建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点

王 丽

山西恒达钢结构工程有限公司 山西 太原 030000

从目前的发展状况来判断，目前的建设正处在一个良性的发展时期，随着建设的规模和数量的增长，需要更多的稳定的结构的设计。由于其施工简便，工期短，抗震性能好，回收率高，因而越来越多地被采用。然而，在钢结构的设计中，一些设计者未能全面地顾及到现场的实际，未能对其进行合理的控制，从而保证其整体的稳定和其自身的作用。为此，应对钢结构的特点和设计原理进行合理的界定，并采用合理、合理的方法来提高其整体的安全、稳定性能。

1 建筑钢结构设计稳定性介绍

在大部分的建设项目中，钢结构的形状和材质都是多种多样的，因此，为了保证钢结构的稳定，必须要从结构的设计上对其进行高品质的设计，并对其在使用中的应力进行全面的研究，然后再对其进行全面的分析，最终达到安全的目的。

目前，钢结构已成为许多建筑工程中最常用的结构形式，工人们在进行钢结构的设计时，既要考虑到实际的荷载，又要考虑到不同的构件，如何合理地选用不同的构件，以最大限度地减小构件的承载力和产生的可能，从而保证整体的安全。在进行钢架结构的设计时，要特别注重细节，确保各构件的受力均衡，从而达到整体的整体稳定[1]。

2 钢结构设计稳定性原则分析

2.1 确定结构安全的设计准则

目前，随着设计信息化技术的飞速发展，采用计算机技术来监测钢构件的设计稳定和应力的分配，在设计过程中需要从多个角度来综合考虑钢构件的受力性能。要考虑建筑施工环境、施工过程中的荷载因子和水平稳定要求等因素，进行全面的分析，在实际应用过程中，要对房屋的耐久性进行全面的检验，以保证其在实际应用过程中的耐久性，特别是某些较小的构件往往是受力最大的，所以要对其进行合理的设计和提高，以保证整体的使用效率。

2.2 钢结构的剪力协同优化

随着建筑结构日趋复杂，建筑结构中出现了不均匀性，并逐步成为一种趋势，斜柱体的应用也日益频繁，与竖向结构相比，斜柱比竖向结构的斜拉柱有一个相对的倾角，为确保结构的稳定性，需要进行合理的剪力。在设计钢结构的特定内容时，往往出于简化的考虑，将竖向构件表示成柱，而对斜立柱表示为斜撑，这样的设计方法不会对房屋的实际稳定产生任何的影响，但如果进行调节，很可能会被扰乱。于斜柱来说，虽然可以承受横向的压力，但在竖直方向上也要承受一定的压力，如果设计者忽视了竖向的载荷，就会产生剪切误差，从而对钢结构的稳定产生不利的作用[2]。因此，在设计阶段，根据工程的实际情况，如果有必要进行剪应力设计，就应遵循剪切调节的原理，根据不同的施工条件，灵活地调节剪切力，从而保证钢结构的稳定。在实际工程中，剪力是比较复杂的，因此，在进行剪力计算时，必须全面地考虑剪力的影响，并做好相应的应力调节。

2.3 强桩弱梁的构造原理

如果钢制结构的设计是实用的，那么如果它的横向荷载太大，或要求很大的荷载，那么它就会发生在梁体上，如果它的设计品质不高，它就会发生在立柱上。根据强杆-弱梁法的原理，可以有效地加强钢架的承载力，从而使其在强度作用下迅速回复到原来的水平。当前，在钢结构的稳定问题上，必须对其进行分析和计算，以确保其在梁上的表现。在进行结构计算时，必须考虑到结构与实际结构的协调，尤其要重视钢构件的地震作用，使其与施工的结构符合[3]。

3 建筑工程中钢结构稳定性设计要点

3.1 负载结构设计

在钢结构的设计中，应注意对称和上下穿透性，尽量减小扭转等问题，增强钢梁的连续性和稳定性。在钢结构的设计中，一般采用 L、 T两种形式，对周边构件进行加强，从而提高其抗弯承载力，确保钢材的质量和使用。此外，在结构设计时，应从结构刚度、中心设计和结构设计等多个角度出发，对结构形式进行优化设计，以保证结构的稳定。在抗弯矩的设计中，应全面考虑横向承载力，对其进行深层次的研究，以确保其稳定。比如，在剪切梁的弯曲强度设计中，不动铰链支架不仅要在水平方向上进行有效的运动，而且要防止结构发生偏移，还要保证结构在水平方向上的旋转和横梁的弯曲，从而提高简支梁的整体稳定，从而实现设计的目的。

