张春颖
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摘 要:随着我国社会经济的发展和城市化进程的加快,越来越多的建筑工程项目投入建设,在进行工程项目建设施工的过程中,普遍的都会应用到钢结构来进行施工设计。当前,建筑结构设计人员更加关注对钢结构建筑的稳定性设计,目的就是为了延长钢结构建筑的使用寿命,保证钢结构在受到外力干扰的情况下能够通过结构设计优势使其快速的恢复到最初的平衡状态,保持受力平衡,不会发生结构形变,出现失稳情况。本文对建筑钢结构设计中稳定性的设计方法进行分析,进一步优化钢结构工程设计方案。
关键词:建筑;钢结构;稳定性设计
一、建筑钢结构的优势与缺陷分析
1.1建筑钢结构的优势
(1)抗震性能优越。之所以当前建筑钢结构得到广泛的应用,就在于建筑钢结构具有诸多传统建筑结构无可比拟的优势。首先就是建筑钢结构的抗震性能十分优越。钢结构的建筑材料具有较高的强度和硬度,同时又具有较强的柔韧性和延展性,能够满足多种建筑结构设计的需求,在遭遇地震或其他外部冲击时,钢结构能够起到一定的缓冲作用,不至于瞬间被压垮,从而提升了建筑工程的质量及安全性能。(2)精确度与可塑性较高。建筑钢结构的第二大优点就是钢结构具有较高的精确度与可塑性。一般来说,建筑钢结构相比于传统的钢筋混凝土结构其建筑灵活性较强,能够用高精度的搭建方法来完成复杂的结构设计。除此之外,由于钢结构可塑性较强,更加适合当前的大型建筑工程,因其应力幅度具有一定的弹性,能够更为科学的进行建筑结构受力分析,这样在进行大跨度结构设计时,能够有效的增强建筑的稳定性。(3)施工过程简单。建筑钢结构设计的第三大优点就是施工流程被大大简 化,能够提升工程建设效率。建筑钢结构的用料较为简单,大多都是由钢板、热轧型钢材等为材料进行制作的,其制作原材料种类单一,并且制作技术和工艺也不复杂,大大降低了建筑工程施工成本,同时在安装的过程中也只需要按照结构设计进行焊接和加固即可,大大缩短了施工建设周期。除此之外钢材料的可回收利用率高,还具有节能,减排与低碳环保的优势,更加符合现代绿色建筑设计的要求。
1.2建筑钢结构的缺陷
(1)钢材缺陷。经过多年的发展,钢材种类逐渐增加,不同钢材各具优劣势,但总体而言,导致钢材本身缺陷的原因包括原材料质量,冶炼、浇筑以及轧制等环节的控制力度。钢材缺陷类型有如下几种:①化学成分分析。钢材在制造成型的过程中,其质量会受到多种因素的影响,而化学成分就属于最为重要的一种。对钢材有益的化学成分包括碳、锰和硅,但更多的化学成分属于有害元素,由此可知,钢材在化学成分上存在先天不足。②钢材与其他材料相比,不具备良好的耐腐蚀和耐热能力,长期暴露在空气中会导致裂纹问题的发生。(2)钢结构缺陷。结合上文可知,钢材本身存在缺陷,故在运用钢材时,应采取有针对性的措施对缺陷进行控制。但控制缺陷,必然会导致制作成本的增加。缺陷控制措施有如下几种:①隔热板。对隔热板进行使用,是增强钢结构耐热能力的有效措施。据了解得知,刚结构的耐热极限为 150℃,如果超过这一数值,钢结构的稳定性就很难得到保障,隔热板可以起到保护作用,避免高温与钢结构直接接触,从而降低高温对钢结构稳定性的影响。②钢结构构件强度较小。虽然钢结构本身的强度较高,但构件的强度却与之相反,究其原因,主要是以钢结构为主的构件,其存在形式多为薄壁形,故截面积较小,承载能力不强,如果长时间受力,其质量就会受到威胁,严重时,甚至会导致建筑物塌陷。
二、建筑钢结构稳定性设计方法
2.1做好整体稳定性受力分析
