張榮杰

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引言

建筑行業(yè)的快速發(fā)展促使建筑中使用的技術(shù)不斷在創(chuàng)新和改變，在建筑設(shè)計(jì)方案中進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性良好，不僅能夠提升建筑物整體的質(zhì)量，同時(shí)能夠確保建筑物具有良好的防震性能，因此，建筑結(jié)構(gòu)行業(yè)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性非常重視，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的過(guò)程中，需要科學(xué)采取措施提升鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

1.1 沒(méi)有合理的設(shè)計(jì)方案

隨著時(shí)代的發(fā)展和建筑規(guī)模的擴(kuò)大，建筑工程設(shè)計(jì)使用的施工材料和施工技術(shù)也不斷在更新和優(yōu)化，在實(shí)際建筑工程設(shè)計(jì)方案中，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案還不完善，部分設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)的過(guò)程中主要是發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。例如，鋼結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)H形鋼柱或者H形鋼屋梁的形式進(jìn)行應(yīng)用，確保建筑整體的穩(wěn)定性，然而在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性過(guò)程中忽視了鋼結(jié)構(gòu)的不足。例如，鋼結(jié)構(gòu)使用的鋼材沒(méi)有較好的耐火性和耐腐蝕性，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的過(guò)程中，還需要做好嚴(yán)格的防護(hù)工作，從而確保鋼結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

1.2 設(shè)計(jì)中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的安全性缺乏考慮

在建筑工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員理念的轉(zhuǎn)變也促使鋼結(jié)構(gòu)的體系發(fā)生變化，我國(guó)雖然制定了《鋼標(biāo)》《門(mén)規(guī)》等規(guī)范要求的范文，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，部分設(shè)計(jì)人員并未充分根據(jù)國(guó)家規(guī)范要求進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣就導(dǎo)致在實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)施工中很容易出現(xiàn)安全性的細(xì)節(jié)問(wèn)題，加上部分設(shè)計(jì)人員對(duì)專(zhuān)業(yè)技術(shù)沒(méi)有熟練掌握，設(shè)計(jì)中沒(méi)有正確計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性相關(guān)的參數(shù)、限值、受力、變形等參數(shù)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致實(shí)際的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工中存在安全隱患。

1.3 設(shè)計(jì)中未充分考慮隨機(jī)因素

在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的過(guò)程中，部分設(shè)計(jì)人員并沒(méi)有將隨機(jī)因素的影響進(jìn)行考慮，最終導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性存在一些問(wèn)題。所謂的隨機(jī)因素主要包括：首先是物理和幾何層面的不確定性，因?yàn)椴牧?、截面積、初始缺陷等物理因素存在不確定性；其次是在統(tǒng)計(jì)上存在不確定性，在物理和幾何測(cè)量的過(guò)程中主要是根據(jù)有限的樣本進(jìn)行概率密度和分布函數(shù)統(tǒng)計(jì)，因?yàn)樾畔⒌娜笔?，很容易?dǎo)致統(tǒng)計(jì)方面存在不確定性；最后是模型方面存在不確定性，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要是提供假設(shè)，建立力學(xué)模型，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計(jì)，然而理論和實(shí)際的結(jié)構(gòu)承載力是存在一定的差異，因此模型的不確定性也會(huì)影響到最終鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員在實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中未考慮隨機(jī)因素也會(huì)影響到最終的設(shè)計(jì)[1]。

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到影響的因素

在建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)楦鞣N因素的影響導(dǎo)致自身沒(méi)有較好的穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致建筑物存在安全隱患，無(wú)法保障建筑物整體的安全。影響建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素主要有以下幾點(diǎn)。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)自身因素

針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)，首先影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素在于其自身，鋼結(jié)構(gòu)自身的框架或者是排架是否剛度達(dá)到要求，以及鋼結(jié)構(gòu)在水平方向支撐時(shí)的負(fù)荷強(qiáng)度是否可控，會(huì)影響到鋼結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成的屋架需要有支撐外部的負(fù)荷，地震、吊車(chē)、風(fēng)力等都會(huì)影響到鋼結(jié)構(gòu)，若是鋼結(jié)構(gòu)形成的鋼柱和屋架負(fù)荷強(qiáng)度低，將會(huì)對(duì)整體的穩(wěn)定性造成影響，為后續(xù)施工以及居住造成安全隱患。其次，鋼材的初始缺陷包含結(jié)構(gòu)整體的初始幾何缺陷和構(gòu)件的初始幾何缺陷、殘余應(yīng)力及初偏心。結(jié)構(gòu)的初始幾何缺陷包括節(jié)點(diǎn)位置的安裝偏差、桿件的初彎曲、桿件對(duì)節(jié)點(diǎn)的偏心等。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)的整體初始幾何缺陷的最大值可根據(jù)施工驗(yàn)收規(guī)范所規(guī)定的最大允許安裝偏差取值，按最低階屈曲模態(tài)分布，但由于不同的結(jié)構(gòu)形式對(duì)缺陷的敏感程度不同，所以，各規(guī)范可根據(jù)各自結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)規(guī)定其整體缺陷值。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件因素

