济南埃菲尔花园项目钢结构设计的稳定性分析

高 彦

（甘肃省科工建设集团有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

近年来我国建筑钢结构工程的设计受到广泛重视，钢结构稳定性设计的研究提上日程，韦婉等[1]提出了关于钢结构枢纽工程的稳定性设计建议，强调在钢结构设计的过程中，重点提升结构的稳定性，预防因为结构稳定性存在问题导致钢结构工程的强度和可靠性受到不利影响。周佳等[2]强调钢结构的设计，需要保证钢结构和钢材料、混凝土的稳定性组合，提升项目的稳定性，为本文的研究提供了参考依据。本文研究中以某钢结构工程为案例，提出钢结构设计的稳定性措施，创新之处在于分析钢结构稳定性的影响因素，以影响因素为基础探索如何增强钢结构设计的稳定性，为我国钢结构设计过程中有效控制整体结构稳定性提供帮助。

1 案例分析

济南埃菲尔花园项目的位置是在济南槐荫区，建设工程是1A 级住宅，建筑总面积为4.8 万m2，有三栋楼是小高层，三栋楼是多层住宅。小高层的部分采用钢框架-中心支撑结构，建筑框架柱使用的是箱型截面，中心支撑部分应用的是圆钢管，框架梁的部分、楼面次梁的部分，应用的是H 型钢材料。多层住宅的三栋楼，使用的是纯钢框架体系，梁柱的部分，应用热轧H 型钢材料，应用的钢材料数量是2 300t，H 型钢材料的数量是900t。该工程项目的地理位置优越，交通条件良好，处于温带季风气候区域，人文环境良好，是典型的钢结构工程项目。

2 建筑钢结构设计中稳定性影响因素

济南埃菲尔花园钢结构项目虽然是我国典型的钢结构工程，但是在设计的过程中，钢结构设计稳定性受诸多影响因素，导致钢结构稳定性难以满足要求。

2.1 构件因素

首先，钢结构的稳定性和钢构件的杆件高度、厚度比例，或是长度和细度比例存在直接联系，如果钢构件的杆件长度与细度比例、高度与厚度比例不合格，即使钢结构承载的重量和负荷不是很大，也会发生变形和弯曲的问题，使整体结构的稳定性降低。建筑工程项目中钢结构出现稳定性的问题，可能会导致分支点的部分、极值点的部分缺乏稳定性，或是出现跳跃式失稳的现象，为有效预防此类问题，需要设计人员计算构件的长度和细度比例，获得相应的数据值，但是由于所得到的数据值和对长度限制值进行计算的规定有所不同，导致最终设计的构件长度与细度比例限值存在误差，可能会引发结构失稳的现象；其次，建筑钢结构稳定性最为重要的影响因素就是钢结构本身，如果钢结构框架或是排架的刚度不符合标准、水平方向支撑过程中负载强度控制性能较低，都会导致结构的横向稳定性降低。对于钢材料构件所组合而成的建筑物架，需要对外部的荷载和地震作用力、风力等环境因素有着支撑的作用，如果钢柱和物架的承载力不足，会导致结构稳定性受到不利影响；最后，钢结构的构件可能存在初始几何缺陷问题、残余应力问题、偏心问题等，例如：钢构件安装的过程中，节点安装有偏差、杆件存在弯曲的现象或是节点偏心的问题，都是构件的初始集合缺陷，如果不能合理进行此类缺陷问题的控制，将会导致钢结构的稳定性降低，不能满足建筑工程的稳定性要求。

2.2 设计因素

钢结构设计中多数设计人员也会采用信息化技术进行结构稳定性和平面强度的计算分析，根据建筑标高进行钢结构的分解，简化计算结构不同水平荷载作用力下的体系形式，利用科学合理的计算方式明确钢结构的稳定性设计方法。但是由于部分设计人员缺乏专业的能力和计算技能，不能准确采用现代化的信息技术和软件等开展钢结构稳定性计算工作，甚至会出现稳定性分析和计算的误差问题，导致设计工作不良，不能按照建筑工程的特点和钢结构的特点等准确完成结构稳定性的设计工作，最终导致因为设计因素的影响使整体结构的稳定性难以提升。

