建筑钢结构设计中稳定性的设计方法研究

莫 磊

（山东绿城青和建筑设计有限公司，山东 青岛 266000）

在进行建筑结构设计的过程中，需要对钢结构方案进行合理的评判与对比，这对于提高建筑的质量有着重要的作用，钢结构的应用也为建筑结构设计带来了很多新的思路。应用钢结构进行施工，还能减少对于能源资源的消耗，是与绿色设计的理念相符的，对于建筑施工质量与效益的提升都有着积极的作用。下面就对建筑结构设计中钢结构设计方法进行分析。

1 建筑钢结构的设计原则

在进行钢结构设计的时候，为了保证其稳定性与建设质量，需要坚持一些原则。第一点，稳定性，在进行设计的时候，必须要充分考虑建筑结构本身的特征、施工的要求，还有设计的具体要点等，在图纸上必须要准确的标明钢结构的支撑位置。而在设计好结构稳定性核心以后，还要考虑它的稳定性以及立体搭建要点，这对于建筑质量的影响很大。第二点，统一性，在进行钢结构框架设计以前，应该先对预期的参数数值进行准确的计算，要灵活的采用科学、适当的计算方法来确定刚结构的稳定。第三点，配合性，建筑结构的钢结构是由很多的钢结构部件焊接或者螺丝等方式进行连接固定以后形成的，所以在进行结构稳定性设计的过程中，必须要考虑各方面的因素，将单一组件的功能体现出来，同时要保证统一性，能够保证结构设计的质量。

2 建筑钢结构设计归纳

2.1 钢结构含义说明

所谓的建筑钢结构，也就是利用钢材来做成建筑的主体结构，这种结构形式是非常常见的。钢的强度比较高，内部组织接近各项同性体，有着良好的刚度，而且有着很强的变形能力，适用于跨度比较大，或者是高耸型的建筑。相关研究显示，钢结构是比较符合工程力学的，它有着良好的韧性，即使变形，也可以承担很大的载荷。使用钢结构能够减少工期，有效提升工程建设的质量与效率，比较适应那些机械化程度高的生产活动，能够保证其精度，有着很大的应用空间。

2.2 建筑工程钢结构设计不稳定性分类

对钢结构进行设计的时候，对于失稳类型的识别是相当关键的，这是估算结构稳定承载力的重要依据。通常钢结构设计主要有三种类型的失稳。

（1）分支点失稳。也就是对分叉稳定性的平衡，比如说对于平板中面的优化、直杆轴心因为受力而出现的曲折等。（2）极值点失稳。这种情况并不是因为分叉出现稳定性问题造成的，比如说利用钢材料制作的偏心受压钢构件，因为塑性超过了某个极限结果失去了稳定性，这就属于是极值点失稳。（3）跃越屈曲失稳。这种失稳是和平衡分叉点以及极值点都是没有关系的，而是结构从一个稳定的平衡状态转换到另一个稳平衡状态出现的失稳。

以上就是三种传统的失稳类型，不过随着相关研究的不断深入，也有了新的分类方法。比如说进行轴心受压设计的时候，在施工期间可能会出现初弯，荷载效果点也可能产生一定的偏心。对于这种缺陷产生的原因，还有待进行更深入的分析研究。

2.3 建筑工程钢结构设计的特征

建筑工程钢筋设计的基本特征就是整体性，多样性以及相关性，下面就对这几种特征进行了详细地分析与讲解。

（1）整体性。钢结构作为一个整体，它是由很多的构件所组成的，一旦其中的一部分结构出现变形的话，钢结构整体都会受到影响，这种影响还会影响到周边的围护结构。所以设计是具有整体性的；（2）相关性。失稳有着不同的模式，且相互之间又会存在着耦合性，一旦某个部分出现变形的话，就会影响到其他部分，还会产生相互的作用，这也就是钢结构设计的相关性的体现；（3）多样性。对于建筑钢结构的设计，往往都会与钢结构的稳定性有关，尤其是那些钢结构受压的部位，更是要分析它的稳定性，这是很关键的。有些部分属于是非受压部位，一旦出现结构变形的话，就会变成受压形态，这样就会影响到整个结构的稳定性。

