建筑钢结构设计中稳定性的设计方法探讨

王晓亮 张俊生

1.弘艺规划建筑设计有限公司

2.大连海洋大学海洋与土木工程学院

1 前言

在建筑工程技术漫长的发展历程中，钢结构占据重要地位，目前，作为一种主流的建筑结构形式，被广泛应用于各类建筑设计中，尤其是在厂房、桥梁、机场、剧院、超高层等大型建筑结构中。在上世纪，由于钢材冶炼技术并不发达，建筑用钢材含碳量较高，其韧性和耐腐蚀性等缺点使得钢结构在建筑设计领域并不受重视，一度被边缘化，几乎淘汰。近年来，随着金属冶炼科技的不断进步，高强度、高韧性、耐腐蚀的建筑用钢材被广泛生产，钢结构又重新受到建筑设计师的青睐，被越来越多地使用在各种工程建造中，在减轻建筑物总体结构重量，提高建筑物整体安全性方面起到了积极作用。[1]随着建筑技术的不断发展，钢结构的使用也越来越广泛，各种复杂的使用条件对其稳定性提出了严峻的考验，本文将详细分析钢结构稳定性的设计在建筑工程使用的要点和原则，并总结相关经验教训。

2 钢结构的概念

钢结构顾名思义就是以钢材作为结构搭建的主要原材料，通过钢梁、钢板、钢柱等不同的钢制组件，采用焊接、铆接等连接手段进行拼接组装，进行大型建筑物搭建的建筑结构类型。钢结构以各类钢材作为主要材料，与普通混凝土等建筑材料不同，钢材具有重量轻，韧性强等特点，能够承受更大的力，因此在大中型建筑物设计中经常采用钢结构设计。钢结构构造稳定，不易变形，能够为建筑物提供良好的安全稳定性。但是，在某些特殊情况下也有可能出现钢结构失稳的情况，常见的有以下两种情况：一种是过大的压力直接作用在受力平衡点上，造成结构整体受力不均导致失稳。[2]另一种是钢结构构件由于长期使用，导致内部结构发生金属疲劳等问题，内部结构失去支撑作用，导致整体结构失稳。在进行钢结构设计之前，有必要明确这种结构的稳定性特点，才能在设计过程中有的放矢，避免结构弱点，发挥钢结构的优势，使得建筑物中的钢结构发挥更好的作用。

3 钢结构提高设计稳定性的原则

钢结构的稳定性是进行钢结构设计过程中最重要的因素，在长期的工程实践和理论研究中，工程技术人员总结出了三条提高钢结构稳定性的设计原则。

3.1 稳定性原则

钢结构设计的稳定性原则要求在进行钢结构设计绘制平面图样的阶段，要根据不同筑建物的相应要求进行钢结构平面设计图绘制，重点关注确保钢结构平面设计图中的支撑部位，确保支撑部位平面上的稳定性。钢结构平面上的稳定性，是整个钢结构整体稳定性的核心和基础，只有确保钢结构组成构件在平面上保持稳定，才能在进行之后的立体搭建过程时，避免出现个别位置失稳的状况。

3.2 统一性原则

精密的计算是进行钢结构设计的前提和基础，在设计钢结构框架时，应当依据具体框架与框架的平衡关系确定计算方法和预期参数值，这一步骤是整个钢结构设计受力计算的关键环节。但是在实践中，很多设计者会过分依赖个人经验，根据自己的经验直接进行钢结构框架的稳定计算而忽略平衡计算步骤，这种操作方法缺乏科学全面的计算数据，容易造成稳定关系计算错误，进而造成钢结构设计达不到建筑物结构强度要求，从而造成安全隐患。因此，平衡计算和稳定计算需要同时进行，二者缺一不可，并且应当达到统一。

3.3 配合性原则

整个钢结构是由多个单一钢结构组件通过焊接、铆接、螺丝固定等连接手段组合在一起，最终形成一个大型建筑结构。[3]因此，在钢结构设计过程中，必须考虑到各个结构部件的配合问题，不管是大部件还是小部件都需要相互配合，最终才能完美地组合成一个坚固的钢结构整体。在钢结构设计中，不能只考虑单一钢结构组件的稳定性，必须综合考虑所有组件的情况，进行精密的组合计算。各个组件只有进行完美的配合，才能实现整个结构的高度稳定，最大限度的发挥各个零部件的作用，保证结构的整体强度。

4 钢结构稳定性设计的关键要点

4.1 受力设计

钢结构的一个最重要的指标就是其受力水平，在进行设计时，钢结构的承重负载能力为首先考虑的问题。钢结构一般采用T 字形或者是L 字形设计，这是从结构的稳定性考虑，采用这两种形状可以很好地分散建筑的整体重量，达到平衡支撑的目的。在建筑工程实践中，钢结构是建筑物外围的一种常用结构，对建筑物起到受力支撑作用。在建筑物整体设计中，钢结构的使用尽量遵循对称原则，其目的是让每个钢结构均匀地承受整个建筑物的作用力，防止个别钢结构承受压力过大或过小。[4]除此之外，对钢结构不同部位的受力及稳定性要求也不同。例如，对于钢结构中不动支座的要求是防止位移，因此对于这部分的支撑能力要求较高，但是对于钢梁架，除了要起到纵向支撑作用，还需要考虑在水平位置防止其发生扭转。钢结构不同部位的受力特点要在设计中体现出来，避免因考虑不足而出现失稳状况。最后，钢结构的具体施工操作也非常重要，现场施工人员必须按照设计图来严格执行，尽量减少施工误差，加强部门间相互配合，严格依据标准进行施工，加强细节管理。

4.2 防腐设计

建筑物在不同的环境下使用会经历不同的自然条件侵蚀，在诸如潮湿、盐雾等特殊的使用环境下，由于金属固有的特性，容易被腐蚀，影响其稳定性。通常情况下，金属材料容易受到电化学腐蚀和化学腐蚀两种不良影响。现代材料科学针对建筑用金属的使用环境，已经开发出了针对不同环境条件的防腐蚀涂料。[5]在较潮湿的环境中，在钢结构表面涂抹抗腐蚀涂料，可以隔绝水和空气这两个大产生金属腐蚀的因素，防止钢结构受到腐蚀。对于在高盐度环境下使用的钢结构，容易与海水中的钠离子产生电化学腐蚀，根据电化学反应原理，将金属材料成为生成物的一方，通过这种方法可以很好地解决钢结构腐蚀问题，从而保障钢结构本身的强度，实现结构的稳定性。

4.3 稳定性相关设计

在钢结构设计施工的过程中，除了要完成稳定性计算，还需要加强对整个钢结构检测工作，严格的检测是确保钢结构材料合格并达到设计要求的关键环节。临界压力计算方法是预测钢结构在实际使用过程中承受压力值的常用方法，经常用于钢结构检测。[6]当钢结构承受压力的测量结果超过临界值时，证明其稳定性已经遭到破坏，需要及时调整钢结构受力设计，避免出现失稳状况。重视钢结构内部各个零件的受力分析，优化零部件受力细节，避免出现受力不均匀的问题，影响整体的结构安全。

综上所述，钢结构的稳定性对于建筑整体的安全和使用寿命具有决定性的影响，设计人员在进行钢结构设计的过程中要进行精密计算，综合考虑零部件之间的受力关系，做好钢材防腐处理，最大限度地避免钢结构的短板，发挥钢结构的优势，从而推动建筑设计的不断进步。