試論建筑鋼結構的穩(wěn)定設計

　　摘 要：隨著建筑類經(jīng)濟快速的發(fā)展，工業(yè)建筑應用鋼結構的越來越多。防止結構失穩(wěn)，是鋼結構設計中應充分注意的問題。本文闡述了鋼結構的特性及在建筑上的應用，并對其穩(wěn)定性的設計進行分析，根據(jù)設計經(jīng)驗進行總結，為后續(xù)設計施工提供技術支持。

　　關鍵詞：剛結構;穩(wěn)定性;設計

　　工業(yè)建筑鋼結構的穩(wěn)定問題在設計中，設計人員應該注重結構構件的穩(wěn)定性能，以免在設計過程中發(fā)生不必要的失穩(wěn)損失;其次，隨著新型結構的出現(xiàn)，設計人員對其性能認識的不足，從而導致構件的失穩(wěn)，就這個問題闡述了新型結構現(xiàn)存的問題，并且針對問題論述了產(chǎn)生的原因。

　　1、建筑鋼結構的穩(wěn)定性設計

　　鋼結構的穩(wěn)定性設計、在各種類型的鋼結構中，由于結構失穩(wěn)造成的傷亡事故時有發(fā)生、為了更好地保證鋼結構穩(wěn)定設計中構件不失穩(wěn)定，保證工程質量及使用安全，有必要對鋼結構的穩(wěn)定性設計進行詳細探討。

　　1.1鋼結構穩(wěn)定性的概念。鋼結構強度小或失穩(wěn)都會造成結構破壞，但是強度與穩(wěn)定的概念并不相同、鋼結構的強度是一個應力問題，指結構或者單個構件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載引起的最大應力(或內(nèi)力)是否超過建筑材料的極限強度、鋼材以其屈服點作為極限強度、而穩(wěn)定是一個變形問題，構件所受外部荷載與結構內(nèi)部抵抗力間是不穩(wěn)定的，關鍵是找出這一不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，避免變形急劇增長而發(fā)生失穩(wěn)破壞。

　　1.2鋼結構穩(wěn)定性設計要點。在符合鋼結構設計的一般原則前提下，要保證鋼結構的穩(wěn)定性還需滿足以下條件：

　　1.2.1鋼結構布置必須從體系和各組成部分的穩(wěn)定性要求整體考慮，目前鋼結構大多是按照平面體系進行設計，如桁架和框架、保證平面結構不出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，要求平面結構構件的平面穩(wěn)定計算需與結構布置相一致，如增加必要的支撐構件等。

　　1.2.2實用計算方法所依據(jù)的簡圖與結構計算簡圖保持一致中層或多層框架結構設計框架穩(wěn)定分析通常是省略的，只進行框架柱的穩(wěn)定計算、由于框架各柱的桿件穩(wěn)定計算的常用力法、穩(wěn)定參數(shù)等是依據(jù)一定的簡化典型情況或假設者得出的，因此設計者要能保證所有的條件符合假設時才能應用。

　　2、建筑鋼結構設計

　　2.1基本原則。建筑鋼結構的設計必須符合一定的原則，確保所設計的結構合理，安全可靠。①所做結構設計應符合建筑物的使用要求，有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性，有良好的耐久性;②所設計結構應盡可能節(jié)約鋼材，減輕鋼結構重量;盡可能縮短制造、安裝時間，應便于運輸、便于維護，減少成本;③盡量注意美觀，對于外露結構有一定建筑美學要求。

　　2.2設計過程。

　　2.2.1收集資料：鋼結構設計過程的前期準備工作首要的就是要收集相關資料，包括各種環(huán)境資料、相關規(guī)范和標準等、目前我國實行的是《鋼結構設計規(guī)范》GB50017-2003其次，還需要了解結構設計的習慣做法，根據(jù)以往的設計經(jīng)驗找出最優(yōu)設計方案。

　　2.2.2確定結構體系、柱網(wǎng)：鋼結構體系的確定主要考慮兩個方面:橫向結構系統(tǒng)和縱向結構系統(tǒng)。橫向系統(tǒng)需要綜合考慮建筑使用要求、剛度要求、結構受力情況、材料選用等具體情況來確定;縱向系統(tǒng)一般由相關構件如柱及其支撐、壓架、車梁及制動梁或桁架、墻梁等組成、柱網(wǎng)則需要依據(jù)建筑使用要求、經(jīng)濟柱距及跨度、建筑美觀等方面要求來設計、其它方面的考慮還包括造價、跨度、制作安裝難度等。

