郭春

（山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西太原 030009）

0 引言

在現(xiàn)代建筑工程體系中，鋼結(jié)構(gòu)承擔(dān)著框架骨骼的重要支撐作用，其前期設(shè)計(jì)的合理與否將對建筑整體質(zhì)量產(chǎn)生極大影響。此外，若鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案并未滿足工程力學(xué)相關(guān)要求，無法承受源自內(nèi)外兩方的壓力負(fù)荷，還可能導(dǎo)致其在施工過程中發(fā)生形變崩塌，繼而對施工安全、施工成本、施工效率構(gòu)成威脅。所以，為了避免相關(guān)施工風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，為建筑工程前期設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制提供助力支持，以確保建筑體在建成投用后具備理想的穩(wěn)定性與安全性。

1 建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性影響因素

通過經(jīng)驗(yàn)分析與學(xué)術(shù)界研究可發(fā)現(xiàn)，基于構(gòu)成要素、應(yīng)用功能、施工場景的復(fù)雜性特點(diǎn)，建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性會受多種因素影響，并以如下幾點(diǎn)最為關(guān)鍵：

1.1 受力分布會對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響

從本質(zhì)上講，鋼結(jié)構(gòu)就是一種復(fù)雜的承力框架，其既要承擔(dān)建筑體本身的自重力，還需要承擔(dān)剪切力、沖擊力等其他內(nèi)外應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上，一旦鋼結(jié)構(gòu)的受力分布不夠合理，將會引發(fā)多源性的失穩(wěn)現(xiàn)象。例如，鋼結(jié)構(gòu)的框架體系具有很強(qiáng)嚴(yán)謹(jǐn)性，各分支點(diǎn)在高程、間距等參數(shù)上都應(yīng)保證相互匹配。此時(shí)，一旦某個(gè)或多個(gè)立桿、立柱、橫梁等構(gòu)件因應(yīng)力作用而發(fā)生彎曲，或相同參數(shù)規(guī)格的構(gòu)件長短不一、粗細(xì)不均，將直接導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)分支點(diǎn)的異常變化，繼而破壞鋼結(jié)構(gòu)整體的受力平衡，引發(fā)相應(yīng)的失穩(wěn)現(xiàn)象。再如，若相關(guān)人員只注重局部設(shè)計(jì)而未考慮鋼結(jié)構(gòu)整體的受力均勻性，將很可能引發(fā)應(yīng)力堆積的問題出現(xiàn)。這樣一來，作用力在鋼結(jié)構(gòu)中會集中于堆積點(diǎn)進(jìn)行傳遞，進(jìn)而導(dǎo)致該點(diǎn)的鋼構(gòu)件不堪重負(fù)，發(fā)生形變、垮塌等失穩(wěn)現(xiàn)象[1]。

1.2 材料質(zhì)量會對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響

除了受力分布以外，鋼構(gòu)件材質(zhì)也是決定鋼結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能的重要指標(biāo)。通常情況下，在建筑工程的設(shè)計(jì)與施工中主要會從屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、韌性、剛性等維度入手，對鋼材料的性能進(jìn)行綜合評價(jià)，并盡量選擇性能高的類型用于鋼結(jié)構(gòu)搭建。除此之外，由于鋼結(jié)構(gòu)在施工與投用中會或直接、或間接地與外部環(huán)境發(fā)生長期接觸，會面臨水分、氣體、應(yīng)力等多種因素的侵襲影響，對其穩(wěn)定性、長壽性構(gòu)成一定威脅。所以，在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，相關(guān)人員還應(yīng)盡量提高鋼材料的耐磨性、防潮性、抗腐蝕性、抗氧化性等性能，以便進(jìn)一步保證鋼結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。

1.3 施工工藝會對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響

現(xiàn)階段，業(yè)內(nèi)普遍應(yīng)用的建筑鋼結(jié)構(gòu)連接方式主要有三種，即焊縫連接、螺栓連接與鉚釘連接。在這些連接方式的設(shè)計(jì)與實(shí)踐中，相關(guān)人員均應(yīng)做好工藝上的精準(zhǔn)把控。若連接方式與材料性能、承力需求存在偏離，或焊接程序、螺栓型號、鉚釘分布等設(shè)計(jì)不甚合理，將會造成構(gòu)件連接質(zhì)量的大幅削弱，形成相應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。此外，在確定連接工藝后，如果后續(xù)施工活動缺乏嚴(yán)格的工藝標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)程序作為約束與導(dǎo)向，也可能引發(fā)虛焊、過焊、螺栓未旋緊等問題，對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定型設(shè)計(jì)的落實(shí)質(zhì)量造成削弱。