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也與構(gòu)件桿件高厚和長(zhǎng)細(xì)比例有關(guān)，若是構(gòu)件桿件高厚和長(zhǎng)細(xì)比例不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，即使建筑物不受較大的負(fù)荷，也很容易導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形、彎曲現(xiàn)象，降低鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。建筑中鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象一般有分支點(diǎn)失穩(wěn)，極值點(diǎn)失穩(wěn)，跳躍式失穩(wěn)，設(shè)計(jì)人員在使用直接計(jì)算分析方式進(jìn)行構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比值計(jì)算和分析，得出的數(shù)值與計(jì)算長(zhǎng)度限值的規(guī)定有所不同，最終的長(zhǎng)細(xì)比限值存在一定的誤差，很容易造成最終施工使用的鋼構(gòu)件結(jié)構(gòu)存在一定的偏差，無(wú)法達(dá)到施工要求，在施工中有可能會(huì)造成一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員因素

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在不同行業(yè)的廣泛應(yīng)用，在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員也會(huì)借助計(jì)算機(jī)等設(shè)備進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和平面內(nèi)的強(qiáng)度計(jì)算，設(shè)計(jì)人員會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)平面外的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算，通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)，按照標(biāo)高分解整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)，對(duì)不同水平荷載下的多個(gè)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)計(jì)人員自身的專(zhuān)業(yè)技能和計(jì)算能力將會(huì)影響到最終的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，若是設(shè)計(jì)人員在計(jì)算和穩(wěn)定性分析中出現(xiàn)誤差，很容易導(dǎo)致整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)存在巨大的偏差，最終影響到鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和后期施工[2]。

3 建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的有效措施

在設(shè)計(jì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范嚴(yán)格進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，同時(shí)還需要將建筑工程的實(shí)際操作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)合，從而合理進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。為了能夠順利開(kāi)展建筑工程的施工作業(yè)，在設(shè)計(jì)建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的過(guò)程中應(yīng)該采取的措施有：

3.1 對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的布置和形式進(jìn)行合理確定

在鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需要從總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行布局，以整體系統(tǒng)和局部的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，充分考慮平面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，例如框架的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)平面鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，根據(jù)相關(guān)系數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)出穩(wěn)定的平面鋼結(jié)構(gòu)，若是設(shè)計(jì)的平面結(jié)構(gòu)存在不穩(wěn)定的現(xiàn)象，則需要從結(jié)構(gòu)的總體進(jìn)行分析和布局，合理設(shè)計(jì)支撐構(gòu)件，促使整個(gè)結(jié)構(gòu)整體上具有穩(wěn)定性?？傊?，在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的整體系統(tǒng)和局部框架進(jìn)行合理布局和構(gòu)件設(shè)計(jì)，從而確保設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性。

3.2 合理分析鋼結(jié)構(gòu)的受力情況

鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵指標(biāo)之一就是其受力水平，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的承重負(fù)載能力進(jìn)行考慮和分析，一般設(shè)計(jì)成L或者是T形的鋼結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，對(duì)建筑整體的重量進(jìn)行分散，平衡進(jìn)行建筑支撐。另外，在設(shè)計(jì)中還需要對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力和靜力進(jìn)行分析，前者主要是分析垂直方向的受力，在設(shè)計(jì)中需要確保通過(guò)外力施加促使鋼結(jié)構(gòu)垂直方向進(jìn)行振動(dòng)，觀察鋼結(jié)構(gòu)的變形情況以及振動(dòng)的具體速度，之后計(jì)算出鋼結(jié)構(gòu)垂直方向的受力臨界值；后者主要是在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過(guò)施加外力觀察鋼結(jié)構(gòu)細(xì)微的形變情況，在分析受力的基礎(chǔ)上進(jìn)行平衡微分方程構(gòu)建，從而計(jì)算出鋼結(jié)構(gòu)水平方向的受力臨界值。通過(guò)分析受力，可以有針對(duì)性地對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整，從而提高鋼結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性?？紤]到鋼結(jié)構(gòu)不同的部位具有不同的受力情況和穩(wěn)定性要求，所以在設(shè)計(jì)中需要具體分析受力。例如，鋼梁架在縱向和水平方向都需要分析和計(jì)算受力情況，將不同部位的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，從而確保鋼梁架具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

3.3 科學(xué)分析鋼構(gòu)件的變形問(wèn)題

在構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)的過(guò)程中需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的荷載進(jìn)行分析，鋼結(jié)構(gòu)在荷載方面具有偶然、可變、永久荷載等類(lèi)型，這些荷載類(lèi)型需要根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行分析和參考，同時(shí)在不同因素的影響下，很容易導(dǎo)致鋼構(gòu)件出現(xiàn)變形問(wèn)題，所以在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員還需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的合理性和實(shí)用性特點(diǎn)進(jìn)行考慮，在規(guī)定荷載能力范圍內(nèi)，確保建筑更加穩(wěn)固，并具有美觀性。

