建筑钢结构的稳定性设计方法

摘要：钢结构因其强度高、自重轻、构件标准化、工业化程度高等优点，在我国的建筑工程项目建设当中已被广泛应用，并随着相关体系的建立与重点项目的开发，钢结构已经获得了一定的发展。但在建筑钢结构的稳定性设计上还存在一定的问题，这也是工程建筑的稳定性受到影响的主要原因，因此在建筑钢结构主体稳定性的设计上，要积极采取措施，规避可能出现的问题。本文通过分析建筑钢结构稳定性设计中的影响因素，对钢结构稳定性设计的方法做了详细阐述。

关键词：钢结构；稳定性；构件；抗震；强度中图分类号：TU391文献标识码：A

前言

由于钢结构构件自身强度高，在充分利用钢构件截面面积及材料强度的情况下，往往因为构件长细比较大、稳定系数较小，使得构件因丧失稳定性而破坏整个建筑结构。在这里的稳定与强度并不是同一个范畴的概念，强度指的是应力方面的问题。稳定则是指变形方面的问题，钢结构当中的构件内部所承受的抵抗力与外部所承受的荷载两者是不平衡的，稳定性设计的关键在于在不平衡的受力当中，寻在一个相对平衡的契合点，以避免钢结构发生急剧变形，造成失稳，进而破坏建筑结构。本文将具体阐述钢结构稳定性设计中的相关要点。

建筑钢结构的优缺点

（一）建筑钢结构的优点

1、钢结构材料的抗震性高

在工程建筑中所使用的钢结构主要是由钢板、冷加工的薄型钢板或是热轧型钢等材料制作而来的，所以与混凝土制成的结构相比具有重量轻、延展性强的优点。钢构件因其良好的延展性能、使得钢结构工程具有相对较高的抗震性。

2、钢结构材料的精确度高

对于大跨度的建筑，常常采用钢结构构件，因为这种材料的结构具有较高的韧性和可塑性。如果在建筑的过程中需要较高的稳定性，那么就更应该采用这种钢结构，因为这种材料在一定范围内的应力幅度具有很强的弹性，所以如果建筑需要非常精确的施工，那么这种钢建筑在受力的情况下与工程建筑的力学计算方法比较符合，与混凝土结构相比更加精确，所以可以被广泛使用。

3、钢结构的建筑施工简便

建筑钢结构的制作过程及方法比较简便。钢材的强度和密度均比混凝土大，但在相同跨度且承受相同荷载的情况下，钢结构构件比混凝土构件的总重量要轻很多，使用钢结构建筑将有利于降低材料的运输及吊装成本。

由于钢结构构件标准化，有利于大批量的工业化生产，在工厂内标准化制作完成后现场拼接安装，将会很大程度上提高建筑的施工速度。同时，相对于混凝土结构施工中的钢筋绑扎、支模板、混凝土浇筑、养护等复杂的施工工艺来讲，钢结构建筑施工过程明显体现出了简便、效率高等优点。

（二）建筑钢结构的缺点

首先，钢材本身存在着不足，特别是在耐火性及抗腐蚀性能方面、钢材的抵抗能力均不高；因此，在建筑结构采用运用钢结构时，需要对其进行严密防护，这样一来就需要花费较高的成本。

其次，在耐热性能方面，钢结构虽然具有一定耐受能力，但如果在对其进行施工时，温度已经达到150摄氏度，则已经超过钢结构的耐受能力，进而导致其出现变形等不良状况，因此需要将隔热层作为保护手段。

再次，钢结构的强度虽然很高，但是由钢结构所制造的构件却不具备太高的强度，这是因为钢结构的构件通常以薄壁形式出现，构件的横截面积也相对较小，在施工中受到较大负荷的情况下，稳定要求以及强度要求都比较难以满足。

影响建筑钢结构稳定性的因素分析

（一）钢结构构件承载强度的影响

钢结构稳定性受到其构件承载强度的影响，其中也包括构件材料的应力强度、截面面积、截面形状特征等。整体结构的支撑力与抗扭力性能也十分重要，包括在建模设计中为了对结构进行分析所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素，所导致的理论值与实际值的差异，都是影响钢结构稳定性的重要因素，这些在稳定性设计时都是必须考虑的。

（二）轴力和弯矩的耦合效应不能正确反映

目前钢结构稳定性设计中存在的问题是大跨度结构设计中如何反映轴力和弯矩的耦合效应。一般情况下，大跨度结构设计中取一个稳定安全系数，不一定能真实的反应网壳结构的受力状态，因此，预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善的状况下，整体与局部的稳定性之间的相互作用关系也是值得研究的问题。