1.4 施工環(huán)境會對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響

建筑工程所處施工環(huán)境的整體條件存在很強(qiáng)波動性與特殊性，其對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響作用也不甚相同。例如，當(dāng)某施工場地的土壤質(zhì)地過于疏松、細(xì)軟時(shí)，若相關(guān)人員未做好基礎(chǔ)部分的強(qiáng)化設(shè)計(jì)，很可能致使鋼結(jié)構(gòu)在施工、投用中受到下方土地的沉降影響，降低鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的維持與保障能力。再如，不同地區(qū)地震災(zāi)害的發(fā)生頻次與作用強(qiáng)度不甚相同，因此其對建筑體抗震等級的要求也存在一定差異。在此背景下，若相關(guān)人員未在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮到抗震方面的實(shí)際需求，也會對鋼結(jié)構(gòu)施工與投用的穩(wěn)定水平產(chǎn)生負(fù)面影響，降低設(shè)計(jì)成果的合理性與長效性。

2 建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性保障原則

2.1 系統(tǒng)化原則

在建筑工程的前期設(shè)計(jì)實(shí)踐中，相關(guān)人員必須要堅(jiān)持系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)原則，既要將鋼結(jié)構(gòu)的受力體系視為一個(gè)整體系統(tǒng)，嚴(yán)格保證鋼結(jié)構(gòu)各部位受力分布的協(xié)調(diào)性，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力傳遞與作用的相對均衡。同時(shí)，也要做好材料、工藝、結(jié)構(gòu)等要素的統(tǒng)籌兼顧，在最大限度避免各要素的選用沖突。例如，依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2017）的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，用于焊接的鋼材料含碳量不應(yīng)超過0.2%。究其原因，主要是含碳量過高會導(dǎo)致鋼材塑性下降，進(jìn)而降低焊接質(zhì)量，不利于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的有效保障[2]。

2.2 精細(xì)化原則

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，相關(guān)人員既要從系統(tǒng)整體出發(fā)，對鋼結(jié)構(gòu)的受力分布、要素配合提起重視，也要堅(jiān)持精細(xì)化原則，對不同結(jié)構(gòu)部位、不同設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的具體情況加強(qiáng)關(guān)注。例如，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)受到應(yīng)力侵襲并形成實(shí)質(zhì)性損傷時(shí)，若受損部位為梁部，則屬于局部性的破壞，對鋼結(jié)構(gòu)整體的影響相對較低；若受損部位為柱部，則屬于支撐性的破壞，極有可能對鋼結(jié)構(gòu)的整體安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響，引發(fā)大規(guī)模的垮塌事故。所以，在設(shè)計(jì)實(shí)踐時(shí)，相關(guān)人員必須要考慮到梁與柱兩種主要部位的重要性差異，進(jìn)而制定出“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)方案，以提高鋼結(jié)構(gòu)中柱部的“相對安全性”，降低建筑體在地震、沖擊等強(qiáng)烈應(yīng)力作用下的倒塌概率。此外，在計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)受力參數(shù)、選擇鋼結(jié)構(gòu)材料規(guī)格、設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)搭建形狀等工作中，相關(guān)人員也應(yīng)嚴(yán)格做到精細(xì)化、精準(zhǔn)化，全面遵循《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2017）、《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 99—2015）、《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)程》（JGJ 82—91）等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)要求，以全面保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果的科學(xué)性、合規(guī)性。

