建筑钢结构主体稳定性设计分析区国维

区国维

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摘要：本文对钢结构失稳的原因进行挖掘，列举几种较为常用的设计方法，包括动力法、静力平衡法、能量法，力求钢结构主体更加稳定，最后提出几点设计要点，涉及到布置与材料选择、构件截面估算、剪力调整、强柱弱梁设计等多个方面，力求通过采取科学合理的设计方法，使钢结构主体的稳定性得到显著提升。

关键词：钢结构；稳定性；主体设计

引言

在社会经济飞速发展背景下，钢结构规模与体系不断发展，工程数量与规模也不断提高。与传统建筑相比，钢结构在强度、重量、塑性、韧性等多方面具有较大优势，与我国提倡的节能减排要求充分符合。但是，在稳定性方面具有较大的设计难度，需要采取积极有效的设计方法，确保建筑的质量与安全。

1.钢结构稳定性缺失的原因

钢结构的连接方式多种多样，对建筑整体结构质量与安全具有直接影响，在设计之前应对影响其稳定性的因素进行挖掘，并对导致其失稳的原因进行分析，具体如下。

（1）分支点失稳。产生这一情况的主要因素在于没有对分支点结构进行正确的设计，导致局部稳定性受到影响，包括直杆轴心、平板受压面等等；

（2）极值点失稳。由于偏心受压构件为钢材，当极值点达到一定数值时便会出现失稳情况。在工程建设过程中，偏心受压情况较为常见，尤其是在不对称结构设计或者引入高质量附属物时，均会产生设计与实际相矛盾等情况，导致失稳问题产生；

（3）跃越失稳。此种失稳情况与上两种不尽相同，主要是指当失稳现象发生后跳跃到其他稳定状态中，简单来说，便是前两种失稳状态的综合，导致整体结构的稳定性受到不良影响，甚至对建筑安全构成严重威胁。当工程建设中出现跃越失稳时，应在第一时间进行加固处理，并结合实际情况对建筑结构进行有效调整，当其稳定性达到规定标准时，才可继续使用[1]。

（4）其他因素导致。除了上述因素以外，还可能由于腐蚀、变形、温度以及外力等因素对钢结构稳定性产生不良影响，对其造成损坏，由此产生失稳问题。

2.建筑钢结构主体稳定性设计方法

2.1动力法

在平衡状态下，如若受到外界干扰便会使钢结构受到不良影响，即便影响的因素很小也会导致钢结构产生振动。动力法是依靠动力学知识对钢结构稳定性进行分析，当系统遭受微小影响时，钢结构自身会发生一定的位移，由于位移的幅度较小，且速度较慢，可以此计算钢结构稳定性的临界荷载值。如若外力荷载小于钢结构稳定极限，则位移加速度方向与变形方向相反，此时二者的力将被相互抵消，如若此时外力消除，则外力荷载也将随之消失，位移运动也将停止；反之，如若外力荷载大于钢结构稳定极限，则位移加速度方向将与变形方向一致，二者的力相互促进，当外力消除后，运动仍会继续，钢结构也无法恢复到以往的稳定。因此，采用动力法可对振动频率为0的情况下，钢结构临界荷载进行估算。

2.2静力平衡法

该方法也被简称为平衡法，可对钢结构稳定极限荷载进行计算。在钢结构中，具有平衡分岔点，一些微小的变形结构与原本平衡状态均处于该点中，而平衡阀便是对微小变形时，钢结构受力状况进行分析，构建相应的平衡方程，最终对分岔曲荷载数值进行计算。此种方式无法准确计算出钢结构真实的稳定情况，但可在外力荷载确定的情况下，对平衡路径连接点相应临界荷载数值进行计算。

2.3能量法

此种设计法也被称为Timoshenko法，利用势能驻值条件明确临界荷载，当外部负载不超过临界荷载时，总势能达到最小状态，结构体系的位置较为稳定；当外部负载超过临界荷载时，总势能达到最大状态，结构体系的位置稳定性较差；当外部负载与临界荷载相同时，如若存在微小的位移，钢结构的稳定性即可保持不变，结构体系处于平衡状态，此时负载为临界负载，其状态也同样为临界状态。在对临界荷载计算完毕后，应根据势能定值原理，对能量平衡方程进行计算，再逐步对分岔屈曲荷载进行求解[2]。

3.建筑钢结构主体设计的要点

3.1布置与材料选择

在高层建筑钢结构选择时，应与当地实际情况相结合，在掌握工程对材料、预算相关需求的情况下，选择最为恰当的材料，对内部结构进行合理的布置，坚持因地制宜的原则进行设计。对于不同位置来说，采用的材料也存在差异，不可使用单一材料，而是要尊重结构要求的差异，使每个结构对力的需求得多充分满足，这样才可确保整体建筑强度、力度得当，钢结构的选择更加合理。

3.2构件截面估算

在结构布置完毕后，设计者应对梁祝尺寸、断面形状等进行估算和判断，包括槽钢、轧制、H型钢截面的使用等等。一般情况下，在对板件厚度进行估算时，应对截面高度、翼缘宽度、支座情况、荷载情况等进行综合考虑，严格按照建筑需求对钢梁类型、梁柱性质进行确定，并对支撑断面进行针对性设计。

3.3剪力调整问题

与以往建筑相比，当前高层建筑形式更加复杂，尤其是不对称设计深受人们的青睐，逐渐成为设计主流，在大部分建筑中均可看到斜柱的身影，与垂直构件相比，其倾斜度更加明显，在无形中增加了对构件剪力的要求。为了便于处理，在钢结构设计时往往将垂直构件用柱子替代，故而斜柱也可被看成斜杆，通常对建筑整体稳定性的影响不大，但在框架柱剪力调整时便会产生严重影响，这是由于斜柱是水平方向的支撑柱，但在竖直方向也具有一定的支撑荷载，如若忽视这一部分便会使剪力的计算数值产生较大偏差，因此设计者应注意剪力调整，与施工实际需求相结合，采用多样化剪力设计，使钢结构的稳定性得到切实保障，如图1所示。

图1钢结构连接设计

3.4强柱弱梁设计

在钢结构设计中，应注重柱与梁的整体性，确保其能够承受较大的水平荷载，在面临强震时仍然稳定可靠。钢结构的塑性铰应设置在梁上，而非柱子上，这样做可提高钢结构整体性，使其不易受到损坏，提高其抗压能力，容易恢复到初始状态。按照国家相关规定，在强柱弱梁设计时应进行弹塑性计算与分析，只有当分析结果显示塑性铰处于梁上时，才可使设计要求得到充分满足[3]。

结论

综上所述，在钢结构设计中，一旦主体结构失稳将对整体建筑质量与安全带来不利影响。因此，设计者应综合考虑钢结构稳定性的影响因素，并在设计时有效的控制和规避，采取科学有效的技术与方法，使钢结构的稳定性与工程标准充分符合。

参考文献

[1]李云飞.刍议建筑钢结构主体稳定性设计[J].中国科技投资,2017(9).

[2]王骁,孟超.建筑工程钢结构设计的稳定性分析[J].住宅与房地产,2018(24).

[3]秦智平.建筑钢结构工程设计中的要点分析[J].中小企业管理与科技,2018(2):88-88.