建筑钢结构设计中稳定性的设计方法分析

文／蒋德建 广西明远工程咨询有限公司 广西桂林 541004

引言：

钢结构在承重结构体系中具有重要的地位，其结构具备高强度和轻量化等优势，因此在土木建筑工程中广泛采用钢结构可以获得显著的效益。当前，随着相关规范的进一步完善和重要建筑项目的不断推进，钢结构行业正迎来更加广阔的发展前景。而在钢结构设计中，稳定性是需要重点考虑的因素，稳定性问题如果得不到妥善解决，可能导致结构的失稳而造成重大的设计安全事故，尤其是在高层建筑和桥梁等需要承受较大荷载而跨度又大的结构中，稳定性设计更是必不可少的要素，由此来看，它对于建筑钢结构设计的重要性不言而喻。

1.建筑钢结构设计稳定性要求

建筑结构的稳定性是确保其安全可靠的一项根本要求，在钢结构设计中，稳定性也是必不可少的关注点。钢结构的设计需要满足屈曲稳定和整体平衡的要求，这意味着在不同的受力情况下，建筑钢结构能够抵抗屈曲和扭曲，并能够通过适当的配置和尺寸来实现结构的整体平衡。同时要关注柱、梁和桁架等构件的稳定性，要求各构件能够承受相应的力，并避免局部屈曲或失稳，并考虑结构的刚度和变形，确保在荷载作用下的变形保持在可接受的范围内，不会对建筑物的正常使用和功能产生负面影响。为了满足这些稳定性要求，设计人员需充分考虑结构的几何形状、截面尺寸以及材料的强度和刚度等因素，并采用适当的结构分析和计算方法验证稳定性。

2.建筑钢结构稳定性设计概述

2.1 钢结构含义说明

建筑钢结构是指利用钢材作为主要结构材料构建的建筑物的结构体系，它以钢材为主要构件，通过不同钢构件的组合和连接形成一个稳定的整体，具有很高的强度和刚度，能够有效地承受自重、风荷载和地震荷载等各种荷载，其优点包括重量轻、施工速度快、抗震性能好等。建筑钢结构的设计和施工需要充分考虑结构的稳定性、安全性和经济性，确保建筑物能够承受预期的荷载，并满足使用功能和安全要求，还需要对其进行科学的维护和修理作业，以延长其使用寿命[1]。它广泛应用于高层建筑、桥梁、厂房和体育馆等各类建筑物，其发展得益于钢材的优越性能和工程技术的不断进步，为建筑领域提供了一种可靠、灵活的结构解决方案。

2.2 建筑工程钢结构设计不稳定性分类

在进行钢结构的稳定性设计时，准确识别失稳类型至关重要，这是评估结构的稳定承载能力的重要基础。通常，钢结构设计涉及三种主要的失稳类型：

2.2.1 分支点失稳

支点失稳是指在结构的分支点或节点处发生的失稳现象，这种失稳形式在钢结构中较为常见。当在节点处施加外力时，如果节点不足以承受力的传递或分支点刚度不足，就会导致结构的失稳，其具体表现为节点的屈曲、旋转或滑移等现象，使结构在受力下变得不稳定。为了避免分支点失稳，设计人员需要仔细考虑节点的强度、刚度和连接方式，确保节点能够承受相应的荷载并保持稳定。

2.2.2 极值点失稳

极值点失稳指的是在结构的荷载-位移曲线上，当建筑钢结构达到某个特定的位移值时，会发生突变的现象，导致结构失去稳定性，进而引发结构的塌陷或倒塌。极值点失稳通常发生在结构的荷载-位移曲线中的拐点处，也称为极值点，当荷载逐渐增加，结构的位移也会相应增加，直到达到极值点。然而，如果在达到极值点时钢结构无法承受进一步增加的荷载，就会发生失稳现象。这种失稳由结构的材料性能、几何形状和荷载条件等多种因素引起，当钢结构存在材料的强度差异或不均匀性时，极值点失稳的风险会增加，结构的几何形状，特别是存在局部集中荷载或应力集中的区域，也可能导致极值点失稳[2]。

