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钢结构的稳定性及设计要点丁洁

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第12期作者：丁洁

[导读] 摘要：随着城市的不断发展，各种形式的建筑逐年增加，其中混凝土结构在住宅建筑、商业建筑和部分工业建筑中普遍使用，钢结构在工业建筑中和少数商业建筑中已使用较多。

        东北大学设计研究院(有限公司) 辽宁省沈阳市 110166
        摘要：随着城市的不断发展，各种形式的建筑逐年增加，其中混凝土结构在住宅建筑、商业建筑和部分工业建筑中普遍使用，钢结构在工业建筑中和少数商业建筑中已使用较多。与混凝土结构相比，钢结构具有质轻、截面面积小、强度高等优点，但缺点是耐火性能差，会因失稳而发生事故。为减少钢结构事故发生率，钢结构建设时应对设计、原材料和施工等方面进行有效控制，其中设计是钢结构建设阶段的重要环节之一。本文基于钢结构的稳定性及设计要点展开论述。
        关键词：钢结构；稳定性；设计要点
        引言
        经济的快速发展，对建筑领域的发展也起到了良好的推动影响和作用，建筑工程项目在规划和建设过程中，不仅种类越来越多，范围也越来越广，规模越来越大。而无论是对于现代建筑物进行建设或者是针对一些公路桥梁进行规划和建设，钢结构在其中都是必不可少的重要存在。钢结构在实际应用过程中，由于其自身具有非常明显的优势特点，比如强度高，性能坚固稳定等，所以在建筑工程的项目中应用的相对比较广。
        1钢结构的概念
        钢结构是以钢材为主要原料的结构，常用于各种工程中。钢材在实际使用中有刚性好、变形能力强等特点，所以经常被用于各种工程中。钢结构满足工程力学的假设，材料韧性好，而且在变形的过程中能承受较大的荷载。在建筑工程中为了缩短工期，提升工作效率以及质量，经常会采用钢结构。在机械化的专业生产中也经常会应用钢材料，以保证设备的密封性以及精密度。
        2钢结构特性分析
        当前建筑行业所用的钢结构主要由钢板原料、冷轧薄壁钢板以及热轧钢等构成，相对于钢筋混凝土结构而言，钢结构具有自重轻、塑性好的特性。除此之外，钢结构有着优异的柔韧性，可以满足工程施工的各项技术要求，从而得到了业内的广泛认可。在钢结构建设过程中，有必要根据结构的功能要求，选择各类材料，以最高效和经济地完成建设任务。尤其是在大跨度结构的施工中，考虑到钢材的韧性和塑性性能，钢结构的优越性得到充分的应用。部分建筑物对稳定性有着很高的要求，一般来说也可优先考虑钢结构，因钢结构的应用荷载状态与理论受荷有着良好的拟合性，拥有极高的可靠性。建筑钢结构的施工过程相对简单，属于建筑装配式施工的一种，考虑到其材料种类单一，钢结构的受力体系和荷载传递往往较为明了。在相同荷载作用下，钢结构的自重远低于钢筋混凝土结构。不仅能够降低建筑结构本身的自重，还可减少建筑材料的运输费用和劳务施工费用，一定程度上降低了工程造价。相较于混凝土结构，钢结构最大的缺点是耐高温性能及耐侵蚀性能较差。当项目现场施工环境温度达到160℃以上时，钢结构的强度将会剧烈下降，从而引发结构承载力不足而失稳，有可能造成严重的事故或后果。为此，应加强对钢结构的保护，如在钢结构表面布置保温层，该方法可以有效地解决高温问题，但会增加施工建设成本。
        3钢结构设计的原则
        在进行钢结构设计时，一般要遵循以下几种原则：（1）稳定性原则。将钢结构在整体结构中布置时要对整体结构以及组成成分进行分析，使其达到稳定性的要求。现阶段大多数钢结构都是按照平面结构设计。为了保证平面结构不在平面的状态下失稳，需要从结构的整体性布置分析，平面结构的稳定性计算原则要与结构布置相同。（2）统一性原则。在统一性原则中要求计算方法与计算结构角度一致。现阶段在对单层以及多层的框架设计时，经常针对框架稳定性进行分析，一般对框架柱进行稳定性计算。要想框架稳定计算等于框架柱稳定计算，就要求在计算中使用到的柱长度系数由框架整体稳定分析而得出。（3）配合性原则。这一原则要求在进行钢结构设计时，设计构件的细部构造与构件的稳定计算相配合，满足两者之间一致性的要求。

