试论建筑钢结构设计中稳定性措施

曹谨谦 云南省曲靖市建筑工程勘察设计审查管理站

1 前言

稳定性是钢结构设计是核心环节，是设计的基础，只有稳定的建筑，才能给人们带来实用价值。因此在设计钢结构时，要对设计进行反复验算，确保整个结构的稳定性。为探讨钢结构的稳定性，为施工提供借鉴，本文探讨如何采取措施，保证设计的结构稳定性。

2 钢结构的含义、优缺点

钢结构是以钢材为主要施工原料，通过不同的钢构件，如钢梁、钢板和钢柱，通过焊接、铆接等连接方式进行拼接和组装，从而达到使用价值建筑。与普通混凝土和其他建筑材料不同，钢材具有韧性强、重量轻等特点，并且能承受的更大压力，因此钢结构通常被用于大中型建筑中。钢结构具有不易变形、稳定的特点，可为建筑物提供良好的安全性和稳定性[1]。然而，在一些特殊情况下也可能发生钢结构失稳现象，如压力过大直接作用于应力平衡点，导致结构整体应力不均匀而造成不稳定；或因为长期使用钢结构构件，内部结构出现金属疲劳，失去支撑作用从而导致整体结构的不稳定[2]。在设计钢结构之前，有必要明了结构的稳定性特征，才能在设计过程中有针对性进行设计，避免结构缺陷，充分发挥钢结构的优势，使钢结构在建筑中发挥更好的作用。

3 钢结构稳定性的含义和概念

钢结构的稳定性是指在建筑结构中钢材受到外界影响后，能够恢复到初始平衡状态的一种性能。导致钢结构不稳定的主要原因:结构系统中存在大量的支撑系统，如钢柱支撑系统、钢屋顶桁架、下弦水平支撑等，构件的长度和横截面的数量、材料的强度和应力变化等，都可以导致钢结构失稳。因此在设计强度时，我们应该充分利用数学模型，基于现有的样本，假设所有现有的合理条件，总结可能出现的误差，分析造成不稳定性的主要原因。

4 钢结构不稳定性概述

钢结构不稳定性包括整体不稳定性和局部不稳定性。整体不稳定性是考虑整个组件或框架的稳定性问题，它是通过定义长、细比来确定稳定系数，并代入计算公式进行检验；而局部不稳定性是部件内部不稳定性的控制问题，确保局部稳定性主要由部件截面的尺寸控制，如腹板高度、厚度、强度和构件宽、厚比。

整体不稳定多是由局部不稳定引起的。当受压部分或弯曲部分的极限比超过允许值时，稳定性将会丧失，它受载荷变化、支撑条件不同、钢材的初始缺陷等诸多客观因素的影响。支撑经常容易被设计者或构造者忽略，这也是整体不稳定的原因之一。由于吊装过程中吊点的位置不同，桁架或网格构件的应力可能会发生变化，导致不稳定。像工程使用中脚手架的倾覆，坍塌或变形主要是由于连杆不足和没有支撑造成的。许多可能发生负载变化的重要结构，如桥梁、桁架、液压闸门等，由于它们具有冗余杆件，可以防止出现由于一根杆件不稳定性而引起整体出现不稳定性的情况。

随着审美观念的变化，现阶段建筑物的外观呈现出个性化、差异化、轮廓化的特点，复杂的建筑设计层出不穷，日新月异。非对称结构就是最常见的轮廓结构之一，这些建筑物完成后，更容易发生倾斜或不稳定现象。许多因素都会影响钢结构的倾斜，而非对称结构的倾斜主要是由于不适当的追求外观，剪切简化初始设计所致。与对称结构样式的建筑物相比，非对称结构对墙壁的抗剪强度要求更高。在检查钢结构的稳定性时，由于理论计算水平的限制通常会对该结构进行一些简化，方便使用现有的计算理论进行分析和计算。在钢结构中通常简单的结构力学简化计算将对结构强度产生重大影响，或者是由钢本身的性质决定。因此在简化非对称结构的剪力时，必须考虑更多的影响因素，不能生搬硬套，简单复制混凝土结构的计算方法。根据国家相关法律（法规）要求，设计行业对专业人员的水平，能力和资格提出了更高的要求，但是一些设计单位的设计师能力仍然存在一些不足，制约了设计。同时很多设计人员来自高校，没有实际现场经验，导致理论和实际出现差距，容易引起结构失稳。

5 钢结构建筑稳定性设计原则

钢结构设计中稳定性设计基于三角形的稳定性原理，通过不断深入的探索，研究人员发现结构的稳定性受材料、压力等因素影响，钢结构设计的计算方法应与稳定性计算方法相同。数据计算应简化，易操作，减少数据计算过程的偏差。此外在稳定性设计中，必须注意节约成本、节省制造时间和便于实际安装。同时由于建筑应具有美感，设计时在保证稳定性是还要符合美学需求。

6 如何保证钢结构设计的稳定性

钢结构的显著优点是其突出的性能，这决定了其早期的工艺设计等复杂程度，设计师需要具有非常专业的数据统计能力，同时还需要对各项技术指标进行严格的检验和测试，只有在各方面都完全符合标准后，才能投入批量生产和使用。设计师还必须根据实际环境设计荷载系数，避免建筑物因不稳定性而发生倒塌。

