浅谈建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点

郭春

（山西省机电设计研究院有限公司，山西太原 030009）

0 引言

在现代建筑工程体系中，钢结构承担着框架骨骼的重要支撑作用，其前期设计的合理与否将对建筑整体质量产生极大影响。此外，若钢结构的设计方案并未满足工程力学相关要求，无法承受源自内外两方的压力负荷，还可能导致其在施工过程中发生形变崩塌，继而对施工安全、施工成本、施工效率构成威胁。所以，为了避免相关施工风险的发生，为建筑工程前期设计环节中钢结构的质量控制提供助力支持，以确保建筑体在建成投用后具备理想的稳定性与安全性。

1 建筑工程中钢结构设计的稳定性影响因素

通过经验分析与学术界研究可发现，基于构成要素、应用功能、施工场景的复杂性特点，建筑工程中钢结构设计的稳定性会受多种因素影响，并以如下几点最为关键：

1.1 受力分布会对钢结构稳定性产生影响

从本质上讲，钢结构就是一种复杂的承力框架，其既要承担建筑体本身的自重力，还需要承担剪切力、冲击力等其他内外应力。在此基础上，一旦钢结构的受力分布不够合理，将会引发多源性的失稳现象。例如，钢结构的框架体系具有很强严谨性，各分支点在高程、间距等参数上都应保证相互匹配。此时，一旦某个或多个立杆、立柱、横梁等构件因应力作用而发生弯曲，或相同参数规格的构件长短不一、粗细不均，将直接导致钢结构分支点的异常变化，继而破坏钢结构整体的受力平衡，引发相应的失稳现象。再如，若相关人员只注重局部设计而未考虑钢结构整体的受力均匀性，将很可能引发应力堆积的问题出现。这样一来，作用力在钢结构中会集中于堆积点进行传递，进而导致该点的钢构件不堪重负，发生形变、垮塌等失稳现象[1]。

1.2 材料质量会对钢结构稳定性产生影响

除了受力分布以外，钢构件材质也是决定钢结构整体力学性能的重要指标。通常情况下，在建筑工程的设计与施工中主要会从屈服强度、抗拉强度、疲劳强度、韧性、刚性等维度入手，对钢材料的性能进行综合评价，并尽量选择性能高的类型用于钢结构搭建。除此之外，由于钢结构在施工与投用中会或直接、或间接地与外部环境发生长期接触，会面临水分、气体、应力等多种因素的侵袭影响，对其稳定性、长寿性构成一定威胁。所以，在设计实践中，相关人员还应尽量提高钢材料的耐磨性、防潮性、抗腐蚀性、抗氧化性等性能，以便进一步保证钢结构的整体质量。

1.3 施工工艺会对钢结构稳定性产生影响

现阶段，业内普遍应用的建筑钢结构连接方式主要有三种，即焊缝连接、螺栓连接与铆钉连接。在这些连接方式的设计与实践中，相关人员均应做好工艺上的精准把控。若连接方式与材料性能、承力需求存在偏离，或焊接程序、螺栓型号、铆钉分布等设计不甚合理，将会造成构件连接质量的大幅削弱，形成相应的钢结构失稳风险。此外，在确定连接工艺后，如果后续施工活动缺乏严格的工艺标准、技术程序作为约束与导向，也可能引发虚焊、过焊、螺栓未旋紧等问题，对钢结构稳定型设计的落实质量造成削弱。

1.4 施工环境会对钢结构稳定性产生影响

建筑工程所处施工环境的整体条件存在很强波动性与特殊性，其对钢结构稳定性的影响作用也不甚相同。例如，当某施工场地的土壤质地过于疏松、细软时，若相关人员未做好基础部分的强化设计，很可能致使钢结构在施工、投用中受到下方土地的沉降影响，降低钢结构稳定性的维持与保障能力。再如，不同地区地震灾害的发生频次与作用强度不甚相同，因此其对建筑体抗震等级的要求也存在一定差异。在此背景下，若相关人员未在钢结构设计中考虑到抗震方面的实际需求，也会对钢结构施工与投用的稳定水平产生负面影响，降低设计成果的合理性与长效性。

2 建筑工程中钢结构设计的稳定性保障原则

2.1 系统化原则

在建筑工程的前期设计实践中，相关人员必须要坚持系统化的设计原则，既要将钢结构的受力体系视为一个整体系统，严格保证钢结构各部位受力分布的协调性，实现应力传递与作用的相对均衡。同时，也要做好材料、工艺、结构等要素的统筹兼顾，在最大限度避免各要素的选用冲突。例如，依据《钢结构设计规范》（GB 50017—2017）的标准规定，用于焊接的钢材料含碳量不应超过0.2%。究其原因，主要是含碳量过高会导致钢材塑性下降，进而降低焊接质量，不利于钢结构稳定性的有效保障[2]。