2.2.3 跃越屈曲失稳

它指的是当受力构件的承载能力达到或超过其临界值时，构件会发生不稳定失稳现象。具体而言，跃越屈曲失稳主要发生在长柱、薄板和薄壁构件等细长构件上，当受力作用导致构件产生屈曲现象时，其临界载荷往往是离散的，在应力达到临界值时，钢结构的构件会由弯曲状态突然跃迁到扭曲或屈曲状态，从而引发失稳。其发生机理与构件的几何形状、材料性质、截面特征以及荷载作用方式密切相关，在设计过程中，必须对结构进行充分的稳定性分析和计算，以此来确定构件的临界载荷和失稳模式。

2.3 建筑钢结构稳定性设计原则

2.3.1 重视剪力调整

在钢结构设计中，对剪力调整问题的重视和处理至关重要，目前，建筑领域中越来越频繁地出现斜柱构造的现象，与垂直构造相比，斜柱具有更大的倾角，导致斜柱上的应力分布更为复杂。在设计中应当优先考虑增加结构的刚度，通过增加横向的刚性支撑和设置适当的剪力墙来抵抗剪力的作用。并采用合理的截面形状和尺寸，增加构件的屈曲承载力，同时也要考虑构件的延性，以便在受到剪力作用时能够有足够的变形能力来吸收外界压力。

2.3.2 维持各个层面的稳定性

钢结构常应用于体育馆和剧院等大跨建筑中，而这类建筑往往对形态有特殊要求，因此异形结构在建筑结构中较为常见。在设计这类建筑时，需要综合考虑结构的整体受力以及各个层面上复杂的应力分布情况[3]。可以借助计算机软件等工具，精确计算和分析结构的整体荷载、各个层面的受力大小以及各个位置的应力分布情况，在此基础上，要细致完善各个细节的设计，妥善处理各个层面的应力关系，确保每个面都能保持稳定。在设计过程中，设计人员需要综合考虑结构的阻尼比、水平荷载系数等参数的测量结果，并分析本地环境中的最大风荷载、抗震系数等因素，制定出最有利于增强建筑结构稳定性的设计方案，确保钢结构的稳定性满足各项要求。

2.3.3 完善梁柱设计

在钢结构设计中，应坚持强柱弱梁的设计原则，用来增强结构的抗压性能，确保钢结构具备更高的承载能力和更可靠的稳定性。梁柱作为主要承重构件，在结构中起着重要作用，应注重梁柱的选择、布置和连接方式，确保其截面形状、尺寸和材料选择合理，并且能够满足结构承载需求，使其能够在受力过程中具备一定的塑性变形能力。

3.建筑工程中钢结构稳定性设计的主要方法

3.1 钢结构稳定性相关计算

钢结构稳定性的评估可借助平衡法、能量法以及动力法进行计算，这些方法通过研究结构受力和位移的平衡关系、考虑结构的能量变化以及结构在动力作用下的响应，来评估钢结构的稳定性。应用平衡法进行钢结构稳定性计算时，工程师根据结构发生微小变形后的受力状态，建立平衡方程并计算出屈曲荷载，以确定结构的极限荷载；能量法则利用结构的弹性势能和应变能的变化，研究结构的稳定性问题；而动力法则侧重于结构在地震等动力荷载作用下的稳定性分析。通过综合运用这些方法，我们可以更全面地评估钢结构的稳定性，并确保其在不同力学条件下的安全性[4]。

3.2 做好结构选型

为了确保钢结构的稳定性符合各项设计标准，必须根据各项计算和分析结果，选择最适合建筑的结构类型。在进行选型时，应考虑到结构的对称性、规整性和简易性等原则，在满足业主要求的前提下，尽量选择易于控制稳定性的结构类型，这样做不仅可以减轻设计的难度，还能为建筑的稳定性和安全性提供额外的保障。在进行选型时，应尽量避免选择异形结构、细腰型钢结构以及角部重叠的钢结构，不应优先选择外凹或内凸的复杂纵向结构，因为这些结构容易引起复杂的局部扭转效应，不是最优的选择。

3.3 完善构件设计

由于建筑钢结构是由多个独立的钢构件组成，因此完善的构件设计对于确保整体结构的稳定性至关重要。构件设计涉及到确定合适的构件尺寸、形状以及连接方式等，通过精确的构件设计，可以确保钢结构在受到外部荷载时不会发生变形、屈曲或破坏。在设计时要确定适当的截面形状和尺寸，考虑构件的连接方式和节点设计，并合理选择合适的构件材料，在组装钢构件时，应严格按照设计图纸的要求将不同类型的构件正确组装到相应的位置上，使钢结构具有较强的力学扩散和传导性能，让构件之间的内力能够有效地传递和扩散，从而保证整个钢结构的各项指标符合设计要求。

