建筑钢结构设计中稳定性措施的探讨

2023-01-12张荣杰

建筑与装饰 2022年1期

张荣杰

身份证号码：4453231987****0918 广东云浮 527300

引言

建筑行业的快速发展促使建筑中使用的技术不断在创新和改变，在建筑设计方案中进行钢结构设计，主要是因为钢结构稳定性和经济性良好，不仅能够提升建筑物整体的质量，同时能够确保建筑物具有良好的防震性能，因此，建筑结构行业对钢结构设计中的稳定性非常重视，设计人员在设计钢结构稳定性的过程中，需要科学采取措施提升钢结构的稳定性和安全性。

1 建筑钢结构设计中存在的问题

1.1 没有合理的设计方案

随着时代的发展和建筑规模的扩大，建筑工程设计使用的施工材料和施工技术也不断在更新和优化，在实际建筑工程设计方案中，针对钢结构的设计方案还不完善，部分设计人员在设计钢结构的过程中主要是发挥钢结构的优势。例如，钢结构能够通过H形钢柱或者H形钢屋梁的形式进行应用，确保建筑整体的稳定性，然而在设计钢结构的稳定性过程中忽视了钢结构的不足。例如，钢结构使用的钢材没有较好的耐火性和耐腐蚀性，所以在实际设计钢结构应用的过程中，还需要做好严格的防护工作，从而确保钢结构具有较强的稳定性和实用性。

1.2 设计中对钢结构的安全性缺乏考虑

在建筑工程设计中，设计人员理念的转变也促使钢结构的体系发生变化，我国虽然制定了《钢标》《门规》等规范要求的范文，但是在实际设计中，部分设计人员并未充分根据国家规范要求进行钢结构设计，这样就导致在实际钢结构施工中很容易出现安全性的细节问题，加上部分设计人员对专业技术没有熟练掌握，设计中没有正确计算钢结构的稳定性相关的参数、限值、受力、变形等参数数据，导致实际的钢结构设计和施工中存在安全隐患。

1.3 设计中未充分考虑随机因素

在钢结构稳定性设计的过程中，部分设计人员并没有将随机因素的影响进行考虑，最终导致钢结构稳定性存在一些问题。所谓的随机因素主要包括：首先是物理和几何层面的不确定性，因为材料、截面积、初始缺陷等物理因素存在不确定性；其次是在统计上存在不确定性，在物理和几何测量的过程中主要是根据有限的样本进行概率密度和分布函数统计，因为信息的缺失，很容易导致统计方面存在不确定性；最后是模型方面存在不确定性，在钢结构设计中主要是提供假设，建立力学模型，根据计算结果对钢结构稳定性进行设计，然而理论和实际的结构承载力是存在一定的差异，因此模型的不确定性也会影响到最终钢结构的稳定性设计。设计人员在实际钢结构稳定性设计中未考虑随机因素也会影响到最终的设计[1]。

2 建筑钢结构稳定性受到影响的因素

在建筑工程中，钢结构会因为各种因素的影响导致自身没有较好的稳定性，最终导致建筑物存在安全隐患，无法保障建筑物整体的安全。影响建筑结构稳定性的因素主要有以下几点。

2.1 钢结构自身因素

针对钢结构，首先影响钢结构稳定性的因素在于其自身，钢结构自身的框架或者是排架是否刚度达到要求，以及钢结构在水平方向支撑时的负荷强度是否可控，会影响到钢结构的横向稳定性。钢结构构成的屋架需要有支撑外部的负荷，地震、吊车、风力等都会影响到钢结构，若是钢结构形成的钢柱和屋架负荷强度低，将会对整体的稳定性造成影响，为后续施工以及居住造成安全隐患。其次，钢材的初始缺陷包含结构整体的初始几何缺陷和构件的初始几何缺陷、残余应力及初偏心。结构的初始几何缺陷包括节点位置的安装偏差、杆件的初弯曲、杆件对节点的偏心等。一般来说，结构的整体初始几何缺陷的最大值可根据施工验收规范所规定的最大允许安装偏差取值，按最低阶屈曲模态分布，但由于不同的结构形式对缺陷的敏感程度不同，所以，各规范可根据各自结构体系的特点规定其整体缺陷值。

