建筑工程钢结构稳定性设计分析

(山西筑城建筑设计有限公司，山西 太原 030006)

引言

随着城市的不断发展，各种形式的建筑逐年增加，其中混凝土结构在住宅建筑、商业建筑和部分工业建筑中普遍使用，钢结构在工业建筑中和少数商业建筑中已使用较多。与混凝土结构相比，钢结构具有质轻、截面面积小、强度高等优点，但缺点是耐火性能差，会因失稳而发生事故。为减少钢结构事故发生率，钢结构建设时应对设计、原材料和施工等方面进行有效控制，其中设计是钢结构建设阶段的重要环节之一。

钢结构进行设计时，主要是对钢结构的稳定性进行验算分析，从而防止垮塌事故的发生。国内已有专家学者对钢结构稳定性设计问题提出了自己的见解。田宏[1]为提高钢结构稳定性设计水平，对设计中的诸多要点进行了分析并提出了一套行之有效的设计方案；戚乐乐等[2]着眼于建筑物的稳固性能，对设计过程中产生的问题进行了分析，并针对性地提出了解决方案。

1 钢结构特性分析

当前建筑行业所用的钢结构主要由钢板原料、冷轧薄壁钢板以及热轧钢等构成，相对于钢筋混凝土结构而言，钢结构具有自重轻、塑性好的特性。除此之外，钢结构有着优异的柔韧性，可以满足工程施工的各项技术要求，从而得到了业内的广泛认可。

在钢结构建设过程中，有必要根据结构的功能要求，选择各类材料，以最高效和经济地完成建设任务。尤其是在大跨度结构的施工中，考虑到钢材的韧性和塑性性能，钢结构的优越性得到充分的应用。部分建筑物对稳定性有着很高的要求，一般来说也可优先考虑钢结构，因钢结构的应用荷载状态与理论受荷有着良好的拟合性，拥有极高的可靠性。

建筑钢结构的施工过程相对简单，属于建筑装配式施工的一种，考虑到其材料种类单一，钢结构的受力体系和荷载传递往往较为明了。在相同荷载作用下，钢结构的自重远低于钢筋混凝土结构。不仅能够降低建筑结构本身的自重，还可减少建筑材料的运输费用和劳务施工费用，一定程度上降低了工程造价。

相较于混凝土结构，钢结构最大的缺点是耐高温性能及耐侵蚀性能较差。当项目现场施工环境温度达到160 ℃以上时，钢结构的强度将会剧烈下降，从而引发结构承载力不足而失稳，有可能造成严重的事故或后果。为此，应加强对钢结构的保护，如在钢结构表面布置保温层，该方法可以有效地解决高温问题，但会增加施工建设成本。

2 钢结构稳定性设计分析

2.1 稳定性设计的内涵

建筑物钢结构稳定性是指除了受到钢材自身重力的直接影响外，在外力作用下钢结构构件的稳定性。钢结构稳定性是在建筑处于平衡时，钢结构所能承受的最大应力，且该应力在数值上不得超过钢结构构件材料的屈服应力，在这种情况下钢结构才能达到稳定。建筑钢结构的稳定性不足通常是在外力荷载的作用下，结构内部应力超过了钢材屈服点，从而引起钢结构发生较大的变形，严重的承载力不足则会引起整体失稳而垮塌。

2.2 稳定性设计的要点

建筑钢结构进行稳定性设计时，需要紧紧围绕以下要点开展工作：

(1)进行建筑结构的整体设计时，应整体把握总体结构各方面的分布情况，不能只考虑钢结构单一方面的影响因素，从而合理有效地进行钢结构稳定性设计。

(2)选取合理的计算方法，尤其是在异形特种钢结构设计时，保证计算出的钢结构稳定性结果与工程钢结构荷载情况相对应。

设计人员在进行设计时通常会忽略对稳定性的计算，一般会选用假定法进行计算，从而达到更好的设计计算结果。因而在进行假定计算前，应充分考虑工程的各方面条件，才能保证建筑钢结构的最终稳定性计算结果不会与建筑荷载产生偏差。

钢结构稳定性设计误区在于将钢结构强度和稳定性混淆不清。在设计之初，要明确二者之间的关系，从而可有效地选用所需钢材，以提升钢结构设计的稳定性。

3 钢结构稳定性不足的原因分析

3.1 非对称结构剪力简化不当

随着人们审美观念的转变，现阶段建筑外观日新月异，个性化、异形化、复杂化的建筑设计层出不穷，非对称结构就是最为常见的异形结构之一，此类建筑建成后更易出现倾斜超标等失稳现象。一般情况下，钢结构发生倾斜的影响因素较多，而非对称结构的倾斜大多是由于最初的设计剪力简化不当造成的。相对于结构样式较为对称的建筑，非对称结构对墙体的抗剪能力提出了更高的要求。在进行钢结构稳定性验算时，因理论计算水平的限制，往往会对结构局部进行一定的简化处理，便于利用现有的计算理论进行计算与分析。在钢结构中，往往不起眼的结构力学简化计算，将会对其结构受力产生明显的影响，这是由于钢材自身的特性所决定的。因此，在进行非对称结构剪力简化时，需考虑更多的影响因素，不能照搬混凝土结构计算方案。

3.2 设计深度不足

在目前国家相关法律法规的要求下，设计行业对从业人员的水平、能力和资格提出了更高的要求。但部分设计单位的资质或结构设计人员的能力仍存在一定的欠缺，这就限制了建筑的设计水平。此外，大多数的结构设计人员均来自于高校，不可避免地产生了理论与工程间的偏差，同样也容易引起设计深度的不足。

3.3 梁柱强弱的划分不当

依据相关法律法规及行业标准，在进行建筑钢结构设计的过程中，遇到弱梁设计时，需对该梁的弹塑性进行计算和分析，并应附上具体的设计方案和相关的分析报告或计算书，此种情况是出于对梁柱间一体性的考虑。根据设计实践证明，钢结构的梁弱于柱，更能决定钢结构的塑性下限。部分钢结构设计稳定性不足的原因就在于梁柱强弱的划分不当而造成的。

4 钢结构设计的优化

在钢结构稳定性设计时，设计人员必须熟知钢结构工程设计的特点，以确保钢结构工程设计的质量。设计之前，结构设计人员应全面地分析钢结构的各构件受力特点，确保钢结构的局部稳定性满足设计要求。在设计过程中要优选最佳的设计方法，如在计算轴心压杆的稳定性时，可采用临界压力的计算方案或采用折减系数法进行计算。

在进行钢结构稳定性设计工作时，涉及到繁杂的计算内容，依靠人力计算不仅耗时耗力，还容易产生各种各样的差错与疏忽。将计算机技术和钢结构稳定性设计结合起来，使用先进的模拟计算软件，如ABAQUS、ANSYS等模拟计算软件，不仅可以缩短设计周期，同时还能得出更为精确的计算结果。

钢结构稳定性的设计方案并非是较为完善的，在施工过程中若发现了问题，如杆件受弯不足的情况，则应对设计方案进行优化，但优化过程不能由施工单位擅自更改，而是与设计单位协商，最后由设计单位出具变更通知单，方可进行下一步的施工。

5 结语

结合钢结构固有的优缺点和钢结构稳定性设计的基本理论，对钢结构稳定性设计不足的原因进行分析，给出了优化钢结构稳定性设计的方案。