3.4 結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)

在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合建筑整體的圖紙和結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖，采用使用的計(jì)算方法對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而確保設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，即在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的過(guò)程中，計(jì)算是非常重要的。根據(jù)《鋼標(biāo)》中關(guān)于鋼構(gòu)件穩(wěn)定的計(jì)算方法，充分考慮影響鋼構(gòu)件穩(wěn)定的不同幀列長(zhǎng)度等因素，合理設(shè)計(jì)不同幾何規(guī)則的彎曲度，等確保最終呈現(xiàn)的鋼結(jié)構(gòu)框架具有穩(wěn)定性，按照幀穩(wěn)定性計(jì)算柱的方式對(duì)鋼構(gòu)件穩(wěn)定性進(jìn)行確定，根據(jù)計(jì)算進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)繪制。

3.5 設(shè)計(jì)中充分結(jié)合組件穩(wěn)定性計(jì)算和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要充分結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算，根據(jù)傳遞力矩和不通過(guò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，從而確保結(jié)構(gòu)具有足夠的剛性和彈性。然而在進(jìn)行穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中需要特殊考慮和設(shè)計(jì)，比如說(shuō)在進(jìn)行簡(jiǎn)支梁的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)鉸鏈軸承不僅是為了避免簡(jiǎn)支梁出現(xiàn)位移，同時(shí)也是為了確保簡(jiǎn)支梁能夠在平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所以在進(jìn)行光束穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中需要充分考慮和設(shè)計(jì)阻擋光束的縱向軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，從而確保設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)和施工要求。

3.6 設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)其他細(xì)節(jié)

在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的過(guò)程中除了要考慮鋼結(jié)構(gòu)受力、彎曲變形、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性計(jì)算等方面因素的影響，同時(shí)為了確保鋼結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性和較長(zhǎng)的使用壽命，還需要在鋼結(jié)構(gòu)上進(jìn)行其他功能的設(shè)計(jì)。

首先是要進(jìn)行防火設(shè)計(jì)，鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用中會(huì)受到溫度的影響，所以在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)人員需要到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考察，根據(jù)具體的施工情況以及周邊環(huán)境對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理設(shè)計(jì)；同時(shí)，設(shè)計(jì)人員在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的過(guò)程中需要充分考慮防火材料的性質(zhì)、鋼結(jié)構(gòu)的位置、經(jīng)濟(jì)預(yù)算、防火后鋼結(jié)構(gòu)的承重情況以及空間占據(jù)面積等因素，從而提升鋼結(jié)構(gòu)的防火性能；另外，為了確定使用負(fù)荷防火等級(jí)的鋼構(gòu)件，設(shè)計(jì)人員還需要確定建筑的防火等級(jí)，減少火災(zāi)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響，一般在鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)中會(huì)使用防火層，從而減小鋼結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，延長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間。

其次是進(jìn)行防腐蝕設(shè)計(jì)，因?yàn)槌睗褚蛩氐挠绊懀摻Y(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)檠趸霈F(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重腐蝕之后，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)縮小界面，構(gòu)件表面會(huì)出現(xiàn)銹坑，同時(shí)受力部位也會(huì)產(chǎn)生過(guò)于集中的應(yīng)力，從而縮短鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命。在實(shí)際防腐蝕設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)建筑環(huán)境進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)方案的規(guī)劃。一般在防腐蝕設(shè)計(jì)中使用的涂料具有較強(qiáng)的致密疏水性、較大電阻和較強(qiáng)的附著力，因此，在鋼結(jié)構(gòu)表面可以均勻涂抹防腐蝕涂料，從而在表面形成保護(hù)膜，增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕性[3]。

最后是要做好抗震設(shè)計(jì)，確保建設(shè)的建筑物是在堅(jiān)硬或者是中硬的場(chǎng)地施工，從而保證地震時(shí)，建筑鋼結(jié)構(gòu)具有一定的穩(wěn)定性，減少受到震害的影響；同時(shí)還需要整體進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，確保建筑鋼結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)的形狀和結(jié)構(gòu)，避免剛度中心過(guò)大偏離質(zhì)量中心；此外，根據(jù)建筑得使用性能和環(huán)境，設(shè)計(jì)人員還需要設(shè)計(jì)對(duì)稱(chēng)、均勻的鋼結(jié)構(gòu)布置，避免破壞節(jié)點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，建筑鋼結(jié)構(gòu)是建筑物整體的支撐結(jié)構(gòu)，在建筑行業(yè)中廣泛應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)，從而降低建筑的施工成本，提升建筑施工的效率，延長(zhǎng)建筑的使用壽命，同時(shí)提升建筑的穩(wěn)定性、抗震性，保證建筑整體的質(zhì)量。