2.2 钢结构构件因素

钢结构稳定性也与构件杆件高厚和长细比例有关，若是构件杆件高厚和长细比例不符合标准要求，即使建筑物不受较大的负荷，也很容易导致钢结构出现变形、弯曲现象，降低钢结构的稳定性。建筑中钢结构发生失稳现象一般有分支点失稳，极值点失稳，跳跃式失稳，设计人员在使用直接计算分析方式进行构件的长细比值计算和分析，得出的数值与计算长度限值的规定有所不同，最终的长细比限值存在一定的误差，很容易造成最终施工使用的钢构件结构存在一定的偏差，无法达到施工要求，在施工中有可能会造成一定的安全风险。

2.3 钢结构设计人员因素

随着计算机技术在不同行业的广泛应用，在钢结构稳定性设计中，设计人员也会借助计算机等设备进行整体结构稳定性和平面内的强度计算，设计人员会对钢结构的构件和结构平面外的强度和稳定性计算，通过对相关数据的分析、计算和设计，按照标高分解整个钢结构，对不同水平荷载下的多个结构体系进行简化计算，设计人员自身的专业技能和计算能力将会影响到最终的钢结构稳定性设计，若是设计人员在计算和稳定性分析中出现误差，很容易导致整个钢结构的稳定性设计存在巨大的偏差，最终影响到钢结构的设计和后期施工[2]。

3 建筑钢结构稳定性设计的有效措施

在设计建筑钢结构的过程中，设计人员需要按照钢结构设计的规范严格进行稳定性设计，同时还需要将建筑工程的实际操作标准进行结合，从而合理进行钢结构稳定性设计。为了能够顺利开展建筑工程的施工作业，在设计建筑钢结构稳定性的过程中应该采取的措施有：

3.1 对钢结构的布置和形式进行合理确定

在钢结构的稳定性设计中，设计人员需要从总体结构进行布局，以整体系统和局部的钢结构稳定性要求，充分考虑平面结构的设计系统，例如框架的设计，在设计平面钢结构设计的过程中，根据相关系数计算，设计出稳定的平面钢结构，若是设计的平面结构存在不稳定的现象，则需要从结构的总体进行分析和布局，合理设计支撑构件，促使整个结构整体上具有稳定性。总之，在钢结构稳定性设计的过程中，设计人员需要根据钢结构的整体系统和局部框架进行合理布局和构件设计，从而确保设计的钢结构具有稳定性。

3.2 合理分析钢结构的受力情况

钢结构的关键指标之一就是其受力水平，在设计过程中，设计人员需要对钢结构的承重负载能力进行考虑和分析，一般设计成L或者是T形的钢结构具有较强的稳定性，对建筑整体的重量进行分散，平衡进行建筑支撑。另外，在设计中还需要对建筑钢结构的动力和静力进行分析，前者主要是分析垂直方向的受力，在设计中需要确保通过外力施加促使钢结构垂直方向进行振动，观察钢结构的变形情况以及振动的具体速度，之后计算出钢结构垂直方向的受力临界值；后者主要是在钢结构设计中，通过施加外力观察钢结构细微的形变情况，在分析受力的基础上进行平衡微分方程构建，从而计算出钢结构水平方向的受力临界值。通过分析受力，可以有针对性地对设计方案进行改进和调整，从而提高钢结构整体的稳定性。考虑到钢结构不同的部位具有不同的受力情况和稳定性要求，所以在设计中需要具体分析受力。例如，钢梁架在纵向和水平方向都需要分析和计算受力情况，将不同部位的受力特点进行分析，从而确保钢梁架具有较强的稳定性。

