建筑钢结构设计中稳定性的设计策略

建筑钢结构设计中稳定性的设计策略
发布时间：2021-11-11T03:38:09.506Z 来源：《城镇建设》2021年6月第17期作者：宗思锋
[导读] 钢结构作为当下建筑结构的最主要形式，其能够有效促进建筑结构整体稳定性和承载力的提升
宗思锋
身份证号：41022119830504**** 陕西省
摘要：钢结构作为当下建筑结构的最主要形式，其能够有效促进建筑结构整体稳定性和承载力的提升。

但是在具体钢结构设计中也会出现失稳问题，严重影响建筑结构的整体安全和工程质量。

因此文章就对钢结构失稳的原因进行了分析，并提出了提高钢结构稳定性的设计策略，以供参考。

关键词：建筑；钢结构设计；稳定性
1.钢结构失稳的分类情况和产生原因
从设计角度分析钢结构的失稳问题，有针对性地加以防控，是避免类似不良现象在建筑工程设计阶段重复发生的有效措施。

钢结构失稳大致包含以下几类情况：1）分支点失稳，是由分支点结构设计不合理引发的失稳问题，钢结构的荷载是有限的，当实际荷载超过了结构的最大承载力，受力平衡被打破，钢结构稳定性就会遭到破坏。

（2）极值点失稳，在异形承载和非对称结构设计中，作为偏心受压的钢结构承载能力不足，稳定性变差，将持续发生变形，进而出现失稳问题。

（3）跃越失稳，指的是钢结构的平衡形式突然出现跳跃式的变化，如从受压变为受拉，原有平衡必将被打破，发生失稳破坏，给建筑安全造成严重威胁。

可见钢结构稳定性与否受到荷载的影响极大，需要准确计算钢结构的承载能力，对构件屈曲后性能变化趋势进行预测，加强钢结构的稳定性设计，确保达成整体性能目标。

建筑工程钢结构设计工作的不足之处主要有：1）设计人员的实地考察不到位，对于施工现场的环境因素缺乏必要了解，仅仅根据以往经验和项目资料进行钢结构的设计，极易造成钢结构的性能不佳，无法满足建筑运行要求，在
一定程度上增加了失稳问题出现的概率[1]。

（2）钢结构的稳定性设计与防腐、抗震等设计缺乏协同性，若考虑不够全面，建筑抗震性能没有达到规定要求，会诱发钢结构失稳问题，当地震来临时，建筑在短时间内迅速坍塌，用户很难顺利逃生，酿成的危害不可估量。

2建筑钢结构稳定性设计应遵循的原则
2.1确保各个层面的稳定性
钢结构设计环节涉及庞大、复杂的各项数据测试，如在前期工艺设计时，设计师需以当地环境中最大风荷载为依据，来设计钢结构的水平荷载系数。

在对钢结构进行具体测试过程中，设计师要以水平荷载系数、抗震强度系数和结构阻尼比等作为主要技术指标，设计钢结构方案。

在具体设计时，需利用计算机软件对钢结构材料进行质量检测，只有质量检测合格的钢结构材料才能被投入建筑工程建设使用中。

2.2做好剪力调整
由于现代建筑在造型美观、新颖上有了更高的追求，建筑形式从传统的垂直结构向斜柱结构发展。

斜柱具有明显的倾角，需建筑构件能够承受一定的剪力。

设计师在进行具体钢构设计时，不能为方便处理而将垂直构件简化为柱，斜柱简化为斜杆，这会对框架柱剪力调速产生不良影响。

斜柱在起着支撑水平方向荷载作用的同时，竖直方向也需承载一定的荷载，但如果忽视这一荷载，容易在设计时导致计算出来的剪力存在一定误差，从而对建筑工程钢结构的稳定性产生较大的影响。

因此在具体设计过程中，需对剪力调整给予充分的重视[2]，并能够针对建筑施工实际情况来设计不同程度的钢结构剪力，更好地增强钢结构的稳定性。

2.3注重强柱弱梁的设计
当钢结构设计较为合理时，一旦水平荷载较大或在强震发生时，塑性铰会在梁上出现，不会在柱上出现，因此通过强柱弱梁的设计来提高钢结构的抗压性，避免在大的作用力下钢结构被破坏，有利于钢结构快速恢复到变形前的形态。

