浅析钢结构设计要点及稳定性

林允措

摘要：钢结构因具有自重轻、强度高、工业化程度高等优点，在建筑工程中得到了广泛的应用。本文主要分析了建筑钢结构设计的注意要点及其稳定性。

关键词：钢结构；设计原则；设计要点；稳定性

引言：建筑钢结构在设计过程中要着重注意的要点很多，而稳定性是钢结构设计中突出且重要的因素，其决定了建筑钢结构的施工质量、安全性能以及使用寿命。如果钢结构的稳定性不能得到很好的保证，不仅会对建筑成本经济造成损失，更严重者将会威胁人们的生命财产安全。因此，对建筑钢结构的设计要点及其稳定性进行探索和研究具有重要的现实意义。

一、建筑钢结构的设计原则

1、钢结构设计要满足所有部分的稳定性要求。在进行钢结构设计时要从钢结构的整体受力进行综合考虑，既要满足钢结构整体稳定性，也要满足平面结构的稳定性，因此在结构之间要设置必要的支撑结构，保证结构件在平面内外都满足要求。

2、结构计算简图要与实际情况相一致。目前在进行建筑钢结构设计时，通常不针对框架而是针对框架柱进行相关分析，这种方法是建立在特定的假设以及典型的条件的基础上的，然而实际中框架的形式是多种多样的，钢结构设计时需综合考虑实际框架形式进行相关数据分析，在满足相关假设及典型条件下才能使用。

3、钢结构细节设计与结构稳定性计算相一致。钢结构细节的设计一直是设计时重点考虑的因素，例如对于是否传递弯矩的节点要进行区分，分别赋予不同的柔度及刚度以使其满足相关要求。而当涉及到稳定性时，不同的结构件又会有不同的要求，因此设计者要全面进行考虑。

二、建筑钢结构设计要点

1、正确选用钢材与焊缝质量等级。按照国内现行的相关规范要求，在钢结构的设计方案中，应明确标注钢材与焊缝质量等级。一般情况下，钢结构建筑使用的钢材要具有屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯试验及硫、磷、碳含量检测合格等特点。在抗震要求较高钢结构建筑的设计时，钢板的厚度应≥40mm，在承受沿板厚方向的较大拉力时，要保证板厚方向的截面收缩率。在钢结构设计中，焊接连接是基本的钢结构连接方法，焊缝质量的优劣直接影响到结构的整体安全。因此，必须根据结构、构件的重要性与受力性能等，合理确定焊缝的质量等级。

2、结构选型与布置。在钢结构选型与布置中，科学运用概念设计对于早期迅速、有效的进行设计方案构思、比较与选择具有较大的影響。选取的钢结构类型应易于手算、定性正确、概念清晰，尽量避免在结构分析阶段出现繁琐的运算。目前，国内常见的钢结构类型主要有：框架、轻钢、平面架、塔桅、网架、索膜等，具体选用何种钢结构型式要深入分析其不同特点与优劣势。在钢结构的内部布置中，要注意区分单层建筑与多层建筑的差异，特别是在楼层平面主梁、次梁的布置中，应注意荷载的计算，以及传递方向的设计，以保证钢结构建筑的整体稳定性、抗震性与安全性。

3、保温设计。在钢结构的保温设计中，"热桥"与"冷桥"问题是较为常见的，针对各种设计问题可以采取以下解决措施：一是进一步优化钢结构建筑保温材料的构造，不但有利于提高建筑的热环境性能，而且合理应用玻璃、硅气凝胶等新型节能墙体材料，也可以达到节能的效果；二是在保温设计中，采取外保温、中间保温的设计方案，可以有效防止因蒸汽的渗透、积累，而导致保温材料受潮的现象。

4、地基结构设计。地基结构设计是建筑结构设计的重头戏，钢结构设计也不例外。基础设计应该根据工程、水文地质条件、荷载大小及其分布情况、建筑物体型及功能要求、相邻建筑地基情况、施工条件等综合因素来考虑，选择合理的基础形式。砌体结构房屋应采用刚性基础，如素混凝土条形基础、毛石混凝土条形基础等，若基础宽度大于2.5m，需运用柔性基础，如钢筋混凝土扩展基础。当为多层内框架结构时，因无地下室、荷载较大和地基较差等原因，为增加基础的整体性，通常采用交叉梁条基。若上述基础仍不能满足基础强度要求时，需要采用筏式基础。当为剪力墙结构且无地下室或有地下室，地基较好，无防水要求时，应选用交叉条形基础，当有防水要求时，可采用箱形基础或筏板基础。

三、钢结构稳定性加固

1、改变结构计算图形。改变结构计算图形的加固方法是指采用改变荷载分布状况、传力途径、节点性质和边界条件，增设附加杆件和支撑、施加预应力、考虑空间协同工作等措施对结构进行加固的方法。

（1）对结构可采用下列增加结构或构件的刚度的方法进行加固。

（2）增加支撑形成空间结构并按空间结构验算；加设支撑增加结构刚度，或者调整结构的自振频率等以提高结构承载力和改善结构动力特性。

（3）增设支撑或辅助杆件使结构的长细比减少以提高其稳定性。

（4）在排架结构中重点加强某一列柱的刚度，使之承受大部分水平力，以减轻其它柱列负荷。

（5）在塔架等结构中设置拉杆或适度张紧的拉索以加强结构的刚度。

2、对受弯杆件可采用下列改变其截面内力的方法进行加固。

（1）改变荷载的分布，例如将一个集中荷载转化为多个集中荷载。

（2）改变端部支承情况，例如变铰接为刚结。

（3）增加中间支座或将简支结构端部连接成为连续结构。

（4）调整连续结构的支座位置。

（5）将结构变为撑杆式结构。

（6）施加预应力。

3、轴压构件的加固

（1）稳定系数中的缺陷，稳定系数中的缺陷通过等效缺陷偏心系数e来表现，而根据力学缺陷的不同来区分a，b，c，d四种截面。因此，假如结构分析中已经更精确的考虑了几何缺陷和截面焊接等缺陷，那么欧拉承载力可以直接应用于设计公式，而不再需要复杂的稳定系数。

（2）轴压下的扭转屈曲绝大部分的对称截面，和饶非对称轴的单轴对称截面，它们饶弱轴的弯曲屈曲临界力都低于扭转临界力，因此此时轴压下一般可以不用考虑扭转失稳，而"十"字型的截面例外，需要通过局部稳定来限制。

（3）轴压作用下的弯扭失稳单轴对称的截面饶对称轴总是发生弯扭屈曲，因为此时的临界力最小，稳定性差，因此需要按照规范的要求采用yz的长细比计算以考虑弯扭稳定。非对称截面则不宜用于轴压。

4、连接的加固与加固件的连接。钢结构连接方法，即焊缝、铆钉、普通螺栓和高强度螺栓连接方法的选择，应根据结构需要加固的原因、目的、受力状况、构造及施工条件，并考虑结构原有的连接方法确定。钢结构加固一般宜采用焊缝连接、摩擦型高强度螺栓连接，有依据时亦可采用焊缝和摩擦型高强度螺栓的混合连接。当采用焊缝连接时，应采用经评定认可的焊接工艺及连接材料。

四、结束语

钢结构设计的稳定性直接影响着钢结构建筑的整体质量，加强对其的研究是非常有必要的。随着钢结构的发展，对设计者的要求也越来越高，及时了解钢结构设计中出现的新问题，有助于提高设计的质量。总之，只有深入了解钢结构设计的相关知识和相关问题才能使钢结构稳定理论设计不断完善。

参考文献

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