關(guān)巧英 許宏成 天津東南鋼結(jié)構(gòu)有限公司

1 引言

在建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)建筑占據(jù)重要地位，其穩(wěn)定性與建筑的后續(xù)使用安全有著極為密切的聯(lián)系?；谶@樣的情況，為了保證鋼結(jié)構(gòu)建筑整體的安全性，必須要保證鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。而這需要鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的支持。基于此，探究鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性原則及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)具有極高的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

2 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)分析

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)有以下三個(gè)特點(diǎn)。第一，多樣性。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來說，失穩(wěn)形式多種多樣（彎曲失穩(wěn)垮，扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)等），但其穩(wěn)定性問題又普遍由受壓構(gòu)件失穩(wěn)引起的?；诖耍谑軌簶?gòu)件的設(shè)計(jì)中，一定要保證受壓構(gòu)件的穩(wěn)定。同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)受到形變的影響會(huì)使不受壓部分轉(zhuǎn)化為受壓部分，因此在設(shè)計(jì)過程中對(duì)結(jié)構(gòu)及局部構(gòu)件的變形應(yīng)嚴(yán)格控制。大跨度鋼結(jié)構(gòu)還應(yīng)考慮溫度對(duì)構(gòu)件變形的影響；第二，相關(guān)性。這一特點(diǎn)主要指的是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不同模式的相互影響。一旦某一部分出現(xiàn)問題，則其他部分也會(huì)受到影響。換言之，鋼結(jié)構(gòu)整體與局部之間能夠相互影響；第三，整體性。整體性設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)是指確保鋼結(jié)構(gòu)建筑在規(guī)定的使用年限內(nèi)安全可靠。荷載、制造工藝、材料性能、安裝方法、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)構(gòu)造、使用環(huán)境及維護(hù)方式等多種因素決定了鋼結(jié)構(gòu)的整體性。

3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性原則分析

第一，一致性。為了保證鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，首先要保證計(jì)算假定要與實(shí)際情況相一致，如果計(jì)算假定與實(shí)際情況不符，荷載計(jì)算錯(cuò)誤，節(jié)點(diǎn)形式選用錯(cuò)誤等都屬于設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，不能反映建筑物的真實(shí)受力情況，所產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果通常會(huì)相差懸殊，那么建筑物將會(huì)有安全風(fēng)險(xiǎn)。所以必須確保計(jì)算假定的正確性與準(zhǔn)確性，并嚴(yán)格依照假定原則完成簡(jiǎn)化操作，否則極有可能導(dǎo)致失穩(wěn)事故的發(fā)生。

第二，整體穩(wěn)定。廠房結(jié)構(gòu)的縱向穩(wěn)定主要依靠結(jié)構(gòu)的縱向支撐系統(tǒng)來保證，例如，鋼柱的柱間支撐，鋼屋架的上/下弦水平支撐和垂直支撐等等。因此，在實(shí)際的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，需要重點(diǎn)考慮支撐系統(tǒng)能可靠地傳遞結(jié)構(gòu)縱向的水平荷載（包括風(fēng)荷載、地震荷載、吊車荷載等等）。而對(duì)于沒有支撐的鋼結(jié)構(gòu)建筑來說，主要是靠構(gòu)件自身及其節(jié)點(diǎn)的剛度來保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。所以在實(shí)際的計(jì)算中，應(yīng)當(dāng)按照支撐系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)自身剛度的實(shí)際情況來保證鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

第三，局部穩(wěn)定。換句話說，就是要在設(shè)計(jì)中保證構(gòu)件本身的穩(wěn)定性（構(gòu)件高厚比、寬厚比，徑厚比，長(zhǎng)細(xì)比等滿足規(guī)范要求）。在穩(wěn)定性設(shè)計(jì)計(jì)算中，應(yīng)當(dāng)保證構(gòu)件本身及其組成部份（桿件或板件）在荷載作用下不發(fā)生屈曲不失穩(wěn)。

4 保證鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要點(diǎn)探究

4.1 材料選擇

在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，為了最大程度的保證建筑工程鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要選用高強(qiáng)度的材料。在此過程中，應(yīng)重點(diǎn)保證選用的鋼結(jié)構(gòu)材料與焊接等級(jí)保持一致。在設(shè)計(jì)前，需掌握工程的實(shí)際需求、技術(shù)及質(zhì)量要求等，結(jié)合對(duì)焊縫、鋼材的要求完成鋼材料的確定。筆者認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)盡可能使用具有強(qiáng)抗拉伸性、高屈服強(qiáng)度的鋼材，以此確保鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及建筑工程的總體質(zhì)量。另外，在材料入場(chǎng)前，要對(duì)鋼材料進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。

4.2 結(jié)構(gòu)選型

結(jié)構(gòu)選型也是保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)，對(duì)建筑工程項(xiàng)目與施工整體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重大影響。在實(shí)際的結(jié)構(gòu)選型過程中，需要把握鋼結(jié)構(gòu)整體的結(jié)構(gòu)體系，并充分考慮力學(xué)關(guān)系，來保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。

