提高钢结构设计稳定性的措施探讨

刘志强

摘 要：随着建筑行业发展，越来越多的钢结构建筑开始出现并大量使用。虽然钢结构建筑在成本以及施工效率方面有着更好的优势，但同时对于设计的要求也越来越高。设计不合理极有可能导致整个建筑结构的崩塌，造成各种安全问题。故而围绕钢结构设计稳定性展开分析，首先探讨了钢结构稳定性的主要分析机理，之后对钢结构失稳具体原因进行分析，最后给出可靠的提升钢结构设计稳定性的策略，以期对同行业者有所帮助。

关键词：钢结构;设计;稳定性

中图分类号：TU391文献标识码：A文章编号：2096-6903（2022）08-0111-03

0 引言

随着科技的发展，越来越多的建筑开始尝试使用钢结构形式[1]。和传统的建筑形式对比，钢结构建筑无论在成本管控、施工便利，以及资源节约等方面均有着突出优势。但同时也应当意识到，钢结构建筑设计现阶段依然存在着一定的问题，包括较低的设计质量、不够合理的设计方案、设计人员綜合素质水平偏低等，如若不彻底解决，势必会导致整个建筑的结构稳定性下降，更严重的会导致人员伤亡等问题出现。故而，就提高钢结构设计稳定性展开探究有着一定的现实意义[2]。

1 钢结构稳定性分析机制

业内主要将钢结构于外力影响下是不是可以立即恢复至建筑最开始的平衡形态称作钢结构的稳定性。外力作用下，建筑钢结构可能会因为结构稳定性降低，从原本的平衡状态转为新的平衡状态。在这一转换过程中，整个建筑的结构或许因此出现损坏，建筑耐用性大打折扣。一般而言，建筑钢结构在外力作用下和钢结构失稳受力情况下，所受力大多数为非线性形式的受力曲线。因此，可以明确现下建筑钢结构的分析绝大部分构建于几何非线性分析的前提下的。所以，就建筑钢结构屈曲和极限予以研究，是甄别建筑钢结构承载性的重要内容，同时也是建筑钢结构稳定性研究的重要组成部分[3]。

2 钢结构稳定性设计原则

2.1 计算策略和结构简图一致性

对单层以及多层结构设计期间，无需计算框架的稳定性，但需要分析框架柱稳定指标。在对框架柱稳定性分析期间，涉及计算长度参量，需要确立框架整个的稳定性效果。由此方能够保证最终的框架稳定分析和柱稳定分析等同。另外，如若分析策略以及结构简图不吻合，则务必就应用的计算策略予以优化，基于此确保钢结构稳定性研究的目的[4]。

2.2 构件和细部结构稳定性

实际在对传递弯矩以及不传递弯矩连接位置设计时，需要考量其刚度以及柔度指标，在对桁架连接位置进行设计时，则需要尽可能地降低杆件的偏心指标等。这些均为典型的构件的细节位置的设计。而需要对稳定性予以考量时，则对于细节方面结构的设计还有着更多的诉求，例如简支梁就抗弯强度而言，对于不动铰支座的诉求是避免移动以及支持在平面中转动，但是在对整个梁的稳定性予以分析时，支座不单单需要达到上述规定，此外还应当避免梁围着纵轴转动，支持梁于水平面内转动以及梁端截面自主翘曲。由此可见，在稳定性设计期间，组件和细节部位的稳定性分析相对复杂，但同时也十分关键。

3 钢结构失稳分析

3.1 结构设计深度不够

国内建筑设计有关管理条例已然对建筑设计岗位有了明确的要求。要求设计岗位应当具备扎实的展业基础以及相关经验。而实际情况则是国内大部分的设计机构设计方面的实力不够，设计能力也远未达到要求，部分设计岗位人员更是在设计期间因为缺少对应的项目设计经验，只是一味地学习课本内容，未有对有关理论形成系统性的认识以及经验积累，最终使得建筑钢结构设计期间深度把控不到位，影响了建筑的稳定性。

3.2 剪力调整不匀称

倾角较高无疑会对整个的建筑架构剪力提出更高的要求。国内建筑设计人员就建筑钢结构设计期间，为能够对设计精简处置，一般会把垂直结构构件精简成柱子，把倾斜协助当做斜杆，此类简化至建筑物整体层面分析，对于该建筑的稳固性方面的影响并不高[5]。而对框架柱剪力予以调整期间，可能会出现较为严重的建筑设计问题，主要是因为斜柱在这一期间不单单需要提供水平方向支持，在竖直方向给予对应的支持负荷，忽视了该方面的负荷，可能对整个建筑的剪力分析造成损害。

