建筑工程中钢结构设计的稳定性原则及要点分析

摘 要：本文分析了建筑工程钢结构稳定性设计原则，重点阐述了其设计要点，包括结构选型、防腐设计、防火设计、框架优化设计及结构稳定验算。旨在提高钢结构的稳定性，使建筑各部分结构构件受力合理，进而创造优质高效工程，达到项目综合效益最大化的目标。

关键词：建筑工程；钢结构设计；稳定性原则；设计要点文章编号：2095-4085（2024）10-0092-03

0 引言

近年来，钢结构逐渐成为现代建筑工程的主流结构型式，其凭借自重轻、易于施工、造价低廉的显著优势，在高层建筑、大型公共建筑及商业综合体建筑等工程项目中得到了广泛应用，并取得了显著的综合效益。然而，钢结构建筑投运使用期间，在内外部因素共同影响下，可能会出现结构失稳的情况，存在一定安全隐患。为此，需重点关注结构稳定性问题，要明确建筑钢结构稳定性设计原则，并运用科学的设计方法，以保证建筑各部分结构构件受力合理，进而打造优质高效工程。

1 建筑工程钢结构稳定性设计原则

1.1 精密性

建筑钢结构设计专业性较强，需开展大量计算工作，包括力学关系、框架平衡关系、连接抗弯承载力及框架结构稳定等计算内容。如果某一环节出现计算错误，都将导致钢结构实际受力状态与稳定性能充满不确定性。目前，一些设计人员过度依赖自身经验，尚未熟练掌握现行设计规范中的各项计算公式，设计方案中缺少科学、全面的计算数据。对此，必须遵循精密性原则，以精密计算作为钢结构设计工作的重要一环。设计期间应严格遵循规范要求开展各项计算工作，要反复验算计算数据的准确性，并在设计方案编制完毕后，对钢结构整体稳定系数加以验算，以起到查漏补缺的作用。

1.2 配合性

建筑钢结构通过精密焊接与螺栓紧固等高效连接方式，将众多构配件精准组装，并确保各部件间协调配合，这种完美的契合度直接决定整体结构的稳定性与牢固性，是构建坚实稳固建筑体系的关键。因此，在工程设计阶段，设计人员必须遵循配合性原则，应重点考虑各处构配件的配合状态，既要分析平面稳定情况，也要分析立体建筑物是否具备稳定基础，要确保各处构配件功能作用得以充分发挥，进而为建筑钢结构的整体刚度与强度提供保障。

1.3 剪力调整

根据同类工程案例来看，部分建筑钢结构形式不规则，以降低钢结构稳定系数为代价，过度追求钢结构灵活分隔性能与建筑造型美观性，造成平面结构散乱布置构件、简化垂直构件和斜柱的情况，虽然可以降低设计难度，表现出独特的建筑造型，但也会影响结构剪力调整精度。对此，设计人员必须严格遵循剪力调整原则，重点分析局部与整体结构荷载状况及剪力调整效果的影响，应优先保证剪力调整稳定性和灵活性。一般情况下，建筑钢结构主要采取框架结构型式，利用支撑框架以及纯框架负责承受水平剪力，支撑框架用于承受主要总剪力，并把剩余剪力分配给框架部分承受^［1］。

1.4 强柱弱梁

在建筑工程投运使用阶段，地震灾害是钢结构稳定性面临的首要挑战。在地震灾害持续期间，地震能量会对钢结构体系造成剧烈冲击，钢结构稳定性能直接决定了建筑结构整体的受损程度。如果结构稳定性较差，可能会出现整体变形失稳、建筑物倒塌等安全事故，从而造成严重的经济损失与人员伤亡。为预防上述安全事故发生，在工程设计阶段，设计人员应遵循强柱弱梁原则，以提高钢结构延性和增强抗压性能为设计目的。还应结合工程情况，采取调整节点连接方式、翼缘加腋、柔性连接填充墙与梁柱等设计举措。柱体承载性能应超过梁体承载性能，后续发生地震灾害时，可确保梁体和柱体依次进入屈服状态，有利于减轻建筑结构震中受损程度。

2 建筑工程钢结构稳定性设计要点

2.1 结构选型

随着现代建筑技术体系的发展，钢结构体系不断完善，当前已形成诸多类型的结构型式。根据同类工程建筑使用情况来看，不同类型钢结构的适用方向没有完全重合。因此，根据建筑类型和用途选择合适的结构型式，才能做到最大限度发挥钢结构应用优势，并在建筑全寿命周期内始终保持主体结构的稳固状态。目前来看，主流钢结构型式包括钢框架、钢网架、门式钢架以及钢桁架，适用范围如下。

