探讨钢结构设计的稳定性原则与设计要点

关巧英 许宏成 天津东南钢结构有限公司

1 引言

在建筑工程中，钢结构建筑占据重要地位，其稳定性与建筑的后续使用安全有着极为密切的联系。基于这样的情况，为了保证钢结构建筑整体的安全性，必须要保证钢结构的稳定性。而这需要钢结构稳定性设计的支持。基于此，探究钢结构设计的稳定性原则及其设计要点具有极高的现实价值。

2 钢结构稳定性设计的特点分析

钢结构稳定性设计有以下三个特点。第一，多样性。对于钢结构来说，失稳形式多种多样（弯曲失稳垮，扭转失稳等），但其稳定性问题又普遍由受压构件失稳引起的。基于此，在受压构件的设计中，一定要保证受压构件的稳定。同时，钢结构受到形变的影响会使不受压部分转化为受压部分，因此在设计过程中对结构及局部构件的变形应严格控制。大跨度钢结构还应考虑温度对构件变形的影响；第二，相关性。这一特点主要指的是钢结构设计中不同模式的相互影响。一旦某一部分出现问题，则其他部分也会受到影响。换言之，钢结构整体与局部之间能够相互影响；第三，整体性。整体性设计的终极目标是指确保钢结构建筑在规定的使用年限内安全可靠。荷载、制造工艺、材料性能、安装方法、结构细节构造、使用环境及维护方式等多种因素决定了钢结构的整体性。

3 钢结构设计的稳定性原则分析

第一，一致性。为了保证钢结构的稳定，首先要保证计算假定要与实际情况相一致，如果计算假定与实际情况不符，荷载计算错误，节点形式选用错误等都属于设计风险，不能反映建筑物的真实受力情况，所产生的计算结果通常会相差悬殊，那么建筑物将会有安全风险。所以必须确保计算假定的正确性与准确性，并严格依照假定原则完成简化操作，否则极有可能导致失稳事故的发生。

第二，整体稳定。厂房结构的纵向稳定主要依靠结构的纵向支撑系统来保证，例如，钢柱的柱间支撑，钢屋架的上/下弦水平支撑和垂直支撑等等。因此，在实际的钢结构设计稳定性计算时，需要重点考虑支撑系统能可靠地传递结构纵向的水平荷载（包括风荷载、地震荷载、吊车荷载等等）。而对于没有支撑的钢结构建筑来说，主要是靠构件自身及其节点的刚度来保证结构的整体稳定。所以在实际的计算中，应当按照支撑系统和结构自身刚度的实际情况来保证钢结构的整体稳定性。

第三，局部稳定。换句话说，就是要在设计中保证构件本身的稳定性（构件高厚比、宽厚比，径厚比，长细比等满足规范要求）。在稳定性设计计算中，应当保证构件本身及其组成部份（杆件或板件）在荷载作用下不发生屈曲不失稳。

4 保证钢结构稳定性的设计要点探究

4.1 材料选择

在实际的设计工作中，为了最大程度的保证建筑工程钢结构的稳定性，需要选用高强度的材料。在此过程中，应重点保证选用的钢结构材料与焊接等级保持一致。在设计前，需掌握工程的实际需求、技术及质量要求等，结合对焊缝、钢材的要求完成钢材料的确定。笔者认为，应当尽可能使用具有强抗拉伸性、高屈服强度的钢材，以此确保钢结构的稳定性以及建筑工程的总体质量。另外，在材料入场前，要对钢材料进行质量检验。

4.2 结构选型

结构选型也是保证钢结构设计稳定性的重要环节，对建筑工程项目与施工整体目标的实现具有重大影响。在实际的结构选型过程中，需要把握钢结构整体的结构体系，并充分考虑力学关系，来保证结构的整体稳定。

