建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中穩(wěn)定性探討

李紀(jì)果，丁國治，尹海松，安偉東，于海濱

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京100176）

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑工程的主流結(jié)構(gòu)形式之一，其在廠房、橋梁、劇院等大型建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域中均有應(yīng)用。20 世紀(jì)，受限于鋼材冶煉技術(shù)，建筑用鋼材的碳含量偏高，在韌性、耐腐蝕性方面不占優(yōu)勢，以致建筑設(shè)計(jì)行業(yè)并沒有給予鋼結(jié)構(gòu)較高的重視[1]。近些年，金屬冶煉技術(shù)有很大的發(fā)展與進(jìn)步，生產(chǎn)出大量的高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕的建筑用鋼材，使鋼結(jié)構(gòu)逐漸成為建筑行業(yè)的“新寵”。將鋼結(jié)構(gòu)用于工程建設(shè)中，能減輕建筑結(jié)構(gòu)整體自重，全面提升其安全性。但是，隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用條件的日趨復(fù)雜化對其穩(wěn)定性提出了更高的要求，故而應(yīng)持續(xù)提高鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保證建筑的使用安全。

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性概述

首先，當(dāng)前建筑領(lǐng)域中采用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成形式、材料成分等均表現(xiàn)出多樣化特征，為確保其穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)要求，應(yīng)做好結(jié)構(gòu)承載力的計(jì)算工作，客觀分析鋼結(jié)構(gòu)使用過程中的應(yīng)力分布與需求，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)科學(xué)選材，合理設(shè)計(jì)構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)等，進(jìn)而從根本上使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到保障。其次，鋼結(jié)構(gòu)作為建筑工程的常用結(jié)構(gòu)之一，設(shè)計(jì)時(shí)要整體分析建筑整體受到的載荷，確保鋼結(jié)構(gòu)使用過程中不會(huì)因承載力不夠而出現(xiàn)局部變形、塌陷等問題[2]。最后，實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，要完善各種細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，確保不同結(jié)構(gòu)之間應(yīng)力平衡，否則可能會(huì)因一個(gè)部位設(shè)計(jì)不完善而造成綜合穩(wěn)定性不達(dá)標(biāo)。

3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的原則

3.1 維持各個(gè)層面的穩(wěn)定性

因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)早期工藝設(shè)計(jì)流程復(fù)雜且操作難度高，具體設(shè)計(jì)時(shí)，要配合使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行質(zhì)檢，只有在其質(zhì)量達(dá)標(biāo)后方可用于建筑建設(shè)領(lǐng)域中。設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合結(jié)構(gòu)阻尼比、水平荷載系數(shù)等指標(biāo)的檢測值，以及本地環(huán)境的最大風(fēng)荷載、抗震系數(shù)等指標(biāo)，確保結(jié)構(gòu)有足夠強(qiáng)的抗震能力。另外，還要重視對小構(gòu)件以及連接構(gòu)件的受力分析，從而確定科學(xué)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，確保各結(jié)構(gòu)連接的穩(wěn)定性與承載力符合工程要求。

3.2 合理調(diào)整剪力

新時(shí)期下，不對稱式建筑設(shè)計(jì)逐漸成為建筑設(shè)計(jì)的潮流之一，這也是斜柱構(gòu)造廣泛用于建筑建設(shè)領(lǐng)域的主要原因。和垂直構(gòu)件相比較，斜柱傾角較大，對建筑構(gòu)件承受剪力的能力提出了較高的要求。鋼結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)過程中，一些設(shè)計(jì)者為了使設(shè)計(jì)過程便捷化，常規(guī)做法是把垂直構(gòu)件簡化為柱子，將斜柱簡化成斜桿，盡管以上設(shè)計(jì)方式不會(huì)給建筑的整體穩(wěn)定性造成負(fù)面影響，但很難實(shí)現(xiàn)對剪力的精準(zhǔn)調(diào)整。斜柱的主要作用是支撐水平方向的荷載以及部分豎向荷載，若忽視了豎向荷載，計(jì)算出的剪力值會(huì)有一定的誤差，對建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性形成負(fù)面影響[3]。為規(guī)避以上情況，設(shè)計(jì)者應(yīng)堅(jiān)持科學(xué)調(diào)整剪力的設(shè)計(jì)原則，結(jié)合施工方式靈活調(diào)整，進(jìn)而使整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到保障。

3.3 完善強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)

遵照強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)原則有助于強(qiáng)化鋼結(jié)構(gòu)的抗壓性能，進(jìn)而提升鋼結(jié)構(gòu)的承載力。為提高鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，相關(guān)人員要確保建筑構(gòu)造和測算所得結(jié)果統(tǒng)一，加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，使其符合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

4 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

4.1 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1.1 科學(xué)選型

為確保建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，首先，在結(jié)構(gòu)布置過程中，要嚴(yán)格遵循簡易、規(guī)整、對稱的原則，確保剛度中心與質(zhì)量中心重合，這樣能提高建筑的抗震性能，當(dāng)建筑建設(shè)區(qū)域發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)能較好地規(guī)避局部扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，進(jìn)而提升建筑物的安全性與穩(wěn)定性。其次，不推薦布置角部重疊或“細(xì)腰形”鋼結(jié)構(gòu)，不宜采用外凹或內(nèi)凸的縱向結(jié)構(gòu)。最后，進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)的底部構(gòu)造設(shè)計(jì)，T 形、L 形、U 形鋼結(jié)構(gòu)是常用結(jié)構(gòu)類型，對其進(jìn)行規(guī)范使用能削弱自然災(zāi)害對建筑鋼結(jié)構(gòu)造成的不良影響，進(jìn)一步提升整個(gè)建筑的穩(wěn)定性[4，5]。

4.1.2 輔助計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)