（1）钢框架。主要采取框架-支撑结构体系，平面布局中横向部署纯钢框架，负责承受屋面荷载及楼板荷载；纵向部署多根竖向钢柱，负责承受地震荷载以及纵向水平风荷载，在建筑顶部部署楼盖。高层建筑、写字楼等类型建筑存在荷载较重、平面布置要求严格的共性特征，适宜采取钢框架结构型式。

（2）钢网架。结构体系布局方案与网格较为相似，因而被称为钢网架。其强调分散布置大量杆件，节点以连接各处杆件来构成交叉桁架网架或是四角锥体网架，节点形式须设计为十字板节点或支座节点。对于体育场馆等公共建筑，适宜采取钢网架型式，作为高次超静定空间，其具备刚度大、抗震性能理想的特征，足以维持结构稳定状态^［2］。

（3）门式钢架。同时部署钢柱、墙面檩条、抗风柱等多种类钢构件，需将钢结构跨度控制在24～30m左右，受力主体为门式框架，并在结构体系内存在诸多种类的节点形式。对于工业厂房、展览馆等层数较少的建筑工程，适宜采取门式钢架，相比于其他结构型式，此类结构具备受力简单、传力路径清晰明确的优势。

（4）钢桁架。结构体系分布大量杆件，杆件两端相互联结，组合形成角钢桁架结构、管桁架结构或是H型钢桁架结构。对于高层建筑与超高层建筑，可采取钢桁架型式，其具备结构自重轻与刚度大的优点，还可以减少钢材用量和降低造价成本。

2.2 防腐设计

相比于常规的混凝土结构，钢结构抗腐蚀性能有待提高。由于钢构件长期暴露在外部空气环境中，受到空气中水分侵蚀及其他腐蚀物质影响，建筑投运使用一段年限后，逐渐会出现结构腐蚀现象。腐蚀类型包括电化学腐蚀以及化学腐蚀，腐蚀程度越严重，钢构件力学性能越差，进而会严重影响主体结构承载性能与稳定系数。对此，必须对钢结构进行防腐保护，应隔离钢构件避免其与外部空气环境直接接触，并阻拦太阳光直接照射到钢构件表面，以此来保证建筑钢结构的稳定状态，也有利于延长建筑实际使用寿命。具体可采取以下防腐措施。

（1）金属镀层。提前对钢构件进行脱脂或酸洗处理，彻底去除表面残留锈迹与油渍，再采取电解法或喷镀法，在钢构件表面形成一层致密性的金属镀层，要完全包裹钢构件，以阻拦外部空气、太阳光辐射及水汽侵蚀。

（2）防腐涂层。在钢构件制作加工方案中，额外增设涂层保护步骤。防腐保护原理与金属镀层一致，是利用涂层隔离钢构件接触外部环境。需优先选用具备良好环境适应能力与抗氧化性的防腐涂料。如果对钢结构抗腐蚀性能有着严格要求，或是现场环境较为复杂，可酌情增加涂层厚度，或是陆续施作多层防腐保护涂层。

（3）建筑选址。钢结构在潮湿环境与干燥环境中的腐蚀速度及整体腐蚀程度有着明显区别。因此，在选址设计环节，需提前收集工程资料信息，应优先选择相对干燥的环境作为建筑选址。如果无法变更选址地点，则对钢构件金属镀层或是防腐涂层进行加厚处理。

2.3 防火设计

耐火性差是钢结构天然存在的短板，钢结构耐火极限普遍在450～600℃不等。多数建筑火灾事故在发生10～15min时的火场温度达到400℃，建筑内部分布过多可燃物、易燃物时，还会进一步提高火场温度及温升速度。在建筑火灾持续期间，由于长时间处于高温环境，钢结构承载性能大幅削弱，会陆续出现钢柱变形、钢梁弯曲等情况，严重时还会出现建筑结构失稳及坍塌事故。一般情况下，缺少专项保护措施的建筑钢结构耐火极限仅为15min。因此，应对钢结构进行防火保护，须最大限度延长钢结构耐火极限时间。具体可采取以下措施。

（1）优选钢材。在确保工程造价不超限的前提下，应使用特种耐火钢材来替换普通钢材。耐火钢在600℃高温下，1～3h内的屈服强度仍旧保持在2/3室温屈服强度以上水准，本身具备一定程度的防火抗坍塌功能。其具体型号包括Q345FRC和Q345FRD。

（2）规划防火分区。需根据建筑室内面积、建筑类型与建筑等级来确定防火分区面积；并在相邻防火分区间隔部位，设置防火门、防火卷帘及防火隔墙等设施，以起到抑制火势蔓延范围和速度的作用。建筑火灾持续期间，火势范围主要集中在着火点所处防火分区，其他防火分区不易形成明火，钢结构虽然会出现局部受损问题，但不会对整体结构稳定性造成明显影响^［3］。