3.3 科学分析钢构件的变形问题

在构建钢结构的过程中需要对钢结构的荷载进行分析，钢结构在荷载方面具有偶然、可变、永久荷载等类型，这些荷载类型需要根据不同的标准值进行分析和参考，同时在不同因素的影响下，很容易导致钢构件出现变形问题，所以在设计钢结构的过程中，设计人员还需要对钢结构的合理性和实用性特点进行考虑，在规定荷载能力范围内，确保建筑更加稳固，并具有美观性。

3.4 结合钢结构的计算方法进行设计

在钢结构的设计过程中，设计人员需要结合建筑整体的图纸和结构计算简图，采用使用的计算方法对钢结构和构件进行设计，从而确保设计的框架结构更加稳定，即在设计钢结构稳定的过程中，计算是非常重要的。根据《钢标》中关于钢构件稳定的计算方法，充分考虑影响钢构件稳定的不同帧列长度等因素，合理设计不同几何规则的弯曲度，等确保最终呈现的钢结构框架具有稳定性，按照帧稳定性计算柱的方式对钢构件稳定性进行确定，根据计算进行钢结构绘制。

3.5 设计中充分结合组件稳定性计算和设计结构

在钢结构设计的过程中需要充分结合结构计算，根据传递力矩和不通过的节点进行连接，从而确保结构具有足够的刚性和弹性。然而在进行稳定结构的设计中需要特殊考虑和设计，比如说在进行简支梁的抗弯强度设计中，设计铰链轴承不仅是为了避免简支梁出现位移，同时也是为了确保简支梁能够在平面进行旋转，所以在进行光束稳定性设计中需要充分考虑和设计阻挡光束的纵向轴线转动，从而确保设计的钢结构更加稳定，符合设计和施工要求。

3.6 设计钢结构其他细节

在钢结构稳定性设计的过程中除了要考虑钢结构受力、弯曲变形、结构设计、稳定性计算等方面因素的影响，同时为了确保钢结构具有稳定性和较长的使用寿命，还需要在钢结构上进行其他功能的设计。

首先是要进行防火设计，钢结构在实际使用中会受到温度的影响，所以在设计环节中，设计人员需要到实际现场进行考察，根据具体的施工情况以及周边环境对设计方案进行合理设计；同时，设计人员在优化设计方案的过程中需要充分考虑防火材料的性质、钢结构的位置、经济预算、防火后钢结构的承重情况以及空间占据面积等因素，从而提升钢结构的防火性能；另外，为了确定使用负荷防火等级的钢构件，设计人员还需要确定建筑的防火等级，减少火灾对钢结构的影响，一般在钢结构防火设计中会使用防火层，从而减小钢结构的传热系数，延长钢结构的耐火时间。

其次是进行防腐蚀设计，因为潮湿因素的影响，钢结构会因为氧化而出现腐蚀现象，严重腐蚀之后，钢结构会缩小界面，构件表面会出现锈坑，同时受力部位也会产生过于集中的应力，从而缩短钢结构的使用寿命。在实际防腐蚀设计中，设计人员需要根据建筑环境进行防腐设计方案的规划。一般在防腐蚀设计中使用的涂料具有较强的致密疏水性、较大电阻和较强的附着力，因此，在钢结构表面可以均匀涂抹防腐蚀涂料，从而在表面形成保护膜，增强钢结构的防腐蚀性[3]。

最后是要做好抗震设计，确保建设的建筑物是在坚硬或者是中硬的场地施工，从而保证地震时，建筑钢结构具有一定的稳定性，减少受到震害的影响；同时还需要整体进行结构布局设计，确保建筑钢结构具有对称的形状和结构，避免刚度中心过大偏离质量中心；此外，根据建筑得使用性能和环境，设计人员还需要设计对称、均匀的钢结构布置，避免破坏节点。