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解析建筑钢结构设计中稳定性的设计方法

发表时间：2020/11/9 来源：《基层建设》2020年第21期作者：全纯

[导读] 摘要：随着建筑技术的不断发展，钢结构的使用也越来越广泛，各种复杂的使用条件对其稳定性提出了严峻的考验。

        佛山市顺德区顺茵绿化设计工程有限公司广东省佛山市 510000
        摘要：随着建筑技术的不断发展，钢结构的使用也越来越广泛，各种复杂的使用条件对其稳定性提出了严峻的考验。在建筑工程技术漫长的发展历程中，钢结构占据重要地位。目前，作为一种主流的建筑结构形式，被广泛应用于各类建筑设计中，尤其是在厂房、桥梁、机场、剧院、超高层等大型建筑结构中。建筑钢结构稳定性的设计需要专业的设计，以及进行多方面的考虑，在综合分析确保建筑钢结构的稳定性足够下，才能进行后续建设过程。只有保障建筑的安全性，才能不断提高我国的建筑事业稳定、可持性发展。
        关键词：建筑钢结构设计；稳定性；设计方法
        1.建筑结构中钢结构设计的重要性
        目前，建筑工程中使用的钢结构，都是将钢板经过科学合理的加工工艺制作而成，一般钢结构主要分为轻钢和重钢两种，其中轻钢具备占地面小、自重轻的特点，多被用于跨度较小的建筑工程中。而重钢则刚好相反，它的自重较大、且优势较多，比普通常钢筋混凝土结构的建筑承重性要好，因此，在大型建筑工程中使用的较为广泛。在建筑结构的设计中，钢结构的设计尤为关键，它不仅关系着整个建筑工程的质量，而且直接关系着建筑行业未来的发展。由于钢结构设计的质量和稳定性是与钢结构制造企业有着直接关系，因此，不断优化钢结构的设计尤为重要。站在建筑结构设计的角度来看，在进行设计钢结构的过程中，要求设计师具备较强的空间想象力和设计水平，它的设计难度要远大于混凝土结构的设计，要求设计师必须具有丰富的设计经验，在设计中严格按照国家相关规定，并结合建设工程的实际情况进行设计，从而确保钢结构的设计质量满足实际需求。
        2.建筑钢结构的稳定性设计原则
        强度、刚度和稳定性是三个不同的概念，强度表示结构中的材料能够承受的最大应力，刚度表示其抵抗变形的能力，失稳表示结构不再能够保持原来的平衡状态继续承受附加荷载（虽然此时最大应力达不到材料的屈服强度）。强度和稳定性代表结构的极限状态，即结构不再有继续承受荷载、抵抗进一步变形的能力，刚度到了零的状态。因此刚度这一概念对于描述结构的状态更为重要，刚度在结构性质中居第一位。为了更好的保证钢结构设计中构件的稳定性，实际设计时必须遵守建筑钢结构的稳定性设计原则，包括：①构成部分及整体框架这两个层面稳定性的差异；②剪力调整；③强柱弱梁的设计。一般都能通过这三个方面的设计来保障钢结构在施工及使用时不会产生不稳定的情况。
        2.1各个层面确保稳定性
        钢结构最明显的特点是其优良的性能。然而，这一特性使其成为优秀的设计，同时也决定了早期工程设计的复杂性。设计人员不仅要整理专业资料，还要严格把关钢结构的各项工艺标准。合格的钢结构只有在各方面达到标准后才能投入施工和使用，由于钢结构涉及的技术数据很多，包括阻尼比、水平荷载系数、抗震强度等，下面以水平荷载系数为例进行分析。建筑物必须处于良好状态，水平荷载系数为零。然而，在实际环境中很难实现，而且风荷载会在不同的水平方向上产生，因此设计人员需要根据当地的实际环境设计水平荷载系数，最终防止由于稳定系数而造成的建筑物损坏。
        2.2剪力调整问题
        剪力调整也是钢结构稳定设计中需要高度重视和重视的问题。这主要是因为随着我国经济水平和技术水平的不断提高，建筑层数越来越高，建筑形式也越来越复杂。斜柱或不对称结构等异形结构的频率很高，这无疑对建筑的稳定性提出了更高的要求。
        2.3强柱弱梁的设计
        强柱弱梁注重的是建筑设计中柱、梁的整体性问题，这是由于钢结构在面临很大的载荷时需要塑性铰出现在梁上而不是柱子上，这样才可以确保钢结构整体在使用过程当中不会产生瞬间损坏，并且在经过一定的外力作用后还能够在很短的时间内快速恢复原始形态。国家的标准对于这些方面有比较明了的规则和条件，强柱弱梁的设计必须对其弹塑性进行计算和分析，只有满足以上要求时才能够认为其合格可用。