3 对于建筑项目钢结构存在缺陷的分析

3.1 钢材本身具有缺陷

如今市场上的钢材有着很多不同的种类，或多或少都会有一些缺陷，钢材的质量受到很多因素的影响，比如说冶炼、浇筑或者是轧制等，这些对于刚才质量都会产生很大的影响。

（1）钢材在化学成分上的缺陷。化学成分对于钢材来说有着很大的影响，比如低碳钢，它的主要化学成分有八种，分别是碳、锰、硅、硫、磷、氧、氮、氢，在这其中碳、锰、硅是有益的元素，对钢材性能有积极的影响；硫、磷、氧、氮、氢属于有害性元素，因此从这种角度来看，钢材在制作过程中的化学成分应该受到严格的控制。（2）钢材的耐热与耐腐蚀性能不好，生产制作过程不当会存在裂纹。

3.2 钢结构的缺陷研究

因为钢材都会有些缺陷，因此，在进行建筑钢结构设计的时候，就必须要进行必要的防范，这样导致增加成本。

（1）在耐热方面的缺陷，钢结构有着一定的耐热性，不过温度一旦超过150 ℃的话，就会导致钢材的强度大幅降低，往往就会产生形变，一般的应对措施就是为其设置隔热层。（2）钢结构是没有耐火性的，所以对于建筑钢结构设施必须要设置好防火保护措施，防止出现意外事故。

（3）钢结构有着很高的强度，可不代表钢结构制造的构件强度很高，如果钢结构采用冷弯薄壁的形式，这些构件的横截面积比较小，如果承受了较大荷载，就可能发生形变，无法保证其稳定性以及强度。

4 钢结构设计中稳定性的设计方法

4.1 稳定性设计要点

（1）结构选型。为了提高建筑钢结构的稳定性，在选择结构类型的时候，需要考虑下面几个原则，首先，在钢结构平面上要尽量做到对称、规整，并且比较简单，而且要尽可能使刚度和质量的中心重合到一起，这样在遇到地震时，可以防止结构出现扭转效应，保证结构的安全性。其次，尽量不要使用角部重叠或者是细腰型的钢结构，也不能使用内凹、外凸型的，设置的钢结构构件必须是上下贯通的，钢结构底部一般采用L型、T型以及U型几种结构，这样可以减轻自然灾害带来的影响，使结构更加的稳定。

（2）防腐设计。降雨、日照或者是大雾，对于钢结构也会产生影响，会导致其受到腐蚀，降低结构的稳定性。对于建筑钢结构来说，比较常见的情况就是电化学腐蚀。为了应对腐蚀情况，需要根据地区的实际环境条件为钢结构设置相应的抗腐蚀性表面涂料，确保其在高温、高湿环境下也可以有良好的耐腐蚀性。

（3）构件设计。对于钢结构来说，构件设计对其稳定性的影响是很大的。首先应用的型钢材料必须符合钢结构设计标准的要求，同时还能够满足建筑钢结构在节点连接上的需要。其次，在对构件进行安装的时候，要确保其整个结构都是平衡的，这样结构的力学传导以及扩散性才会比较好。最后，要合理的运用二阶法，使得柔性结构也能有足够的稳定性，就算有了一定的形变，对于结构的影响也可控制在可以接受的范围内，而不会对结构安全产生过大影响。

（4）加固设计。首先，需要加固构件的截面，在进行设计的时候，可以一个杆件受弯设计成多个受弯，分散集中载荷，这样就可以对钢结构顶部的支撑力进行调整。对于支座和筒支进行连接的位置使用钢结构，并通过撑杆来进行支撑，同时还要对钢结构的连续结构位置进行一定的调整，确保预应力拉杆可以为结构提供界面内力。其次，要加固节点部位。需要对钢结构的受力情况，施工的条件以及要求等进行分析，通过焊接铆钉或者是螺栓的方式来加固衔接位置，有必要的话也可以进行混合连接，将高强螺栓的优势体现出来。就比如说珠港澳大桥，它的钢结构E39与E30就是通过楔形结构连接起来的，大桥的底板、顶板以及界面的宽度与高度依次是9.6 m、12 m、37.95 m和11.4 m，使用的结构是对称型的，为倒直角体形，钢结构的形式是“三明治”形，这是一种新型的，能够保证建筑钢结构稳定性的设计思路。