當(dāng)前，可以采用計(jì)算機(jī)輔助執(zhí)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的平面內(nèi)強(qiáng)度及綜合穩(wěn)定性的計(jì)算工作，可以依照標(biāo)高分解整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)，能顯著提升設(shè)計(jì)工作效率，進(jìn)而更加精準(zhǔn)地計(jì)算出其強(qiáng)度與穩(wěn)定性。

4.1.3 構(gòu)件設(shè)計(jì)

構(gòu)件設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)內(nèi)容，也是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素之一。首先，要嚴(yán)格依照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求選擇適宜的構(gòu)件材料，且材料要和鋼結(jié)構(gòu)的綜合應(yīng)力要求相符。其次，組裝構(gòu)件環(huán)節(jié)中，要確保結(jié)構(gòu)始終維持平衡狀態(tài)，進(jìn)而使鋼結(jié)構(gòu)得到較強(qiáng)的力學(xué)傳導(dǎo)和力學(xué)擴(kuò)散性能。最后，確保鋼材柔性結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性符合要求，將其應(yīng)用過程中出現(xiàn)的形變量對結(jié)構(gòu)造成的影響降到最低，進(jìn)而使整個(gè)建筑的建設(shè)質(zhì)量得到保障[6-9]。

4.1.4 受彎鋼構(gòu)件局部穩(wěn)定性

要提高受彎鋼構(gòu)件局部穩(wěn)定性，可以采用如下方法：

1）控制板件的寬厚比，使其能達(dá)到屈曲的極限承載能力要求，在整個(gè)構(gòu)件失效之前不會(huì)發(fā)生屈曲；

2）在整個(gè)構(gòu)件失效前允許板件屈曲，利用屈曲后的強(qiáng)度使構(gòu)件的承載力滿足要求；

3）給梁增設(shè)橫向或縱向勁肋，借此方式提高梁體局部穩(wěn)定性。

4.1.5 軸心受壓及壓彎構(gòu)件局部穩(wěn)定性

可以嘗試采用如下2 種方式：

1）調(diào)控翼緣板自由外伸寬度和厚度的比值；

2）控制腹板計(jì)算高度和厚度的比值，如果面對的受壓構(gòu)件是圓管截面，則應(yīng)嚴(yán)格控制外徑和壁厚的比值。

4.1.6 加固設(shè)計(jì)

1）加固構(gòu)件截面。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，可以嘗試把單個(gè)桿件受彎轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)個(gè)桿件受彎，分散其承擔(dān)的集中載荷，間接調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)頂端的支撐力。支座和筒支的連接處應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)，且要配合使用撐桿支撐結(jié)構(gòu)，有針對性地調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)連續(xù)結(jié)構(gòu)的位置，使預(yù)應(yīng)力拉桿能更好地承受分布界面的內(nèi)力。

2）加固處理連接位置。可以在精準(zhǔn)分析鋼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、建設(shè)要求與條件等方面的基礎(chǔ)上，應(yīng)用鉚釘、焊接、螺栓等方式加固鋼結(jié)構(gòu)的連接位置，也可以嘗試運(yùn)用混合銜接形式，使高強(qiáng)度螺栓的功能與作用充分發(fā)揮出來[5]。當(dāng)前，為提升鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可以結(jié)合建筑鋼結(jié)構(gòu)加固的原因、目的、受力狀況、構(gòu)造及現(xiàn)場施工條件等，有針對性地完善加固方案。比如，南京長江大橋的鋼桁梁早些年間應(yīng)用的聯(lián)結(jié)工藝便是采用鉚釘燒紅對正鉚孔，隨后再配合使用風(fēng)槍擠壓鉚固聯(lián)結(jié)而成的，板層數(shù)目達(dá)到9 層，板束最厚達(dá)到了180 mm，鉚釘數(shù)量高達(dá)1.5×106個(gè)，將長江大橋的數(shù)個(gè)鋼桁梁聯(lián)結(jié)在一起。

4.1.7 防火設(shè)計(jì)

既往有大量的工程實(shí)踐表明，建筑鋼結(jié)構(gòu)的耐火性不高，若建筑物外部溫度＞430 ℃，其負(fù)載能力會(huì)快速降低，對整個(gè)建筑的安全性造成負(fù)面影響。鑒于以上情況，應(yīng)有針對性地完善鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)工作。推薦選用防火性能較強(qiáng)的建材，如防火涂層厚的材料，其阻燃性較高，這是提升鋼結(jié)構(gòu)防火性能的重要措施。建設(shè)施工時(shí)，要對材料進(jìn)行阻燃和防銹處理，確保鋼結(jié)構(gòu)符合防火設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 穩(wěn)定性驗(yàn)證方法

4.2.1 分析阻尼數(shù)值

阻尼數(shù)值的分析是鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的重要內(nèi)容之一，若阻尼比始終是一個(gè)穩(wěn)定值，或者僅有小幅度變化，則說明鋼結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性[10]。建筑結(jié)構(gòu)阻尼比統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 阻尼比參數(shù)值統(tǒng)計(jì)

4.2.2 判定長細(xì)比

建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)隨構(gòu)件長細(xì)比的增加而減弱。故而，設(shè)計(jì)人員應(yīng)依照現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范，綜合多方面因素，合理確定長細(xì)比，保證建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[11]。

5 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對建筑物的質(zhì)量安全與使用壽命長短起著決定性作用，設(shè)計(jì)人員在工作中應(yīng)進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，整體分析不同結(jié)構(gòu)之間的受力關(guān)系，認(rèn)真做好鋼材的防腐、防火設(shè)計(jì)等，盡可能地消除影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的不利因素，將鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢最大化，進(jìn)而為建筑行業(yè)持續(xù)發(fā)展保駕護(hù)航。