3.2 防火设计

钢铁建筑的防火性能主要靠选择合适的耐火材料和涂层来达到。在进行钢架建筑的消防安全设计时，应先依据建筑的防火级别和不同的火灾类别，对其进行合理的规划，并对所需要的材质和涂层进行分类，然后再按有关规定进行选择。通常选用厚度较厚、粘结强度大于0.05 MPa的材质作为主要的耐火涂层，而钢制建筑外层阻燃的主要是硬阻燃板。在选用的时候，要根据耐火指标的需要进行适当的挑选和喷涂，以达到最好的耐火效果，以防止出现问题。在选择的钢铁时，应注意防火检验，减少对建材的破坏，确保施工的安全。另外，天花板的装饰也是一个值得注意的问题。在钢结构的耐火设计中，可以根据不同的方案进行比较，得出最终的方案，从而达到最佳的防火效果[4]。

3.3 防腐设计

钢建筑的腐蚀方式有两种，一是化学侵蚀，二是电化学侵蚀，二者都会对钢材的耐用性和强度造成一定的损害，所以在钢结构的设计中必须考虑其防腐的合理性。利用防腐涂料可以有效地抑制钢构件的锈蚀。从建设和经济角度来看，在进行防腐蚀的时候，必须对其进行维修和维修的状况进行全面的研究，从而合理地决定使用的是半永久还是永久的油漆。在进行钢铁防腐蚀工程之前，要做好市场调研，根据不同区域的天气情况，合理的进行防腐蚀措施，以确保工程质量的全面提高。

3.4 稳定性设计

在钢结构的稳定分析中，一般采用了临界压解法和折减率方法来确定其失稳和总刚性。而且，在实际工程中，必须对其进行严格的检验，以保证其符合设计的稳定性能。在计算关键点时， F为 Fn时，其弯矩特性接近于零，因此必须对其进行相应的稳定性分析。在弹性稳定性的计算中，可以采用二次解析法来进行挠度的分析与把握，并利用叠加原则精确地求出其稳定度，以增强结构的稳定性[5]。

由于建筑物的梁、柱构件的塑性区域以柱身为主，尤其是下部的柱身最为突出，因此可以通过增大柱身的截面来探讨其对整个体系的稳定作用。构造模型M1 （剖面大小350X300X10X10mm）、M2 （剖面大小350X250X10X10mm）、M3 （横断面大小400X400X10X10mm），并根据M1的剖面进行了相应的调节。从载荷-变形关系曲线的坡度可以看出，增大梁的横断面大小可以改善 X、 Y向的横向移动，同时也能降低同样的载荷水平下的侧倾。M2在最大载荷下 X向最大变形量为91.6 mm, Y向最大变形量为527.7 mm，相对于M1-Y向的位移量减少， X向的位移量没有明显的改变。由于M2梁的横断面稍大于M1，所以其抗侧倾增加的范围很小，因此，其侧倾降低不显著，但其极限承载值有一定的增加；M3在极限加载下，最大 X向最大变形量为96.9 mm, Y向最大位移622.1mm，较M4增加8%，约158%，而最大值则增加33%。结果表明，增大梁的横断面大小可以显著地改善其极限承载力，并且在最大载荷下其延性更好。

4 建筑工程中钢结构稳定性设计的有效方法

4.1 动力法

在平衡条件下，若受外部扰动的影响，对钢架系统的影响不大，对其产生的影响也很大。动态方法就是运用动态理论来研究钢框架的稳定问题，在一个很小的作用下，钢架会产生一些变形，但这种变形的范围很小，而且变化很慢，所以可以根据这一特点来决定其稳定的极限载荷。

4.2 能量法

能量法即铁木辛柯法,当外部载荷大于某一特定的数值，且总势能达到最大时，该钢架的初始位置是不稳定的；当外加载荷大于某一特定的数值，且该条件下该钢架的整体势能不发生变化，当该应力作用在某一数值上的时候，该载荷即为该极限载荷。利用位能驻点理论对其进行临界载荷的解析，得到了该系统的动力平衡方程，并得到了该系统的分叉失稳载荷。

5 建筑钢结构的优势与不足

5.1 钢结构的材料优势

钢结构是一种用热轧钢板、钢板或冲压而成的薄钢板，与水泥等建材比较，钢的许多优势在于：首先，钢的塑性好，强度高，韧性好，适用于高加载及高跨距的结构及构件，而高的延展性、高适应性和高韧度使得钢材在承受动载荷时不易由于过载而发生故障，同时钢材还具备较强的吸能性能和较高的伸缩性，从而赋予钢材极佳的耐震性能。