2.2 精细化原则

在钢结构设计中，相关人员既要从系统整体出发，对钢结构的受力分布、要素配合提起重视，也要坚持精细化原则，对不同结构部位、不同设计环节的具体情况加强关注。例如，当钢结构受到应力侵袭并形成实质性损伤时，若受损部位为梁部，则属于局部性的破坏，对钢结构整体的影响相对较低；若受损部位为柱部，则属于支撑性的破坏，极有可能对钢结构的整体安全产生严重影响，引发大规模的垮塌事故。所以，在设计实践时，相关人员必须要考虑到梁与柱两种主要部位的重要性差异，进而制定出“强柱弱梁”的设计方案，以提高钢结构中柱部的“相对安全性”，降低建筑体在地震、冲击等强烈应力作用下的倒塌概率。此外，在计算钢结构受力参数、选择钢结构材料规格、设计钢结构搭建形状等工作中，相关人员也应严格做到精细化、精准化，全面遵循《钢结构设计规范》（GB 50017—2017）、《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99—2015）、《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程》（JGJ 82—91）等规范标准的各项要求，以全面保证钢结构设计成果的科学性、合规性。

2.3 适宜性原则

适宜性原则既表现为建筑工程中钢结构与应用场景的适宜性，也表现为钢结构投入成本与质量需求的适宜性。一方面，相关人员应根据具体的环境质量、区域特点，对钢结构的各项抗震性能进行针对化设计，并尽可能做到“小震不坏，中震可修，大震不倒”。例如，阻尼比这一钢结构性能参数的设计运算方面，我国《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）中做出了如下规定：在施工环境多发地震的情况下，若钢结构高度未超过50m，则阻尼比可选0.04。若钢结构高度在50～200m 之间，则阻尼比可选0.03。若钢结构高度超过200m，则阻尼比应选为0.02；在施工环境罕有地震的情况下，钢结构弹塑性分析中的阻尼比可选0.05。另一方面，相关人员在设计钢结构时，应尽量做到“够用为度”，而不是盲目追求钢材料的优质性与连接工艺的先进性。这样一来，可在保证钢结构稳定性符合建筑工程要求的前提下，从源头上提高施工活动的成本控制质量，为相关单位经济效益的保障提供有力支持。

3 建筑工程中钢结构设计的稳定性把控要点

在建筑工程中，要想做好钢结构设计稳定性的有效把控，应落实好以下几方面：

首先，做好参数、材料、工艺等方面的科学把控，全面保证钢结构设计方案的基础质量。在参数方面，相关人员可做好静力法、动力法等运算方法的灵活运用，基于建筑工程中钢结构的具体受力条件建立平衡微分方程，明确常规状态下钢结构整体与局部的临界负荷，或对钢结构在不同应力干扰条件下的荷载变化进行计算，以此得出钢结构的极限荷载值与塑性形变值，进而对钢结构的力学性能需求进行设计满足。在此基础上，相关人员再对钢材、连接件等的型号、规格、力学性能等进行适宜性选用，并做好招标采购、进场检验等方面的支持工作，以确保钢结构的硬件质量达到理想水平。在工艺方面，相关人员则应做好焊缝连接与高强度螺栓连接的综合应用，并配合管理人员制定出焊接时间、焊接方式、螺栓加固等方面的施工标准、施工程序，从而达成钢结构各稳定性要素的有机协调[3]。

其次，在保证钢结构基础质量的同时，还应在设计层面着力提高钢结构的综合性。从目前来看，要想强化钢材料、钢结构的长寿性与稳定性，应保证其具备良好的防锈、防水、防腐、防火等抗性，在实践中可主要通过外部涂装的方式实现。此外，在正式开展防火涂料、防水涂料、防腐涂料等保护材料的涂装之前，相关人员首先应做好钢结构表面的除锈清污工作，以避免涂层与钢结构主体之间留有杂质，形成一定的腐蚀隐患。

最后，可在钢结构主体设计的基础上，布置出额外性的加固手段，以此实现钢结构受力体系的进一步分化，或强化钢结构的稳定支撑性能。现阶段，业内常用的方法有增设预应力拉杆、转换撑杆式结构等，均能达到加固钢结构界面承力性能、降低失稳现象发生概率的效果。

4 结论

总而言之，在建筑工程的设计施工实践中，钢结构的稳定性与材料质量、受力分布、施工环境等多种因素有关。同时，在行业经验的支持下，钢结构的稳定化设计也并非无迹可循。所以，相关人员在开展建筑钢结构的设计工作时，务必要坚持精细化、系统化等保障原则，并严格保证钢结构的材料优质、受力均衡、因地制宜，以促成钢结构最终设计方案的全面合理，避免因某一部分的缺陷不足而削弱钢结构整体的稳定性能。