在设计过程中，出于对钢结构稳定性的考虑，需要尽可能保证使用简单的结构形式。比如：（1）平面布置应避免平面不规则，平面布置简单、规则、对称是为了使结构的刚度中心和质量中心基本重合，这样可以避免地震时带来的扭转效应，避免扭转破坏。建筑平面不易采用角部重叠和细腰型结构布置。（2）竖向结构布置也要避免竖向不规则，竖向尽量不采用局部外凸和内部凹进去的结构形式，实现上下贯通，以此达到整体结构稳定及刚度连贯性的目的。结构的底层就是最显著的薄弱层，很多地震都是由于底部薄弱层坍塌导致房屋破坏的。就以往的工程情况来看，T型或是L型和U型为较为常见的两种结构形式，拐角处常用伸缩缝隔开，使结构分开成简单的矩形形式，避免结构不均匀带来的扭转问题，提高了钢结构的稳定性。在钢结构的设计过程中，还要注意结构的刚度中心以及结构质量中心的分布，不要离得太远，以便减少扭转。

4.3 构件设计

在这一过程中，必须要保证钢结构的实际强度不小于国家及地方标准。同时，在施工中，需结合钢结构的设计方案确定出合理的施工方案。另外，在实际的设计环节中，相关人员除了要考虑钢结构的整体性之外，还应当发挥出二阶分析法的作用。对于二阶分析法来说，其对柔性构件的稳定性保证具有重要意义，若是柔性构件发生较大的形变，产生的变形量会对结构内力产生不容忽视的影响。所以，要引入二阶分析法完成柔性构件的优化设计。

4.4 一致性设计

（1）计算方式与结构计算简图的一致。通常情况下，在展开单层或是多层框架结构的设计中，相关设计人员会对框架柱完成稳定性设计，然后对框架的整体稳定性的进行分析。在这一过程中，需要完成框架柱稳定性的计算，并明确框架柱的计算长度系数。此时，设计人员要确保设计结果满足假设条件，也就是避免局部稳定对钢结构整体稳定产生影响。

（2）稳定计算与钢结构内部构件设计的一致。确保稳定计算与钢结构内部构件设计具有一致性是钢结构稳定性设计中较为关键的步骤。在实际的设计过程中，想要提升钢结构的稳定性，就需要对不同构件提出针对性要求。基于此，在设计中也要落实差异性对待（比如梁和柱的要求不同，主梁和次梁要求不同）。

4.5 节点设计

节点设计是钢结构设计中的重要环节，其设计质量直接影响着钢结构的稳定。在地震条件下，高延性的节点设计能够降低建筑物及钢结构的损坏程度。在设计中，相关设计人员需要减少设计缺陷，根据抗震等级不同确定节点设计要求，以此增强钢结构的稳定性。

4.6 功能性设计

（1）防腐设计。为了保证防腐处理质量，需要在设计中依托具体施工要求与实际使用环境，确定使用永久性涂装或是半永久性涂装。在设计中，应重点完成钢材防腐等级的市场调查，结合不同区域、施工环境以及工程性质，确定防腐等级，并完成防腐处理方案的制定。通过这样的方式，能够保证建筑工程钢结构的防腐效果。

（2）防火设计。钢结构在火焰温度达到一定高度，会造成钢结构建筑的整体失稳垮塌。所以，必须对钢结构建筑进行防火设计。在进行建筑工程钢结构的防火设计中，要根据防火等级及钢构件位置选用相应的防火材料。就以往的工程情况来看，钢结构防火设计及材料的选择需严格依照工程项目的防护类型、防火种类、防火具体情况与要求完成。特别是在选择防火材料时，应当尽可能选择厚度以及粘结强度较高的材料，并将其填涂在节点部位。通过这样的方式，不仅能够更好完成节点部位的防火处理，还能够提升相应位置的强度，确保建筑工程钢结构整体的防火功能与防火指数。

在确定防火材料时，若是使用厚度较薄的防火材料难以满足工程项目实际的防火需求，则选用厚涂型防火材料，如果厚涂型防火材料仍旧不能满足工程实际需求，则应要求相关人员选用较高防火性能的防火材料。另外，还要保证吊顶设计中吊顶材料的防火及防腐蚀处理的效果，确保防火设计与防护等级、防火标准的内容相吻合。

5 总结

综上所述，在掌握计算假定与实际结构的一致性、整体稳定、局部稳定的前提下，通过材料选择、结构选型、构件设计、节点设计、防腐设计、防火设计的提升，结合计算方式与结构计算简图、钢结构内部构件设计的一致性保证，提升了钢结构的稳定性，促进了钢结构工程整体质量的提升。