3.3 墙柱弱梁问题

结合长时间的研究可以得出，相对安全以及科学的钢结构设计，要求负荷在强震以及建筑组件承担水平负荷较高的情况下，其建筑钢结构内的塑性铰通常出现于梁上而不是出现于建筑钢结构柱上，此类塑性铰能够确保钢结构一体性，从而避免瞬间损坏问题，大大提高了整个的建筑整体抗压水平，此外也更能够确保建筑可以恢复至原始状态，对建筑形成可靠的保护效果。而实际情况则是，设计时常会会使这一普遍性问题，导致钢结构于之后的使用期间稳定性缺失，由此，于后期的建筑钢结构设计方面需要高度关注强柱弱梁设计内容。

此外，造成钢结构失稳的原因还包含钢结构设计方面的内容，主要有：①设计人员并未对实际施工环境进行仔细勘测和了解，只是单纯凭借以往的设计经验和工程资料来设计钢结构，使得钢结构的性能与实际建筑需求出现一定的偏差，继而导致钢结构失稳概率提升。②设计人员专业技能不足，且不具备足够的责任意识，无法严格按照相关标准要求开展钢结构设计。设计人员对钢结构失稳的产生原因也并未熟练掌握，对出现失稳的钢结构往往采取的补救措施与实际所需不符，加剧损坏了建筑结构的稳定性。③在实际工程设计中，钢结构稳定性的设计工作较为独立，并未联合防火、防腐以及抗震等要素进行设计，全面性缺失，一旦建筑抗震性与标准要求不符，则会导致钢结构出现失稳，在遇到地震时，建筑会瞬间倒塌，严重威胁到人员的生命财产安全。

4 钢结构稳定性设计办法

4.1 改良稳定性设计

就钢结构整个来说，兼具标准化还有着不小的差距。此外，中间或许会出现失稳情况，而这势必会损坏整个的构筑物架构。对此，可以大致了解到稳定性以及强度彼此的联系并不高，强度以及应力为密切联系的。对于强度的认识，处在平衡性较高的情况下的单个以及整个组件，如若承担应力处于某一程度下，它的强度极值即为钢结构整个的支撑点。另一层面，稳定性问题也需要深入性的研究，和形变的出现有着密切联系，将钢结构整个分成两个部分，处在稳定情况下，内部的抵抗性以及外部的负荷承载性保持平衡。此时，也就没有内部失稳情况出现，如若外界因素干预，基于自我稳定性，能够于短期内确定平衡点，这样也就可以最大可能地降低形变问题，从而保证整个建筑架构的安全可靠。

4.2 调整动力策略

即处在平衡情况下的结构体系，如果给予细微的荷载引发振动，结构形变以及振动加速度均和附加的细微负荷有着联系。如果负荷低于稳定极限负荷情况下，只是加速度和形变方向不一致，消除干扰，运动也随即变得静止。所以，结构平衡状态为稳定的，如果负荷高于其极限负荷的情况下，加速度以及形变方向一致，该情况下即便移除了干扰，运动也依旧存在，所以结构平衡状态为非稳定的。故而，临界情况下的负荷，即结构的屈曲负荷，它的结果基于结构主动频次为零的条件获得。

4.3 提高静力以及动力研究

静力研究即静力平衡策略，探讨细微形变的钢结构受力，构建平衡微分函数，结合系统性的分析得到最终的临界负荷。动力分析策略的主要机理为如若建筑架构系统处在平衡转台环境下，任何对于构筑物素给予的细微的影响，建筑钢结构系统均会随机出现颤动。在这样的颤动环境下，建筑钢结构形變和振动有关的加速度都和建筑钢结构的负荷之间联系紧密，如若存在负荷小于结构稳定极限负荷情况，因为加速度同形变的方向不同，所以最后会造成干扰消除，建筑钢结构从运动转成静止，建筑钢结构再度回到静止状态。结合这一机理开展分析以及设计，可以得到精准的临界载荷，保证钢结构建筑最终的稳定性。

4.4 梁柱的合理把控

梁柱理论为时下钢结构稳定性设计的重要内容组成，也是核心内容之一。钢结构设计期间，应当综合钢结构现场的实际情况、工程原料配置以及具体的工程设计方案等有关工作，科学应用梁柱理论研究钢结构设计期间的细部架构以及构件彼此的稳固、整体架构和构成部分之间的稳定水平，由此实现保证钢结构设计稳定可靠的效果。