3 建筑钢结构设计中稳定性措施

埃菲尔花园项目的钢结构设计中，为提升整体结构的稳定性，按照结构稳定性影响因素，采用以下几点措施改善设计模式：

3.1 构件的合理选择

在建筑工程钢结构设计工作中，结构稳定性问题的分析是以外部荷载作用条件和环境中进行，所以在钢结构或是钢构件不稳定分析的同时，也需要同步进行变形分析，通过科学合理的分析方式，准确研究建筑钢构件的情况，为构件的良好选择提供保障，如图1 所示。（1）钢构件稳定性分析方面，可采用静力分析法，利用静力平衡的方式和已经出现略微变形的构件受力作用相整合，创建相应的平衡微分方程，以此为基础，准确分析构件的临界荷载，明确构件的稳定性是否符合要求。或是采用动力分析方法，在平衡状态的钢构件上施加略微的干扰，使钢构件能够产生振动，在此过程中结构产生变形或是振动速度加快，都与构件的荷载存在直接联系，如果钢构件实际荷载低于极限荷载数据值，变形方向和加速度方向呈现相反的状态，去除荷载之后，构件从运动状态改变为静止状态，就证明钢构件又恢复到了平衡状态，代表构件具有一定的稳定性；（2）为确保在设计工作中能够选择稳定性较强的钢构件，设计人员需按照建筑工程的图纸和钢结构的计算简图，准确进行构件的稳定性计算分析，按照我国《钢结构设计标准》相关的规定进行构件稳定性计算，综合分析对构件稳定性造成影响的阵列长度等各类因素，计算不同构件的弯曲度，最终选择稳定性符合要求的构件设计形式；其三，根据建筑工程项目的情况，编制不同的钢构件设计方案，在现场开展试验分析工作，对比分析不同设计方案的应用效果，最终选择能够保证钢结构稳定性的构件设计方案，从而增强钢构件的稳定性。

图1 钢构件的选择

3.2 设计方案的优化完善

建筑钢结构设计中为有效解决结构稳定性问题，需要重点完善和优化设计方案，如图2 所示。

图2 钢结构稳定性设计方案的优化

3.2.1 结构布置形式的设计

建筑钢结构的稳定性设计，需全面分析整体系统情况和局部钢结构的稳定性要求，重点进行结构平面设计，例如：钢结构的框架设计属于重要部分，平面钢结构设计方面，应根据系数的计算结果，设计稳定性较强的平面钢结构，如若所设计平面结构缺乏稳定性，就应做好总体结构分析和布局分析，科学合理进行支撑构件的设计，保证所有钢结构整体的稳定性符合要求。总而言之，钢结构的稳定性设计方面，设计人员应按照局部框架和整体系统的情况，确保钢构件的合理布局和设计，使结构稳定性提升。

3.2.2 结构受力的分析

为确保建筑钢结构的稳定性符合标准，最重要的就是保证结构受力水平符合要求。因此，设计人员应做好结构的受力分析工作，使整体结构的受力水平符合标准，有效维护结构的稳定性。首先，设计人员应准确研究和分析钢结构的承重能力、负载重力，设计梯形状或是l 形状的钢结构，使建筑重量分散，对建筑支撑进行平衡。其次，设计工作中应重点做好静力方面和动力方面的分析，通过动力分析了解钢结构的垂直方向和受力状态，利用向钢结构施加垂直振动力，了解结构的变形情况和振动速度，按照分析结果设计结构，使钢结构的稳定性有所提升。同时，利用静力分析的方式计算钢结构水平方向和受力临界值，改进设计方案，从而确保钢结构的所有部位在各个方向受力的稳定性。最后，设计人员应做好钢结构的纵向方向和水平方向的受力计算分析，准确了解各个位置的受力特点，通过设计内容和方案的完善优化，保证钢结构的稳定性。另外，设计人员应采用计算机技术、检测仪器设备等，对钢构件的受力情况进行检测分析，将检测结果数据输入计算机系统进行计算和研究，按照计算结果明确钢构件的受力特点和实际情况，确保能够通过受力的调整和处理，预防出现钢构件的受力不稳定问题，提升结构的稳定性。

3.2.3 细节层面的设计

建筑钢结构的稳定性设计工作中，不仅需要准确分析钢结构受力情况，做好稳定性计算工作，还需以增强结构稳定性和延长寿命为目的，做好细节层面的设计工作。

（1）防火设计

建筑钢结构使用期间可能会受外界温度的影响出现变形或是其他问题，一旦建筑内部发生火灾，如果钢结构缺乏防火性能，将会导致钢结构的承载力和强度降低，不能满足稳定性要求。因此，应重点进行钢结构的防火设计，首先，设计人员应在现场实地考察勘察，按照现场情况和周围环境等做好防火设计，在设计方案中明确，防火材料的性质和防火材料的所在位置，综合分析防火设计后的结构，承重状况和占地面积状况，通过合理的防火设计，确保钢结构在火灾环境中的稳定性。其次，设计人员应选择防火等级符合要求的钢构件材料，避免火灾事故对钢结构的稳定性产生影响，可在钢结构外部设计防火层，降低结构的传热系数，增加耐火时间。