（三）稳定性理论不完善

对于钢结构来说，其稳定理论也不是十分完善。通常人们在设计时是从完善的角度思考，很多偶然因素并没有考虑进去，这往往对其稳定性容易造成严重的影响。在实际工程施工中，因为大部分局限于结构参数的不确定性，会引起结构响应的显著差异，所以，钢结构稳定性设计应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究，才能确保钢结构应用顺利进行。

建筑钢结构稳定性设计的相关方法

（一）建筑钢结构稳定性设计应遵循的原则

在进行钢结构设计的过程中，要综合考虑建筑的实际情况、以及在其使用过程中的一些具体的要求，以最大限度的确保所设计的钢结构可以很好的符合标准。在进行设计的过程中，应当满足稳定性和强度的前提下，最大可能的减少钢材的使用量。通过减少材料使用量而减少结构自重，从而达到在出现较大负荷的情况下，钢结构具备良好承载能力的目的。在开展施工的过程中，应当最大限度的减少不必要的安装实践和制造实践，以便可以更好的运输和维护钢结构，使得总的成本能够有效的降低。

除此之外，所设计的钢结构还应该具备一定的审美价值。

（二）设计方法

1、综合考量

在布置建筑钢结构的形式时，需要综合考量钢结构中不同组成部分所需求的稳定性、以及建筑整体稳定性能等多项内容。目前在我国设计钢结构的稳定形式时，通常将平面体系范围作为设计的出发点，例如框架结构。所以在计算钢结构平面稳定的设计值时，应确保其与计算结构构件布置的方法相同，例如在计算前者时，应考虑到是否增加计算支撑构件受力强度等。

2、计算方法

实际计算时的计算方法所依据的稳定设计简图、应与计算实体结构稳定性所依据的简图保持一致。在一般情况下，分析框架所具有的稳定性水平以及分析框架结构的工作都比较粗糙，部分建筑工程甚至不进行该项工作，仅仅是计算框架柱设计时的稳定值。因为计算杆件稳定值时所依据的模型，均为假设模型或简化模型，所以为了确保计算钢结构的稳定值符合要求，则应使计算方法所依据的稳定设计简图与计算结构稳定性水平所依据的简图保持相同。

3、钢结构住宅的平面布置要对称与规则

在设计住宅的钢结构时，应注意钢结构类型的住宅分为多层住宅与低层住宅两种，别墅为低层住宅，而公寓则为多层住宅。相关标准中提出，钢结构类型的住宅宜控制在12层以下，以满足抗压以及抗震要求。钢结构构件的布置形式直接影响着建成后建筑的抗震性能，所以在布置钢结构平面时，力求做到对称、规则布置，受力传递明确，避免在出现地震时，遭到较大的破坏。

应用计算机做辅助工具

当前，计算机设计软件技术得到了较快的发展，因此，可以在设计钢结构时，应用计算机作为辅助工具，并在计算机的帮助下完成整体稳定以及平面构件强度的计算；设计人员则只需计算结构的稳定性以及结构强度，考虑合理的结构布置及支撑设置。因此计算机的介入使得稳定性设计过程变得相对方便，工作效率也得以提高。

加固方法

目前，根据实际经验，钢结构稳定性加固的设计方式可以从改变结构计算图形、调整荷载分布形式、加大结构截面以及连接强度等几个方面着手，进一步的保证钢结构施工的稳定进行。

通常我们所说的改变钢结构计算图形的加固方法就是利用荷载分布状况、边界条件等，通过增设附加杆件和支撑点，对其施加预应力，而进一步的保证其稳定性的方式。这种方式要考虑到空间协调因素的应用，增加支撑点形成一定的空间结构，通过提高刚度和承载力的方式提高其稳定性，使之能承受大部分水平力，以减轻其它柱列的负荷，并在塔架等结构中设置拉杆或适度张紧的拉索以加强结构的刚度。

在设计中还可以采用对受弯杆件改变其界面内力的方式对钢结构进行稳定加固。例如变铰接为刚结，增加中间支座或将简支结构端部连接成为连续结构，调整连续结构的支座位置等。特别需要注意的是采用加大截面加固钢构件时，所选截面形式应有利于加固技术，并要求考虑已有缺陷和损伤等状况。

参考文献

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