（5）防火设计。建筑钢结构缺少耐火性，一旦环境温度超过540 ℃，钢结构负载能力就会快速的降低，结构也会失去平衡稳定性。所以对于钢结构防火设计，首先就是要使用具有良好防火性能的涂料，有比较高的粘性，要有很厚的涂层，使其具有良好的阻燃性，也就能够赋予钢结构更强的防火性能。其次，在施工的过程中，可以采用防火板来保护钢结构，对钢结构进行包敷保护，提高钢结构的防火性能。

4.2 稳定性计算方法

（1）分析阻尼数值。要想钢结构有良好的稳定性，就需要对阻尼数值进行分析，阻尼比的波动一直都比较稳定的话，钢结构才会有比较好的稳定性。

（2）判定长细比。在进行钢结构设计的时候，结构的稳定性会随着长细比判定数值的增加而降低。所以在进行设计时，必须要根据设计规范要求，对相关的因素进行全面的考虑，要做好对于长细比的分析工作。对于长细比的分析，比较常用的方法就是计算和几何方法，必须要对长细比进行合理的控制，不能超出承载力范围，这样获得的参数才会比较准确，才可以用来进行钢结构设计，保证它的稳定性 。

（3）静力设计法。这种方法是根据钢结构稳定性的最大承载力来计算它的弹性系数。当应用这种设计方法的时候，首先基本的要求就是力学模型要与结构相符，这样才可以确定使用哪种微分方程。其次，如果钢结构材料的应变和应力是和胡克定律的线性关系相符的话，就可以采用静力计算法。还有一点就是，需要静力计算模型可以将结构的弹性受力准确地反映出来。最后，要进行合理的施工操作，确保施工精度。

（4）动力设计法。根据钢结构的动态稳定性展开的设计和分析。如果采用这种设计方法的话，首先需要钢结构应力，可以将震动加速和结构变形准确地反映出来，能够体现出钢结构的轻微震动。其次，采用这种设计方法，可以对加速度和结构型面方向之间的关系进行平衡，假如静态荷载数值出现变化，结构也会处于静力稳定状态。第三点就在于如果钢结构的形变方向和加速度是一致的话，就代表着这个结构能够承载最大的负载，通过应用动力设计法，就可以消除干扰，钢结构就会变得相对稳定。最后还可以按照结构的载荷判断静态和动态之间的界限，同时将临界载荷归类为不稳定的负荷，然后可以假设振荡频率是零来分析钢结构的稳定性。

（5）塑性设计法。塑形设计法指的是，标准塑性载荷与安全系数的乘积要大于钢结构的构件强度。首先，在钢结构内部强度的构造分析中，会运用一阶塑性分析或刚性分析。其次，在重新分配结构内力时，可运用塑性设计法，使材料结构能够符合结构可塑性的分析要求。最后，在对法兰尺寸及限制横截面进行设计时，可运用塑形设计法来反映钢结构材料的范围，并准确凸显其稳定性结构的特点，提升结构安全度。

4.3 稳定性设计中需要注意的问题

在对建筑进行钢结构设计的时候，一般将钢结构区分为高层建筑和多层建筑。比如说别墅就属于是多层建筑，而写字楼往往是高层建筑。而对于高层建筑和多层建筑，分别有着相应的标准和规定。区分高层建筑和多层建筑大致可按40 m（层数12层）分界。在布置钢结构的时候，不能只是考虑奇特的建筑造型，这样就很难保证建筑的抗震能力。所以在布置钢结构平面的时候，平面宜对称布置，且规则，这样在遇到地震的时候能够保持其足够的稳定性，而不会受到太过严重的破坏。如今，各个领域都在应用各种各样的计算机软件技术，建筑行业对于钢结构的设计，同样也需要应用计算机分析软件进行辅助。利用计算机软件可以更好地计算钢结构的平面构件的强度以及它的稳定性，准确性更高，也更有效率，有助于提高设计质量。

5 结语

钢结构的优点在于其良好的结构强度，自身的重量也较轻，但对稳定性的设计要求较高，对于稳定性设计，通过对长细比的判断，还有对阻尼系数的分析，综合的应用各种不同的设计方法来进行设计，将钢结构的优势充分发挥出来，可有利于实现建筑工业技术的集成化和产业化。可以有效降低碳排放，环保性能更好。另外，钢结构还有钢材容易拆除，可回收的优点，提高了材料的重复利用率。