢结构的具体设计过程中，一些设计者为了使设计过程便捷化，常规做法是把垂直构件简化为柱子，将斜柱简化成斜杆，尽管以上设计方式不会给建筑的整体稳定性造成负面影响，但很难实现对剪力的精准调整。斜柱的主要作用是支撑水平方向的荷载以及部分竖向荷载，若忽视了竖向荷载，计算出的剪力值会有一定的误差，对建筑钢结构的稳定性形成负面影响[3]。为规避以上情况，设计者应坚持科学调整剪力的设计原则，结合施工方式灵活调整，进而使整个钢结构的稳定性得到保障。

3.3 完善强柱弱梁的设计

遵照强柱弱梁设计原则有助于强化钢结构的抗压性能，进而提升钢结构的承载力。为提高钢结构的稳定性，相关人员要确保建筑构造和测算所得结果统一，加强钢结构的抗震设计，使其符合相关设计规范的要求。

4 稳定性设计及验证

4.1 稳定性设计要点

4.1.1 科学选型

为确保建筑钢结构的稳定性，首先，在结构布置过程中，要严格遵循简易、规整、对称的原则，确保刚度中心与质量中心重合，这样能提高建筑的抗震性能，当建筑建设区域发生地震灾害时，建筑结构能较好地规避局部扭转效应，进而提升建筑物的安全性与稳定性。其次，不推荐布置角部重叠或“细腰形”钢结构，不宜采用外凹或内凸的纵向结构。最后，进行建筑钢结构的底部构造设计，T 形、L 形、U 形钢结构是常用结构类型，对其进行规范使用能削弱自然灾害对建筑钢结构造成的不良影响，进一步提升整个建筑的稳定性[4，5]。

4.1.2 辅助计算机及相关软件进行设计

当前，可以采用计算机辅助执行钢结构设计中的结构与构件的平面内强度及综合稳定性的计算工作，可以依照标高分解整个建筑结构，能显著提升设计工作效率，进而更加精准地计算出其强度与稳定性。

4.1.3 构件设计

构件设计为钢结构设计的基础内容，也是影响结构稳定性的重要因素之一。首先，要严格依照国家相关标准的要求选择适宜的构件材料，且材料要和钢结构的综合应力要求相符。其次，组装构件环节中，要确保结构始终维持平衡状态，进而使钢结构得到较强的力学传导和力学扩散性能。最后，确保钢材柔性结构的稳定性符合要求，将其应用过程中出现的形变量对结构造成的影响降到最低，进而使整个建筑的建设质量得到保障[6-9]。

4.1.4 受弯钢构件局部稳定性

要提高受弯钢构件局部稳定性，可以采用如下方法：

1）控制板件的宽厚比，使其能达到屈曲的极限承载能力要求，在整个构件失效之前不会发生屈曲；

2）在整个构件失效前允许板件屈曲，利用屈曲后的强度使构件的承载力满足要求；

3）给梁增设横向或纵向劲肋，借此方式提高梁体局部稳定性。

4.1.5 轴心受压及压弯构件局部稳定性

可以尝试采用如下2 种方式：

1）调控翼缘板自由外伸宽度和厚度的比值；

2）控制腹板计算高度和厚度的比值，如果面对的受压构件是圆管截面，则应严格控制外径和壁厚的比值。

4.1.6 加固设计

1）加固构件截面。在钢结构设计方案中，可以尝试把单个杆件受弯转变为数个杆件受弯，分散其承担的集中载荷，间接调整钢结构顶端的支撑力。支座和筒支的连接处应用钢结构，且要配合使用撑杆支撑结构，有针对性地调整钢结构内连续结构的位置，使预应力拉杆能更好地承受分布界面的内力。

2）加固处理连接位置。可以在精准分析钢结构的受力状态、建设要求与条件等方面的基础上，应用铆钉、焊接、螺栓等方式加固钢结构的连接位置，也可以尝试运用混合衔接形式，使高强度螺栓的功能与作用充分发挥出来[5]。当前，为提升钢结构的稳定性，可以结合建筑钢结构加固的原因、目的、受力状况、构造及现场施工条件等，有针对性地完善加固方案。比如，南京长江大桥的钢桁梁早些年间应用的联结工艺便是采用铆钉烧红对正铆孔，随后再配合使用风枪挤压铆固联结而成的，板层数目达到9 层，板束最厚达到了180 mm，铆钉数量高达1.5×106个，将长江大桥的数个钢桁梁联结在一起。

4.1.7 防火设计

既往有大量的工程实践表明，建筑钢结构的耐火性不高，若建筑物外部温度＞430 ℃，其负载能力会快速降低，对整个建筑的安全性造成负面影响。鉴于以上情况，应有针对性地完善钢结构的防火设计工作。推荐选用防火性能较强的建材，如防火涂层厚的材料，其阻燃性较高，这是提升钢结构防火性能的重要措施。建设施工时，要对材料进行阻燃和防锈处理，确保钢结构符合防火设计标准。