在設(shè)計(jì)過程中，出于對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的考慮，需要盡可能保證使用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式。比如：（1）平面布置應(yīng)避免平面不規(guī)則，平面布置簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱是為了使結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心基本重合，這樣可以避免地震時(shí)帶來的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，避免扭轉(zhuǎn)破壞。建筑平面不易采用角部重疊和細(xì)腰型結(jié)構(gòu)布置。（2）豎向結(jié)構(gòu)布置也要避免豎向不規(guī)則，豎向盡量不采用局部外凸和內(nèi)部凹進(jìn)去的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)上下貫通，以此達(dá)到整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及剛度連貫性的目的。結(jié)構(gòu)的底層就是最顯著的薄弱層，很多地震都是由于底部薄弱層坍塌導(dǎo)致房屋破壞的。就以往的工程情況來看，T型或是L型和U型為較為常見的兩種結(jié)構(gòu)形式，拐角處常用伸縮縫隔開，使結(jié)構(gòu)分開成簡(jiǎn)單的矩形形式，避免結(jié)構(gòu)不均勻帶來的扭轉(zhuǎn)問題，提高了鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，還要注意結(jié)構(gòu)的剛度中心以及結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心的分布，不要離得太遠(yuǎn)，以便減少扭轉(zhuǎn)。

4.3 構(gòu)件設(shè)計(jì)

在這一過程中，必須要保證鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際強(qiáng)度不小于國家及地方標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，在施工中，需結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案確定出合理的施工方案。另外，在實(shí)際的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，相關(guān)人員除了要考慮鋼結(jié)構(gòu)的整體性之外，還應(yīng)當(dāng)發(fā)揮出二階分析法的作用。對(duì)于二階分析法來說，其對(duì)柔性構(gòu)件的穩(wěn)定性保證具有重要意義，若是柔性構(gòu)件發(fā)生較大的形變，產(chǎn)生的變形量會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生不容忽視的影響。所以，要引入二階分析法完成柔性構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.4 一致性設(shè)計(jì)

（1）計(jì)算方式與結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖的一致。通常情況下，在展開單層或是多層框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，相關(guān)設(shè)計(jì)人員會(huì)對(duì)框架柱完成穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，然后對(duì)框架的整體穩(wěn)定性的進(jìn)行分析。在這一過程中，需要完成框架柱穩(wěn)定性的計(jì)算，并明確框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)。此時(shí)，設(shè)計(jì)人員要確保設(shè)計(jì)結(jié)果滿足假設(shè)條件，也就是避免局部穩(wěn)定對(duì)鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

（2）穩(wěn)定計(jì)算與鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計(jì)的一致。確保穩(wěn)定計(jì)算與鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計(jì)具有一致性是鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中較為關(guān)鍵的步驟。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，想要提升鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，就需要對(duì)不同構(gòu)件提出針對(duì)性要求。基于此，在設(shè)計(jì)中也要落實(shí)差異性對(duì)待（比如梁和柱的要求不同，主梁和次梁要求不同）。

4.5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響著鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在地震條件下，高延性的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)能夠降低建筑物及鋼結(jié)構(gòu)的損壞程度。在設(shè)計(jì)中，相關(guān)設(shè)計(jì)人員需要減少設(shè)計(jì)缺陷，根據(jù)抗震等級(jí)不同確定節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求，以此增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4.6 功能性設(shè)計(jì)

（1）防腐設(shè)計(jì)。為了保證防腐處理質(zhì)量，需要在設(shè)計(jì)中依托具體施工要求與實(shí)際使用環(huán)境，確定使用永久性涂裝或是半永久性涂裝。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)完成鋼材防腐等級(jí)的市場(chǎng)調(diào)查，結(jié)合不同區(qū)域、施工環(huán)境以及工程性質(zhì)，確定防腐等級(jí)，并完成防腐處理方案的制定。通過這樣的方式，能夠保證建筑工程鋼結(jié)構(gòu)的防腐效果。

（2）防火設(shè)計(jì)。鋼結(jié)構(gòu)在火焰溫度達(dá)到一定高度，會(huì)造成鋼結(jié)構(gòu)建筑的整體失穩(wěn)垮塌。所以，必須對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行防火設(shè)計(jì)。在進(jìn)行建筑工程鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)中，要根據(jù)防火等級(jí)及鋼構(gòu)件位置選用相應(yīng)的防火材料。就以往的工程情況來看，鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)及材料的選擇需嚴(yán)格依照工程項(xiàng)目的防護(hù)類型、防火種類、防火具體情況與要求完成。特別是在選擇防火材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能選擇厚度以及粘結(jié)強(qiáng)度較高的材料，并將其填涂在節(jié)點(diǎn)部位。通過這樣的方式，不僅能夠更好完成節(jié)點(diǎn)部位的防火處理，還能夠提升相應(yīng)位置的強(qiáng)度，確保建筑工程鋼結(jié)構(gòu)整體的防火功能與防火指數(shù)。

在確定防火材料時(shí)，若是使用厚度較薄的防火材料難以滿足工程項(xiàng)目實(shí)際的防火需求，則選用厚涂型防火材料，如果厚涂型防火材料仍舊不能滿足工程實(shí)際需求，則應(yīng)要求相關(guān)人員選用較高防火性能的防火材料。另外，還要保證吊頂設(shè)計(jì)中吊頂材料的防火及防腐蝕處理的效果，確保防火設(shè)計(jì)與防護(hù)等級(jí)、防火標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容相吻合。

5 總結(jié)

綜上所述，在掌握計(jì)算假定與實(shí)際結(jié)構(gòu)的一致性、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定的前提下，通過材料選擇、結(jié)構(gòu)選型、構(gòu)件設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、防腐設(shè)計(jì)、防火設(shè)計(jì)的提升，結(jié)合計(jì)算方式與結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖、鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計(jì)的一致性保證，提升了鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)工程整體質(zhì)量的提升。