3.4 钢结构建筑抗震设计

建筑在使用过程中，由于地震频繁发生，建筑抗震设计的要求已日益提高，需要考虑建筑钢结构的抗震能力，在实际的钢结构抗震设计中，要保证建筑内钢结构的均匀性，使其受力分布平衡。借助钢框架结构，合理布置水平和纵向的构件，以避免建筑物发生过度变形。这样，即使在地震发生时，建筑物也能够保持其抗震能力。在设计过程中，需要根据建筑的使用要求和地震区域的设计地震参数，选取适当的钢材料，使用合理的支撑系统、加强节点连接和增加剪力墙，并合理配置阻尼器、能量消耗器等装置，以此来增强结构的耗能能力，减小地震作用力对建筑钢结构承重体系的冲击。

3.5 建筑排架结构设计要点

3.5.1 构件设计要点

构件设计的合理与否直接影响着整个建筑结构的安全性，正确选择合适的截面形状和尺寸可以提高构件的稳定性，设计时应避免出现尖锐的角度和突出的边缘，侧向支撑可以防止构件在侧向方向的屈曲和扭转。合理设置侧向支撑点的位置和数量，并使用适当的材料和连接方式，以提供足够的刚度和强度，确保构件在使用条件下保持稳定，当构件承受压力时，特别是在较长构件中，应注意避免屈曲和失稳。构件的材料选择和质量控制也是确保构件稳定性的重要方面，选择高质量的钢材料，并进行适当的质量控制，可以确保构件的强度和稳定性符合设计要求[5]。

3.5.2 屋面设计要点

在建筑钢结构中，屋盖结构体系的设计方案包括有檩和无檩体系两种选择，前一种方案具有节省材料、轻量化、便于安装和运输等优势，但其结构复杂度较高，屋顶构件数量较多，并且屋顶在横向方向上缺乏良好的整体刚度。在屋架形式设计中，需要综合考虑屋顶的倾斜度、经济性、天窗的种类、施工方式以及柱子的连接方式等因素。在确定檩条的形式时，应优先选择实心构件作为主要选项。对于较大的檩条间距和跨度，建议考虑采用格构式或空心构件。

3.5.3 节点设计要点

采用增加螺纹连接或焊接方式，可以有效地提升结构连接的强度，并确保连接的可靠性，采用焊接、螺栓连接等合适的连接方式，几何形状和尺寸应符合设计要求，并避免出现应力集中和局部失稳的情况。此外，节点的材料选择和质量控制也至关重要，还要对其进行详细的结构分析和验算，确保在使用条件下能够满足设计要求，并通过必要的强度和稳定性校核。

3.6 防火设计

在钢结构领域，抗火性能一直是重要的研究议题之一。普通钢材的抗火性能已成为学术界关注的热点，并且相关研究已相对成熟，我国已发布了《建筑钢结构防火技术规范》，规定了相关设计标准，以保障建筑物的防火安全。在火灾发生后，由于节点、梁柱的约束作用，普通钢结构会产生悬链线效应和薄膜效应，因此实际工程中钢结构倒塌的风险较低。还需要选择适当的防火涂层或防火材料来保护钢结构因温度升高而承载力降低的问题，防火涂层应符合相关标准要求，并确保涂层的厚度和质量符合设计规范，合理设计结构的防火分隔间隔，以减少火灾对周围区域的传播，可以采取防火隔墙、防火门、防火窗等措施来实现防火分隔。防火分隔的材料和结构也应满足相应的防火性能要求。此外，在钢结构的设计中还要考虑防火阻挡系统的完整性，进行必要的防火测试和验证。