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        3.提高钢结构稳定性设计的有效措施
        3.1总体稳定性增加分析
        为满足当代我国建筑工程对钢结构稳定性的需要，必须要大力加强对建筑钢结构稳定性的分析力度，并且在钢结构的实际设计分析时，要散发思维，不要局限在一个单一性的结构设计思维中，要结合建筑施工的实际情况，进行钢结构设计。因不同的建筑其设计不同，因此在钢结构设计时也存在一些差异，但设计都是为了提高钢结构整体的稳定性，设计时应当多选择一些技术成熟的设计方式进行设计，比如对称性结构设计，此外还要考虑建筑的水平荷载系数、抗震系数等，进行反复的校验、对比，制定最佳、最适合的在建筑钢结构设计方案。
        3.2减小不确定性因素影响
        在钢结构稳定设计过程中，会存在一些不确定因素，影响钢结构稳定设计的质量控制。因此，在具体的设计中，可以对钢结构的力学性能进行分析，或者从大量的设计试验中选择一个更为合理的方案，从而减少不确定性因素的影响，全面提高钢结构设计的可靠性和合理性。
        3.3构建完善的预张拉结构理论体系分析
        在设计更稳定的钢结构时，应在设计中建立更完善的先张法结构理论体系。在建筑钢结构设计中，要有一套完整的先张法结构理论体系。根据理论对设计结果进行进一步分析，可以得到更准确的设计结果，使钢结构更加稳定。
        3.4重视局部与整体之间稳定性的关系
        在钢结构稳定性设计时，局部稳定性和整体稳定性之间安全系数的选择，避免依据经验来进行确定，需要在实际设计工作中高度重视局部和整体之间稳定性的关系，并针对钢结构工程的实际情况进行分析，综合考虑现场的诸多因素，以此来科学计算出具有较高可靠性的安全系数，有效的减少误差的产生，确保建筑整体具有较好的稳定性。
        3.5增加钢结构节点连接设计的稳定性分析
        既往为了节省建筑钢结构的设计流程，一般都会简化钢结构中柱梁的节点连接，将其简化成刚性连接或者一些理想性的铰接。但是，如果将钢结构梁柱连接简化为刚性连接，则容易导致夹角变形。另外，将钢结构梁柱视为理想的铰节点，钢结构梁柱在后期不会传递钢结构的弯矩。因此，将梁柱连接简化为刚性连接会降低钢结构设计框架的侧向位移估计值，高估梁柱连接的刚度估算值；而将梁柱连接简化为理想的铰节点，会导致梁柱连接刚度估计过高，且评估得到的钢结构整体稳定承载力理论值过大，使得实际作为一个建筑并不那么稳定。因此，在钢结构设计中应考虑钢结构的稳定性。
        结束语：
        随着建筑工程规模的不断扩大，钢结构占据了重要的地位。目前，它作为建筑结构的主流形式，被广泛应用于各类建筑设计中，特别是厂房、桥梁、机场、剧院、超高层建筑等大型建筑结构。上个世纪，由于钢的冶炼技术不发达，建筑用钢的含碳量高，以及韧性、耐腐蚀性等缺点，钢结构在建筑设计领域没有受到重视，一度被边缘化，几乎被淘汰。近年来，随着金属冶炼技术的不断进步，高强度、高韧性和耐腐蚀的钢结构材料广泛受到建筑行业的青睐，已越来越多地应用于各种工程建设。同时，依靠结构的整体稳定性设计，可实现减轻结构重量，进一步增加了建筑作为一个整体的安全性。
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