　　3、建筑鋼結構的優(yōu)勢與不足

　　3.1鋼結構的材料優(yōu)勢。鋼結構是用鋼板、熱軋型鋼或冷加工成型的薄壁型鋼制造而成的，和混凝土等其它材料的結構相比，鋼結構具有諸多優(yōu)勢：首先，鋼材的強度高，塑性和韌性好、強度高使其適用于跨度大或荷載很大的構件和結構，而塑性和韌性好對動力荷載的適應性較強，不會輕易因超載而突然斷裂、鋼結構還具有良好的吸能能力和延性，這賦予了鋼結構優(yōu)越的抗震性能。其次，鋼材內(nèi)部組織接近于勻質和各向同性，在一定的應力幅度內(nèi)鋼材的反應幾乎是完全彈性的，加之冶煉和軋制過程中材質波動的范圍小，因此，鋼結構的實際受力情況和工程力學計算結果比較符合，有助于提供設計施工的精確性。

　　3.2鋼結構在建筑上的應用優(yōu)勢。鋼結構所具備的上述特點使其在建筑應用上具有磚混結構、混凝土結構所沒有的獨特優(yōu)勢。首先，鋼結構自重輕，且延性好，因此所建建筑的抗震性能優(yōu)良，因其總質量小，地震力效應相應也小，而其良好的延性也能對地震效應起到緩沖作用、混凝土施工時管道般需要在梁底通過，這樣會占用較大空間，使樓層凈高減少、而使用鋼結構可在梁腹板處開孔走管道，因此建造相同的樓層高度，采用鋼結構可達到提高層間凈高的效果。此外，與傳統(tǒng)結構需要 “肥梁胖柱”才能建造較大開間相比，由于鋼結構輕質高強，因此可以簡中實現(xiàn)大跨與復雜幾何結構，創(chuàng)造開放式住宅。

　　3.3鋼結構的不足。鋼結構因其優(yōu)勢而得到廣泛應用，近年來產(chǎn)生的鋼結構住宅也促進了住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展進程，尤其鋼結構使用過程的環(huán)保性還符合社會可持續(xù)發(fā)展的需要，帶來了良好的綜合效益、但鋼材也存在其固有不足、比如鋼材的耐腐蝕性和耐火性較差，因此鋼結構使用時需要進行較嚴格的防護，其防護時費用高于鋼筋混凝土結構、鋼材雖有一定的耐熱性，但在溫度達150℃以上時，鋼結構需要加隔熱層加以保護、鋼材不耐火，重要的結構必須注意采取防火措施、鋼材的強度高，所做構件多數(shù)壁薄且截面較小，受壓時為了在強度與穩(wěn)定之間取得最優(yōu)，往往滿足了穩(wěn)定的要求，而使得強度不能充分發(fā)揮等。

　　4、建筑鋼結構設計中應注意的問題

　　4.1鋼結構住宅的設計。鋼結構住宅有低層和多層之分、低層一般用于別墅，而多層用于公寓、根據(jù)抗震規(guī)范GB50011對12層以下和以上房屋的不同要求，建造鋼結構住宅一般不宜超過12層。鋼結構住宅抗震性能受結構布置規(guī)則性影響、因此，其平面布置應力求規(guī)則、對稱、不規(guī)則布置在地震時容易遭到損壞。

　　4.3鋼結構穩(wěn)定性設計的經(jīng)驗。

　　4.3.1借助于計算機技術和相關軟件的發(fā)展，目前鋼結構設計中結構和構件的平面內(nèi)強度及整體穩(wěn)定計算可由計算機輔助完成，而由設計者對結構和構件的平面外強度及穩(wěn)定計算，進行分析、計算和設計、為了提高效率和提供方便，在設計時可將整個結構按標高進行分解，簡化成不同水平荷載作用下的多個布置形式的結構體系來進行強度和穩(wěn)定的計算。

　　4.3.2受彎鋼構件的板件局部穩(wěn)定可以通過幾種方式實現(xiàn):①限制板件寬厚比，使之達到屈曲的極限承載能力，不在構件整體失效前屈曲;②允許板件在構件整體失效前屈曲，然后利用其屈曲后強度達到構件的承載能力;③對梁設置橫向或縱向加勁肋，以解決不考慮屈曲后強度的梁的局部穩(wěn)定問題。

　　4.3.3軸心受壓構件和壓彎構件局部穩(wěn)定也可通過兩種方式實現(xiàn)，分別是控制翼緣板自由外伸寬度與其厚度之比和控制腹板計算高度與其厚度之比，如果受壓構件為圓管截面，則應控制外徑與壁厚之比。

　　鋼結構自重輕、強度高、工業(yè)化程度高等優(yōu)點，在建筑工程中得到了廣泛的應用，同時鋼結構建筑還符合國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、發(fā)展鋼結構建筑對提高城市建設水平有很大作用、在鋼結構設計中要充分考慮材料的優(yōu)缺點，綜合考慮各方面的因素加強對結構的整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定以及平面外穩(wěn)定的設計，克服結構設計缺陷，避免出現(xiàn)失穩(wěn)事故，加快鋼結構應用領域的發(fā)展。

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