建筑钢结构具有一定的优势,但同时也不可忽视钢结构本身稳定性较差的劣势,要增强建筑钢结构设计的稳定性,关键就在于做好整体受力分析。首先是工程设计人员一定要结合工程施工特点,针对具体施工环节的不同设计要求来进行稳定性分析,而不是单纯的局限于结构设计思路,在结构设计上无论是哪一部分都尽可能的采取对称性的设计方法,保证受力平衡。其次是要强化对建筑钢结构的静力分析和动力分析。静力分析主要就是指平衡受力分析,在进行钢结构设计时,通过施加外力使之发生微小形变,在受力分析的基础上建立平衡微分方程式,通过计算来得出水平方向的受力临界值。
2.2节点连接设计中的稳定性分析
以前在计算建筑钢结构的时候,设计人员出于简化设计流程的目的,一般会简化建筑钢结构的相关柱梁,如刚性连接与理想化铰接等。不过采取这种方法以后,将梁柱简化为刚性连接,因为夹角不会出现形变,因为存在缺陷。同时把结构梁柱转化为理想化铰接以后,则后期计算时梁柱将无法传递建筑钢结构的弯矩。从上述分析可知,若是把梁柱都简化成完全刚接,会减少建筑设计钢架的侧移量估计值,梁柱连接刚度估计值将变大,而若是把梁柱简化成理想铰接,会增加之后建筑钢结构计算过程中的框架侧移量,并增加梁柱连接刚度相关估测值,从而提高了建筑钢结构主体稳定承载力理论值。这样建筑物因为稳定性不高,解决方法是要认真分析建筑刚解耦股节点连接处设计,作出相应措施。
2.3 防腐设计
建筑钢结构的防腐能力有限,如果直接暴露在空气之中,会受到自然环境的侵蚀,其稳定性也会随之下降。化学腐蚀和电化学腐蚀是主要的影响因素,针对这两种腐蚀,研究人员已经研究出了抗腐蚀措施,主要是指抗腐蚀涂料,将这种涂料涂抹到钢材上,可以避免钢材与空气和水产生直接的接触。由于一部分钢结构的应用环境盐度较高,容易引发电化学腐蚀,建议设计人员将电化学反应原理作为依据,使钢金属内部结构发生变化,制成不锈钢,即可有效抵御电化学腐蚀。
2.4应用复合材料进钢材料加固设计
在对建筑钢结构进行稳定性设计时,必须要考虑到钢结构材料本身的缺陷问题。在进行钢材料加工与制作的过程中,所使用到的原料质量、配比不同也就导致生产的钢材强度和硬度不一,本身就存在普通钢材和高精度钢材这样的差异。另外由于钢材料自身的耐热性以及抗腐蚀性较弱,在使用的过程中很容易出现腐蚀而导致结构失稳。为了改善这一情况,就要在钢结构设计的过程中通过相应的复合材料来对钢材表面进行加固处理。目前普遍应用纤维增强复合材料来进行刚才表面的处理,纤维增强复合材料能够弥补钢材料本身耐热性以及耐腐蚀性较差的弱点,同时还能够分担钢结构所承受的部分荷载力,从而减少构件应力。除此之外由于纤维增强复合材料使用成本较低,方便后期进行修复和二次加固,能够极大的延长建筑钢结构的使用寿命。
2.5借鉴已有成熟设计经验
近年来技术发展速度很快,计算机技术已经非常成熟,应用也非常广泛。在建筑钢结构设计过程中,对于建筑结构、建筑平面内强度、建筑整体稳定性等进行计算时,需要通过计算机技术做出设计和计算分析。采取计算机方法以后,除了能够有有效减少设计周期以外,还能够保证工程设计效率。此外,利用计算机模拟计算建筑钢结构,从而确保最大限度减少认为计算造成的失误,保证设计更具准确性,让建筑钢结构设计更加科学与合理。同时还要积极引进国内外先进经验,结合实际情况进行设计,提升建筑钢结构的稳定性,更好的满足工程要求。
结 语:
总而言之,要增强建筑钢结构的稳定性,就要把握好稳定性设计的要点,解决建筑钢结构设计中存在的问题及缺陷,不断提高钢结构设计的专业性与科学性,进一步推动建筑钢结构的应用与普及。
参考文献:
[1]王晓亮,张俊生.建筑钢结构设计中稳定性的设计方法探讨[J]. 绿色环保建材,2020(03):78 -79.