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        4钢结构稳定性设计的关键要点
        4.1受力设计
        钢结构的一个最重要的指标就是其受力水平，在进行设计时，钢结构的承重负载能力为首先考虑的问题。钢结构一般采用T字形或者是L字形设计，这是从结构的稳定性考虑，采用这两种形状可以很好地分散建筑的整体重量，达到平衡支撑的目的。在建筑工程实践中，钢结构是建筑物外围的一种常用结构，对建筑物起到受力支撑作用。在建筑物整体设计中，钢结构的使用尽量遵循对称原则，其目的是让每个钢结构均匀地承受整个建筑物的作用力，防止个别钢结构承受压力过大或过小。钢结构不同部位的受力特点要在设计中体现出来，避免因考虑不足而出现失稳状况。最后，钢结构的具体施工操作也非常重要，现场施工人员必须按照设计图来严格执行，尽量减少施工误差，加强部门间相互配合，严格依据标准进行施工，加强细节管理。
        4.2防火设计
        钢结构的防火设计主要是通过耐火材料及防火涂料的合理选用来实现的。在钢结构防火设计中，首先要根据工程建设的防火等级及防火种类进行合理的规划布局，确定钢结构防火设计所需的材料及涂料类型，之后按照规范要求，开始耐火材料及防火涂料的选用。防火涂料的选择一般以厚度较厚、黏结强度以0.05MPa以上的材料为主，钢结构外包防火材料则以硬质的防火性板材为主。而防火涂料的选择，要按照防火指数要求合理选购及涂抹，从而优化各节点部位的防火性能，避免问题的产生。在钢材的选用上，也要注重耐火性能的检查，降低火灾对材料带来的影响，保证建筑工程质量。此外，吊顶设计也是需要重点考虑的内容。在钢结构防火设计中，可通过多种方案的对比研究，确定最终的设计方案，进而优化建筑整体防火性能。
        4.3防腐设计
        建筑物在不同的环境下使用会经历不同的自然条件侵蚀，在诸如潮湿、盐雾等特殊的使用环境下，由于金属固有的特性，容易被腐蚀，影响其稳定性。通常情况下，金属材料容易受到电化学腐蚀和化学腐蚀两种不良影响。现代材料科学针对建筑用金属的使用环境，已经开发出了针对不同环境条件的防腐蚀涂料。在较潮湿的环境中，在钢结构表面涂抹抗腐蚀涂料，可以隔绝水和空气这两个大产生金属腐蚀的因素，防止钢结构受到腐蚀。对于在高盐度环境下使用的钢结构，容易与海水中的钠离子产生电化学腐蚀，根据电化学反应原理，将金属材料成为生成物的一方，通过这种方法可以很好地解决钢结构腐蚀问题，从而保障钢结构本身的强度，实现结构的稳定性。
        4.4稳定性设计
        钢结构稳定性设计中，失稳度和整体刚度的参数确定主要是以临界压力求解法和折减系数法得出的。且在实际设计中，还要对钢材的质量进行严格检测，确保满足钢结构稳定性的设计要求。在临界值确定中，当F=Fn时，钢结构的弯曲性能趋近于零，这就需要对钢结构的稳定问题予以调整。而在弹性稳定计算中，可应用二阶分析方法完成对柔性构件变形能力的分析和掌握，且在迭加原理下，准确计算出弹性稳定值，从而加强钢结构稳定性设计的合理性。
        结束语
        加强钢结构设计的稳定性以及设计要点的分析工作是十分必要的。通过提升设计的质量，能够有效提升钢结构的稳定性，优化钢结构，提升钢结构应用的高效性。对钢结构中的构件以及节点进行详细的分析，在设计时按照施工的要求进行设计，并对钢结构进行防护的设计，以达到最终提升钢结构使用率的效果。
        参考文献
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