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建筑钢结构设计中稳定性的设计方法研究李翔宇

发表时间：2021/4/26 来源：《基层建设》2020年第33期作者：李翔宇

[导读] 摘要：钢结构作为建筑设计中一种主要的建造形式，目前，在大型厂房、桥梁、高层建筑物设计中被广泛应用。

        新疆卓越智联工程设计有限公司新疆维吾尔自治区乌鲁木齐 830000
        摘要：钢结构作为建筑设计中一种主要的建造形式，目前，在大型厂房、桥梁、高层建筑物设计中被广泛应用。钢结构所采用的建筑钢材具有防变形、耐腐蚀、抗震以及符合环保要求等众多优点，因此能够在建筑设计领域得到广泛的应用。建筑工程采用钢结构时，其结构稳定性作为一个至关重要的指标，直接决定了建筑物的质量和使用寿命。本文结合笔者多年的建筑设计经验对建筑工程钢结构的稳定性展开讨论，已对相应问题提供参考。
        关键词：建筑钢结构；结构设计；稳定性设计
        引言
        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。要增强建筑钢结构的稳定性，就要从受力分析、连接设计以及材料性能优化等几方面入手探讨钢结构稳定性设计的方法，进一步优化钢结构工程设计方案。
        一、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。
        二、钢结构提高设计稳定性的原则
        1.稳定性原则
        钢结构设计的稳定性原则要求在进行钢结构设计绘制平面图样的阶段，要根据不同筑建物的相应要求进行钢结构平面设计图绘制，重点关注确保钢结构平面设计图中的支撑部位，确保支撑部位平面上的稳定性。钢结构平面上的稳定性，是整个钢结构整体稳定性的核心和基础，只有确保钢结构组成构件在平面上保持稳定，才能在进行之后的立体搭建过程时，避免出现个别位置失稳的状况。
        2.统一性原则
        精密的计算是进行钢结构设计的前提和基础，在设计钢结构框架时，应当依据具体框架与框架的平衡关系确定计算方法和预期参数值，这一步骤是整个钢结构设计受力计算的关键环节。但是在实践中，很多设计者会过分依赖个人经验，根据自己的经验直接进行钢结构框架的稳定计算而忽略平衡计算步骤，这种操作方法缺乏科学全面的计算数据，容易造成稳定关系计算错误，进而造成钢结构设计达不到建筑物结构强度要求，从而造成安全隐患。因此，平衡计算和稳定计算需要同时进行，二者缺一不可，并且应当达到统一。

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        3.配合性原则
        整个钢结构是由多个单一钢结构组件通过焊接、铆接、螺丝固定等连接手段组合在一起，最终形成一个大型建筑结构。因此，在钢结构设计过程中，必须考虑到各个结构部件的配合问题，不管是大部件还是小部件都需要相互配合，最终才能完美地组合成一个坚固的钢结构整体。在钢结构设计中，不能只考虑单一钢结构组件的稳定性，必须综合考虑所有组件的情况，进行精密的组合计算。各个组件只有进行完美的配合，才能实现整个结构的高度稳定，最大限度的发挥各个零部件的作用，保证结构的整体强度。
        三、钢结构设计中稳定性的设计方法
        1.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.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。
        3.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。除此之外，对钢结构不同部位的受力及稳定性要求也不同。例如，对于钢结构中不动支座的要求是防止位移，因此对于这部分的支撑能力要求较高，但是对于钢梁架，除了要起到纵向支撑作用，还需要考虑在水平位置防止其发生扭转。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。
        结束语：综上所述，钢结构的稳定性对于建筑整体的安全和使用寿命具有决定性的影响，设计人员在进行钢结构设计的过程中要进行精密计算，综合考虑零部件之间的受力关系，做好钢材防腐处理，最大限度地避免钢结构的短板，发挥钢结构的优势，从而推动建筑设计的不断进步。
        参考文献：
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        [2]樊哲琳.建筑工程项目中钢结构设计中稳定性分析[J].江西建材，2019（11）：50~51.
        [3]王海骄，王海燕.钢结构设计在房屋设计中的重要性与策略探讨[J].工程建设与设计，2019（22）：22~23.