2.3 適宜性原則

適宜性原則既表現(xiàn)為建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)與應(yīng)用場景的適宜性，也表現(xiàn)為鋼結(jié)構(gòu)投入成本與質(zhì)量需求的適宜性。一方面，相關(guān)人員應(yīng)根據(jù)具體的環(huán)境質(zhì)量、區(qū)域特點(diǎn)，對鋼結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)抗震性能進(jìn)行針對化設(shè)計(jì)，并盡可能做到“小震不壞，中震可修，大震不倒”。例如，阻尼比這一鋼結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的設(shè)計(jì)運(yùn)算方面，我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）中做出了如下規(guī)定：在施工環(huán)境多發(fā)地震的情況下，若鋼結(jié)構(gòu)高度未超過50m，則阻尼比可選0.04。若鋼結(jié)構(gòu)高度在50～200m 之間，則阻尼比可選0.03。若鋼結(jié)構(gòu)高度超過200m，則阻尼比應(yīng)選為0.02；在施工環(huán)境罕有地震的情況下，鋼結(jié)構(gòu)彈塑性分析中的阻尼比可選0.05。另一方面，相關(guān)人員在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡量做到“夠用為度”，而不是盲目追求鋼材料的優(yōu)質(zhì)性與連接工藝的先進(jìn)性。這樣一來，可在保證鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性符合建筑工程要求的前提下，從源頭上提高施工活動的成本控制質(zhì)量，為相關(guān)單位經(jīng)濟(jì)效益的保障提供有力支持。

3 建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性把控要點(diǎn)

在建筑工程中，要想做好鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的有效把控，應(yīng)落實(shí)好以下幾方面：

首先，做好參數(shù)、材料、工藝等方面的科學(xué)把控，全面保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)質(zhì)量。在參數(shù)方面，相關(guān)人員可做好靜力法、動力法等運(yùn)算方法的靈活運(yùn)用，基于建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)的具體受力條件建立平衡微分方程，明確常規(guī)狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)整體與局部的臨界負(fù)荷，或?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)在不同應(yīng)力干擾條件下的荷載變化進(jìn)行計(jì)算，以此得出鋼結(jié)構(gòu)的極限荷載值與塑性形變值，進(jìn)而對鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能需求進(jìn)行設(shè)計(jì)滿足。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)人員再對鋼材、連接件等的型號、規(guī)格、力學(xué)性能等進(jìn)行適宜性選用，并做好招標(biāo)采購、進(jìn)場檢驗(yàn)等方面的支持工作，以確保鋼結(jié)構(gòu)的硬件質(zhì)量達(dá)到理想水平。在工藝方面，相關(guān)人員則應(yīng)做好焊縫連接與高強(qiáng)度螺栓連接的綜合應(yīng)用，并配合管理人員制定出焊接時(shí)間、焊接方式、螺栓加固等方面的施工標(biāo)準(zhǔn)、施工程序，從而達(dá)成鋼結(jié)構(gòu)各穩(wěn)定性要素的有機(jī)協(xié)調(diào)[3]。

其次，在保證鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)質(zhì)量的同時(shí)，還應(yīng)在設(shè)計(jì)層面著力提高鋼結(jié)構(gòu)的綜合性。從目前來看，要想強(qiáng)化鋼材料、鋼結(jié)構(gòu)的長壽性與穩(wěn)定性，應(yīng)保證其具備良好的防銹、防水、防腐、防火等抗性，在實(shí)踐中可主要通過外部涂裝的方式實(shí)現(xiàn)。此外，在正式開展防火涂料、防水涂料、防腐涂料等保護(hù)材料的涂裝之前，相關(guān)人員首先應(yīng)做好鋼結(jié)構(gòu)表面的除銹清污工作，以避免涂層與鋼結(jié)構(gòu)主體之間留有雜質(zhì)，形成一定的腐蝕隱患。

最后，可在鋼結(jié)構(gòu)主體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，布置出額外性的加固手段，以此實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)受力體系的進(jìn)一步分化，或強(qiáng)化鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定支撐性能?，F(xiàn)階段，業(yè)內(nèi)常用的方法有增設(shè)預(yù)應(yīng)力拉桿、轉(zhuǎn)換撐桿式結(jié)構(gòu)等，均能達(dá)到加固鋼結(jié)構(gòu)界面承力性能、降低失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生概率的效果。

4 結(jié)論

總而言之，在建筑工程的設(shè)計(jì)施工實(shí)踐中，鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與材料質(zhì)量、受力分布、施工環(huán)境等多種因素有關(guān)。同時(shí)，在行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的支持下，鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定化設(shè)計(jì)也并非無跡可循。所以，相關(guān)人員在開展建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作時(shí)，務(wù)必要堅(jiān)持精細(xì)化、系統(tǒng)化等保障原則，并嚴(yán)格保證鋼結(jié)構(gòu)的材料優(yōu)質(zhì)、受力均衡、因地制宜，以促成鋼結(jié)構(gòu)最終設(shè)計(jì)方案的全面合理，避免因某一部分的缺陷不足而削弱鋼結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性能。