6.1 设计必须从整体布局出发

为确保平面结构不会出现平面外不稳定，必须从整体结构出发，考虑结构支撑点和受力支点，保证结构安装和计算的一致性，可以增加支撑杆，例如框架和桁架等。

6.2 计算方法在模型和实际工程上保持一致

在设计框架结构时我们通常不做框架的稳定性分析，而是做框架柱的稳定性计算，计算出用于框架柱稳定性的柱长系数，柱稳定系数和框架的稳定性系数计算应相等。

6.3 结构设计应与构件的稳定性计算相一致

确保钢结构的详细结构设计符合构件的稳定性计算是设计中必须高度重视的问题。对有传递弯矩需求和非传递弯矩的接头连接，应保证足够的韧性和刚度，并尽可能减少构件接头的偏移。当结构中有不同的强度要求或特殊考虑涉及稳定性时，要采用不同的方法处理，例如，对于简单支撑梁来说，防止位移就是不动铰主要作用。

7 影响钢结构设计的因素

钢结构整体刚度和钢结构不稳定性关系非常密切，钢结构的刚度是由整体结构的好坏来决定。钢结构的整体是由部分组成的，因此钢结构的部分直接关系到整体的稳定性，只有在设计时把部分设计好，才能设计出稳定的钢结构。

8 增强钢结构稳定性措施

在进行钢结构设计时，设计师应着眼全局，把握细节，在对结构进行全面了解后才能进行，在设计时，必须保证设计与原图一致，经验证后方可施工。

8.1 钢结构计算

在进行钢结构计算时，应注意调整钢结构支撑载荷的应力点和分布，以增加钢结构中钢筋的支撑力。建筑钢结构承重的应力以及各种节点不容忽视，同时，应该找到在压力下钢结构受力的最佳形状和方法，并结合建筑物的实际，在有限成本范围内对钢结构进行加固。例如，调整构件长度、厚度，受力点位置，或增加杆件等。

8.2 增加构件

钢材构件是钢结构的基础，构件质量不达标，在施工过程中会发生弯曲、变形、损坏等情况，不能承受建筑各个方面产生的荷载，从而使结构的稳定性遭到破坏，甚至引发安全事故。因此在控制成本的同时必对整个支撑点进行加固，同时分散构件所受压力，使钢结构保持整体稳定。

8.3 连接处加固

在设计时，设计师往往在着眼于整体时忽略了细节处。整体结构是由单个结构组合而成，因此连接处的处理非常重要。在建筑钢结构的传统设计中，设计师经常使用刚性耦合或铰链方法来连接主柱和梁，从而达到简化施工的效果。由此可见，加固钢结构的连接处具有十分重要的意义。在对稳定性进行设计时，应事先调查和检查钢筋连接方法、连接的受压情况、施工条件、工程成本、可行方法等，从而改进设计方案。在进行加固时根据实际情况确定加固方法，必要时可以混合多种方法，以确保钢结构各连接的稳定性。

8.4 防腐处理

在钢结构的稳定性设计中，必须考虑到问题是在长期使用过程中由各种内外原因引起的腐蚀现象。总的来说，钢的腐蚀现象可能是由于最初使用的钢本身防腐能力较弱，长时间暴露在空气中，与空气中的各种物质产生反应，导致腐蚀物质被吸附在表面，造成不可估量的腐蚀后果，或者钢结构的设计出现疏漏。因此在选择钢时，必须对钢材的防腐能力做出硬性要求，在深入调查后选择使用，不要为了降低成本而选择不符合标准的钢材。同时，可以选择合适的钢材维护方法对钢材进行养护。目前，常见的方法是在钢表面涂上高耐腐蚀性的涂层，以减少钢材与空气的中水分、硫等的接触，延长使用时间。在制定防腐方案时，必须根据当地情况进行，因地制宜，调整措施，从而确保起到防腐效果。

8.5 确保局部稳定和整体稳定性

钢结构整体是由局部构成的，只有确保了每个局部的稳定，才能从根本上保证整体的稳定性。在设计时必须先对当地的气候、温度等进行调查，综合各方情况，因地制宜来进行设计，才能保证最终钢结构的稳定性。设计钢结构的人员必须是熟悉钢结构工程设计特点的人，只有这样才能保证工程设计的质量。在进行设计时，应先对钢材进行分析，了解各种钢材的受力特点，确认钢材是否满足设计需要。在施工中如发现问题，应请设计人员对设计方案进行优化，如发现受弯不足或支撑不足时，必须由设计单位进行优化处理，禁止施工方自己加固。

9 结束语

综上所述，在钢结构广泛应用的今天，我们在设计时要着眼全局，重视细节，充分考虑可能出现的各种因素，反复验证，才能保证设计的稳定性。同时在设计时还要保证图纸和设计的计算方法保持一致，才能从根本上保证结构的安全性[3]。设计单位要加强设计师的设计认知和现场实际考察的行为，详细了解和分析项目的实际情况，理论联系实际，做到从实际出发，因地制宜，注意部件间的连接和钢材的防腐处理，才能从根本上保证和提高结构稳定性和安全性。