3.7 加强钢结构防腐设计

钢结构在腐蚀过程中表现出构件截面迅速变小、出现局部锈蚀坑、受力部分承受过多应力等现象，对钢结构的寿命产生了显著影响，在具体的设计过程中，设计师需要将工厂周边的环境与设计有机地结合在一起，以制定出针对腐蚀的具体防护方案，从而有效地提升钢结构的抗腐蚀性能。在设计过程中，应根据具体的环境条件和使用要求选择适当的防腐涂料或防腐涂层，有效地隔离钢结构与外界环境的接触，防止腐蚀物质的侵入。在施工过程中，应严格按照相关规范和要求进行操作，对钢结构的表面进行充分的预处理，包括除锈、清洁和脱脂等工序，以确保防腐涂料或涂层能够牢固地附着在表面上。同时，施工人员应掌握正确的涂装技术，确保涂料的均匀涂覆和充分的干燥时间，这样才能获得最佳的防腐效果。建筑物的使用环境会随时间的推移发生变化，可能会导致钢结构的腐蚀和损坏。因此，定期检查钢结构的表面状态和防腐层的状况，及时发现并修复潜在的问题，对于保持结构的稳定性和延长其使用寿命至关重要。

3.8 焊接施工技术

焊接是将金属材料连接在一起的常用方法，它能够提供强大的连接强度和刚度，从而确保钢结构的稳定性和安全性。在进行焊接之前，必须去除焊接表面的油污、氧化物和腐蚀物等杂质，焊接电流、电压和焊接速度的控制都要严格遵守相关标准，焊接过程中需要注意焊接材料的预热和保温，以避免产生冷裂纹和应力集中等问题。焊接完成后，焊缝和周围区域应进行适当的处理，有效排查和解决焊渣、毛刺和不良焊接部位，使焊接接头达到平整、光滑的状态，还需要对焊缝进行视觉检查、超声波检测等非破坏性检测。

4.建筑钢结构设计稳定性保障措施

4.1 做好前期分析

在进行钢结构设计之前，进行全面而准确的前期分析可以帮助工程师了解工程的特点、要求和限制，从而制定合理的设计方案。前期分析需要对工程的功能和用途进行充分的了解，对于不同类型的建筑，其受力特点和荷载要求也会有所不同，因此需要对这些因素进行详细的分析和评估。并综合考虑项目周边的环境条件，对可能出现的地震、风荷载、雪荷载等自然力的作用进行科学评估，严格遵守法律法规和相关标准对钢结构设计的要求，根据建筑物的功能和使用要求，评估和比较框架结构、剪力墙结构、悬挑结构等不同的结构形式。

4.2 重视图纸校审

图纸校审是在设计阶段对钢结构图纸进行全面、系统的审查和讨论，校审人员需要关注结构的整体布局、梁柱的位置和尺寸、连接节点的设计等方面，通过校审发现潜在的结构布局不合理或冲突的问题，并进行及时调整和优化。需要对结构的荷载和荷载传递进行评估，关注荷载的传递路径和传递方式，避免出现过大的应力集中和变形问题。细致地检查建筑钢结构的连接方式和细节，对材料的选用和规格进行审查。在正式开始施工之前，同施工方、监理方进行施工图交底工作，详细阐述设计意图和技术规范，并清晰说明技术关键点，以确保施工过程中的顺利进行，避免出现问题。

4.3 运用先进技术

使用计算机辅助设计软件和有限元分析等工具，可以进行建筑钢结构受力和变形的详细模拟，准确地预测钢结构的变形或弯曲行为，发现潜在的问题并采取相应的措施加以解决。新型高强度钢材、复合材料等材料的应用，可以提供更高的结构强度和抗震性能。同时，通过创新的结构系统设计，如空间桁架结构，可以实现更高的结构稳定性和安全性。先进技术还包括自动化和智能化的施工方法，可以采用机器人和自动化设备进行焊接、螺栓安装等工艺，提高施工的精确性和效率，减少人为因素的影响。通过安装传感器、监测设备等装置，对钢结构的受力、应变和振动等进行实时监测，能够及时发现结构的变形和损伤情况。

结语：

简而言之，通过合理设计钢结构的稳定性各要素，结合新型材料的应用和创新的结构系统设计，能够提高钢结构的强度、抗震性能和安全性。同时，自动化、智能化的施工方法以及实时监测技术的应用也将为建筑钢结构的设计、施工和维护提供更高效、精确和可靠的解决方案。这些发展趋势将不断推动建筑钢结构设计的进步，为未来的建筑工程带来更加安全可靠的结构体系。