4.5 轻型钢基础和柱脚节点控制

基础方式的选择应当结合构筑物所处区域的工程地质情况以及构筑物上端结构形式等多个层面进行总结分析。由于柱网规格较大，上端架构船只柱脚内力不大，一般为独立基础形式。如果地质环境不理想的，可综合考虑条形基础，对于不良地质情况的，可选择应用桩基础形式。一般而言，不适用片筏基础以及箱型基础。对轻钢结构基础除发作冲切以及剪切影响之外，由于有着较高的水平力，有关固接柱脚，还有着一定的弯矩影响，可能导致基础发作颠覆以及滑移受损。其他方面，当风负荷较高的情况下，轻钢结构自我重量不大，可能缺少抵御风负荷上拔力作用，继而导致基础上拔受损。为规避此类损坏出现，最为合理的方式即增加基础埋深，轻钢结构基础还应当预埋锚栓，以实现上端结构和基础的可靠连接，如果锚栓间距混凝土基础边际过近，会导致发作基础受损。所以锚栓建立边缘的距离一般不小于15 cm，如果锚栓长度过小，则可能会使得其从基础内拔出，导致基础受损，对此，相关标准也明确了锚栓锚入尺寸要求。

除此以外，对钢结构进行必要的加固处理也可以有效规避负荷分析，提高组件截面及其连接强度，规避粗在裂隙扩张等情况。通常可采取下述办法：首先，就受弯组件而言，能够结合转变它的截面方式予以加固，促使其负荷分布出现变化，例如把集总的负荷转化成多核集中负荷形式，转变端部支撑，把铰接转化成刚接形式等等，提高预应力;其次，就桁架而言，可选择下述办法提高其内里，实现加固作用。第一类，即扩充预应力杆件;第二种则是把撑杆变桁架转换为撑杆架构;第三则是提高组件的截面。进一步扩展其截面时，务必分析选定的区域需要予以一定的强化支持，并综合考量缺陷以及损伤等情况。

5 建筑钢结构设计意义

对于现代建筑钢业而言，钢结构即基于各种钢板等的可靠焊接、热轧等工艺，促使钢板转换为能够用于工程施工所需的型钢原料。建筑钢结构主要包含两类形式，即轻钢结构以及重钢结构。轻钢结构自重更低，实际占地面积也更小，大多使用在跨度不大的建筑工程方面。和轻钢结构对比，重钢的自重会更高一些。即便重钢自重明显高于轻钢，但对比传统的混凝土建筑形式，无疑有着更为突出性的优势，主要被应用于跨度较大的建筑工程之中。

钢结构设计为现代建筑钢结构工程的关键组成，同时也是重中之重。不单单会对工程项目质量造成影响，此外也会对我国建筑行业未来发展趋势形成影响。钢结构设计和钢结构制造有些密切联系，因此提高钢结构设计尤为必要。结合建筑结构设计层面分析，此类设计不单单要求建筑设计人员有着较高的小空间想象能力，此外还应当具备扎实的专业技能基础。和混凝土结构设计对比，钢结构建筑更为关注结构设计部分，同时设计难度也更高。设计人员往往需要具备多年的行业经验，并严格参照国家有关设计规范展开设计，综合建筑项目的客观施工条件，确定钢结构设计的核心要点，在保证钢结构工程总体质量的情况下，尽可能地规避钢材损耗，切实把控工程项目成本。由此可见，钢结构依然是未来建筑行业的发展方向之一，钢结构设计环节更是直接关系到工程的成败。

6 结语

由于建筑工程设计具备较强的系统性和专业性，且稳定性设计作为钢结构设计中的核心部分，需严格按照相关标准规定，联合建筑实际情况以及多方面因素，进行准确地分析设计。一旦钢结构失稳则将造成严重的后果。为此，为确保最终钢结构整个的稳定效果，在设计期间，就应当对具体的设计原则有详细的把握。对设计期间潜在的各方面问题予以深入性的研究和探讨，结合各个潜在问题给出对应的处理办法，由此方能够设计得到可靠、完整的钢结构系统。

参考文献

[1] 李贤，吕恒林，夏军武，等.提高钢结构设计原理课程教学质量的探索与实践[J].高等建筑教育，2016，25（3）：65-67.

[2] 牛吉.钢结构设计及施工图问题探析[J].四川水泥，2018（6）：99.

[3] 宋晔皓.生态建筑设计需要建立整体生态建筑观[J].建筑学报， 2001（11）：16-19.

[4] 柴昶，文双玲，张圣华.建筑钢结构设计的相关技术标准[J].钢结构，2006（2）：73-76.

[5] 陈春朝.移动机器人控制在建筑钢结构设计中的应用[J].建筑科学，2021，37（9）：179.