（3）构件阻燃。钢构件外部配置高效防火屏障，采用石膏板或岩棉板等优质防火阻燃材料构建，可有效隔绝火焰侵袭，确保构件内部温度维持在耐火极限之下。此外，亦可选择直接在钢构件表面涂抹防火涂料，尽管其保护效能略逊于独立保护层，但通过增加涂层厚度可增强效果。经此防火强化处理，钢构件的极限耐火温度显著提升，由原先的450～600℃跃升至900～1 200℃，极大增强了建筑在火灾中的结构安全性，可避免承载失效及整体稳定性丧失的风险。

2.4 框架优化设计

采取钢框架结构型式的建筑工程，其理想状态下的框架侧向位移量在允许范围内。但根据实际情况来看，受到楼层数、相对刚度等因素影响，实际框架受力状态和侧向位移量不够理想。采取常规的增加构件截面尺寸措施，可以解决此项问题，但也会造成增加钢材耗用量、占用建筑室内空间的后果。对此，设计人员可以从优化框架结构方面着手，采取增加节点刚度、设置斜撑、翼缘加腋三项设计措施，确保钢框架侧向位移量在设计规范允许范围内。

（1）增加节点刚度。以调整端板节点构造作为提升刚度与减小侧向位移量的方法，初始刚度取决于连接件抗弯刚度、螺栓分布情况和板体厚度，可酌情选择增加端板面积和螺栓数量，或是在增加外伸端板长度的同时，在外伸部位设置两排螺栓。

（2）设置斜撑。钢结构体系内额外增设支撑杆件时，必须以结构基础为起始点，向上所有楼层均设置杆件，直接连接不同楼层间支撑杆件。需优先采取直线连接方式，并直接连接顶层与其他相邻跨间支撑杆件。一般情况下，可选择设置钢管柱间支撑作为斜撑件，斜撑和钢结构采取铰接方式，并绘制楼层位移曲线，以判断增设斜撑对框架结构造成的实际影响。

（3）翼缘加腋。借鉴框支剪力墙结构在框支梁节点部位加腋的设计措施，在钢框架结构节点部位同样加腋，以此来增强节点抗弯性能。主要以梁体上部翼缘或是下部翼缘作为加腋位置，如果钢框架结构变形形式为剪切变形，所形成层间位移量最大值出现在结构底部，仅需在下部楼层进行水平加腋^［4］。

2.5 结构稳定验算

建筑钢结构稳定系数取决于诸多因素，在工程设计阶段，受限于经验、时间与精力，设计人员难以全面考量所有因素，从而造成设计纰漏，导致设计成果和预期目标存在一定差异。对此，为确保钢结构稳定系数完全达到工程建设要求，避免因设计问题而形成安全隐患，在钢结构设计方案制定完毕后，必须开展结构稳定验算工作。

（1）分析阻尼数值。以阻尼比作为初步判定钢结构稳定系数的重要指标，在建筑处于地震频发区域时，建筑高度≤50m时要求阻尼比为0.04。建筑情况为罕遇地震弹性与塑性分析时，要求阻尼比为0.05^［5］。

（2）动力设计。构建分析模型来模拟建筑结构使用工况，可根据应力分析结果来反映振动加速度和结构变形程度。如果结构形变方向和加速度保持统一状态，即可判定钢结构满足最大负载条件。

3 结语

综上所述，为顺利建设高品质建筑工程，为钢结构型式的应用推广打牢基础，建筑企业必须提高对钢结构稳定性问题的关注程度。设计人员需严格遵循精密性、配合性、剪力调整、强柱弱梁四项基本原则，要掌握在结构选型、防腐设计、防火设计等诸多方面的设计要点，并准确验算钢结构稳定系数，提前识别并处理所有设计问题，进而充分发挥钢结构的优势，推动我国建筑行业迈向全新发展阶段。

参考文献：

［1］杨帆.建筑钢结构设计中稳定性的设计方法研究［J］.房地产世界，2020（22）：32-34.

［2］莫磊.建筑钢结构设计中稳定性的设计方法研究［J］.大众标准化，2022（8）：98-100.

［3］王晓亮，张俊生.建筑钢结构设计中稳定性的设计方法探讨［J］.绿色环保建材，2020（3）：78-79.

［4］庞义.半刚性连接钢框架稳定分析与优化设计［D］. 重庆：重庆交通大学，2013.

［5］王丹阳，王凡奇，王伟.建筑工程中钢结构设计的稳定性原则及设计探讨［J］.中国住宅设施，2022（12）：12-14.