5.2 钢结构在建筑上的应用优势

在工程上，钢筋所具备的独特特性是砖混结构和水泥结构所没有的。第一，钢材具有优良的强度和较好的韧性，因而具有优良的内部构造，因而具有优良的抗震能力，由于其整体的体积较小，因而具有较低的抗震能力，其较佳的延展能力能够减轻地震影响；第二，钢筋也能节约建筑面积，在混凝土浇筑时，管子是穿过横梁的，因此，其占地面积较大，因此，楼层至顶棚之间的净距大大缩短；若在梁腹开放的管内，采用钢管行走于同一楼层，其层间效果的净值也会增加。另外，相对于常规的建筑，建造大面积的房屋，仅需使用高强度钢材即可，因此，钢铁建筑非常适用于构造较大、跨度较大的房屋。

5.3 钢结构失稳因素

钢构件的不稳定是由三个原因引起的：第一，是分支座的不稳定。当负荷增大时，破坏了钢架的原有平衡，使其处于动态平衡的临界点。产生该问题的原因是：由于分支点的结构不够好，提高了直连杆的轴向和提高了平面的承压能力，导致了局部的不稳定。二是极值不稳定；由于偏压构件是用钢制成的，因此，在某一程度上，极点会发生不稳定。工程施工中常常出现偏压问题，尤其是在采用异型承重或不均匀的结构时，由于附加构件的重量过大，往往会导致工程的实际状况与设计的内容发生矛盾，从而导致工程不稳定。三是跳跃时不稳定。它是由失去平衡而进入到另外一种稳定状态，由分支处和极限点引起，从而引起整个结构的不稳，危及工程的安全。在设计时应注意防止跳越不稳定，并根据实际工程特点进行加固，以保证其稳定符合规范规定。

6 华源国际中心项目概况

比如华源国际广场，位于思明区03-07区域东侧A5，整体地形较为平坦，周围的公路已经完成。该项目占地51589.0m，地面35689.0m2。该项目是由框架-中央（偏）支承系统组成的。建筑的高166.670m，其建筑的最高允许高度没有超出设计要求。地下四个楼层，主体结构为自然地基，总深度约16m。

其设计参数为按照7°（0.15 g）的地震强度，采取综合的地震对策和结构地震。由于该项目采用了4个全屋式的地下室，因此，一楼与一楼的设计应以不超过2的比例进行设计，因此，在建筑物的上部结构系统中，应采用下垫板作为必需的嵌固件。按照现行规范的要求，厦门50年内的平均风速为0.80 kN/m2，必须按照 A等级的要求来确定地表的不平程度，而统一的建筑体型结构必须采用1.4的系数值。从本项目的实际情况来考虑，以50年一遇的风压为基础，以其1.1的设计荷载为标准。

根据 JGJ 99-2015 《高层民用建筑钢结构技术规程》6.3.3条的要求，利用 MIDAS/GEN 2015对罕遇地震下的弹塑性问题进行了研究，采用了集中铰模型构件。从罕遇地震的观点来看，在讨论建筑物的弹性时程时，应充分顾及在不同的震源序列中的相应二向性成分，以及由抗侧作用力的顺序将其按横向（x, y）的顺序进行。按照1:0.85的规定，可对水平主、次向的加速峰值进行调整。结果表明，在 r方向和 y方向上，层间极限位移角x均为1/65, y-1/69均可满足1/50的楼层容许需求。在稀震条件下， X、 Y响结构系统中的大部分部件都处于弹性态，一些部件处于I0状态，而另一些部件（以支承系统的梁末端）则处于 LS状态，满足抗震的需要。因此，在罕见的地震作用下，整体的结构系统能够满足设计的需要。在实际的施工项目中，往往忽视了结构的稳定对整体施工的影响。应结合具体情况进行深入人的理论研究，以改善钢架的实际稳定。华源国际大厦就是一个非常好的例子，在此基础上，运用最合理的计算和研究方法，充分发挥钢构件的综合性能。

7 结语

简而言之，由于我国的快速发展，对建筑的要求不断提高，建筑的设计和建造技术也日趋成熟，采用钢构件可以提高房屋的稳定性能，提高房屋在地震和其他自然灾害中的安全性能，是目前我国建筑中使用最多的一种结构。钢架的稳定与人类的利益息息相关，所以设计师必须要有一种严谨的心态，掌握好设计的关键，然后再对钢结构进行改进，把所有的工作都做到最好，这样才能保证整个项目的稳定，为建筑业的可持续发展做出贡献。