在当前钢结构稳定性设计中，涉及柱、梁设计时，要对其弹塑性进行分析和具体计算，确保塑性铰出现在梁上，这样与具体的设计要求才能相符。

3.建筑工程钢结构稳定性设计策略
3.1注重钢结构的合理选型
在钢结构设计过程中，为使其稳定性得到良好保障，设计人员一定要对其结构选型加以充分注重。

（1）应遵循简单性、规整性以及对称性原则对钢结构平面进行布置，使其刚度中心和质量中心保持重合。

在地震灾害发生时，可有效避免结构扭转效应的产生，提升整体建筑结构的稳定性和安全性。

（2）应避免细腰型结构和角部重叠的布置方法，切不可将其竖向结构设置为内凸型或者是外凹型，这样才可以有效保障钢结构在竖向布置上达到一种上下贯通的效果，使其稳定性显著提升。

（3）应做好建筑工程底部的钢结构设计，建筑工程的底部钢结构应选择U字型、L字型或者是T字型结构，这样便可有效降低各种自然灾害对钢结构所产生的不利影响，提升钢结构的稳定性，确保整体建筑工程的安全。

3.2做好钢结构的受力分析
受力水平是钢结构的一个关键指标，在具体设计环节首要考虑的问题为钢结构的承重负载能力。

做好钢结构建筑的静力分析与动力分析。

静力分析主要指的是在具体设计过程中，可以通过外力的施加来让其出现细微形变，基于受力分析来构建平衡微分方程，并将水平方向的受力临界值计算出来。

动力分析主要指的是垂直方向的受力分析，在具体设计环节，通过施加外力来让其垂直方向发生振动，并对具体振动速度及变形情况进行观察，随后将其垂直方向的受力临界值计算出来。

通过受力分析可以对设计方案进行针对性的调整与改进，实现整体结构稳定性的提高。

因为钢结构的部位不同，其稳定性要求以及受力情况也有所差别。

如不动支座要防止位移，所以要求其具有较强的支撑能力。

对于钢梁架来说，不但要发挥纵向支撑的作用，还需在水平方向上避免出现扭转[3]。

所以在设计过程中需将钢结构各个部位的受力特征考虑在内，防止因为考虑不周全而导致失稳。

3.3防腐设计
钢材在长时间与空气和水分接触后容易生锈，严重削弱了钢材的性能，因此，除了需要对钢材进行防火处理之外，同时，钢材的防锈也非常关键，需要重视。

通过对钢材进行防腐设计，提升钢结构的抗腐蚀能力。

这是钢结构设计的重要工作，考虑到钢材的腐蚀会引起钢
材强度和性能的下降，需要根据建筑工程所在地区的气候、地理、水文环境，制定科学的钢材防腐计划，致力于最大程度减少施工成本，扩大建筑工程的综合效益。

钢材的防腐有永久性涂装和非永久性涂装两种，前者属于一次性工程，后者则要在施工完毕后定期对钢结构进行保养维护，二者的成本和防腐效果均有所差异。

在选择防腐涂料时，需要对比不同涂料的性能和使用效果，还要提前做好市场调研，严把涂料质量关，保证钢材的防腐性能满足建筑需求，增强钢结构的稳定性。

3.4抗震设计
地震的发生会造成结构倒塌、节点破坏、构件破坏等多种不利局面，结构倒塌主要是因为结构屈服强度系数和抗弯刚度分布不均，节点破坏是因为节点区的应力集中，焊缝存在缺陷，构件破坏则是因为支撑承受反复拉压的轴向力作用超出了屈曲临界力，都会导致钢结构失稳。

加强抗震设计是增强钢结构稳定性的重要路径，设计人员可以按照以下流程进行抗震设计：1）明确建筑工程钢结构抗震设计要求，加强建筑屋面板与屋架之间的联系，将二者连接到一起。

（2）选择合理的钢结构支撑方式，优化钢结构抗震设计方案。

（3）运用科学的抗震措施，如底部剪力法、反应谱法、时程分析法，与钢结构稳定性设计相关联，解决协同不良的问题，提升钢结构的抗震能力。

结语
总而言之，建筑工程钢结构失稳问题引发的危害相当严重，加强钢结构稳定性的设计至关重要。

本文从防腐设计、抗震设计、受力分析、钢结构选型等角度重点阐述了相关设计要点，希望能够对提高钢结构的承载力和稳定性有所助益。

参考文献
[1]王韧峰.超高层建筑钢结构深化设计管理[J].工程建设与设计，2020（22）：28–29.
[2]李中建.关于钢结构的优点及建筑钢结构设计思路的思考[J].建筑技术研究，2020，3（7）：90–91.
[3]韩冬.高层建筑结构设计问题及对策分析[J].居舍，2021（07）：97-98.。