（2）不同层面的稳定设计

建筑钢结构在建筑工程中的应用具有一定的优势，但是如果不能合理进行不同层面的稳定性设计，将会导致结构的稳定性受到影响，因此，设计人员应综合分析对钢结构稳定性产生影响的因素，从不同层面开展稳定性设计工作。一方面，全面整理和收集有关的数据信息，设计钢结构的不同工艺标准，明确构件的工艺标准，以免因为工艺标准设计不良，出现稳定性问题。其次，综合分析钢结构的阻尼比数据、水平载荷数据、抗震强度数据等，做好各个层面稳定性的设计工作，例如：分析研究钢结构的水平荷载数据信息，在条件良好的状况下，水平荷载系数是零，但是如果实际情况不能达到标准，就可能会导致钢结构受到风荷载的影响，出现失稳的问题，因此，在设计工作中，应按照当地区域的环境特点设计钢结构的水平荷载系数，以免受到风荷载或是其他荷载因素的影响出现稳定性问题。

（3）强柱弱梁部分的设计

通常情况下如果钢结构承受的荷载较大，需要在梁体上设计塑性铰，才能保证结构使用期间不会出现瞬间损坏的问题和稳定性问题，经过外力影响后短时间内恢复到原本的稳定性状态。目前我国的建筑工程标准方面已经提出了工程项目梁体上设计塑性铰的规定和要求，在建筑钢结构稳定性设计的过程中，强柱弱梁的设计，应该准确计算弹性的数据值，保证弹性数值满足要求的情况下，将塑性铰设计在梁体上，柱体则不设计塑性铰，这样不仅能够满足强柱弱梁的设计规范，还能有效维护钢结构的稳定性。

（4）注意剪力调整的问题

建筑钢结构稳定性设计工作中，剪力调整问题是需要重点关注的问题，主要原因是近年来科技发展、经济水平不断提升，建筑工程项目的高度和楼层数开始增加，建筑结构的形式非常复杂，斜柱、不对称性的建筑结构应用频率较高，对工程稳定性设计的要求越来越严格，且目前我国在建筑设计方面多数是利用简化的方式处理，例如：将竖向类型的构件简化成为柱子，斜向类型的构件简化成为斜柱，虽然不会出现明显的问题，但是框架柱剪力调整可能会受到影响，尤其是斜柱不仅能够支撑水平方向的作用力，还能承受竖向荷载，这部分的荷载所产生的剪力不可忽视，所以在设计工作中应准确、全面分析钢结构的剪力问题，合理进行剪力调整，保证结构的稳定性[4]。

（5）合理进行抗震设计

工程项目中钢结构的抗震性能如果不符合规范要求，将会导致建筑结构安全性受到不利影响，因此在设计工作中需要制定完善的建筑钢结构抗震设计方案和体系，通过合理的设计方式提升结构抗震性能。一方面，调查分析建筑工程所在地的地震灾害历史资料和数据信息，全面了解工程项目所在地的地震灾害发生特点和具体情况，按照具体情况明确钢结构设计的抗震等级要求，制定完善的设计方案和体系。另一方面，根据钢结构的性能和使用环境，设计对称性、均匀性的钢结构，同时按照抗震等级的标准，合理设计抗震的规格，以免影响结构的抗震能力[5]。

（6）防腐蚀的设计

如果钢结构的防腐性能不满足要求，潮湿环境中可能会被氧化发生腐蚀的问题，如果腐蚀问题非常严重，会导致钢结构的面积缩小、表面出现锈蚀，受力的部分受到应力的作用会发生失稳的风险。因此设计工作中应制定防腐设计方案，明确防腐涂料的标准，设计致密疏水性能、电阻较大、附着力较强的防腐涂料，明确涂料的涂抹厚度和标准规范，确保能够利用防腐涂料改善钢结构的防腐性能，避免因为腐蚀问题出现不稳定的现象。

4 结论

综上所述，艾菲尔花园钢结构设计工程项目钢结构稳定性设计的影响因素为构件的因素、设计方案因素，为有效解决钢结构设计的问题，本次研究中提出了构件选择方面和设计方案优化的建议，通过钢结构布置形式的合理设计、结构受力的分析、细节层面的设计，改善钢结构的稳定性和承载力，提升钢结构的强度。因此，建议在钢结构设计方面，注重结构稳定性影响因素分析和研究，制定完善的设计方案，从而提高钢结构的稳定性和可靠性。