李文真 孔德坤 朱海超
中机中联工程有限公司，重庆市 400039
摘要：近年来，我国经济发展十分迅速，在现阶段的建筑工程呈现多样化的趋势，为建筑钢结构设计的稳定性带来了巨大挑战。本文对建筑钢结构的设计原则进行阐述,对其设计原理、设计问题进行分析，并对建筑钢结构的稳定性设计要点及稳定性计算方法进行研究，从而得出能够提升建筑项目质量，以期为建筑企业提供借鉴，推动我国建筑行业的发展。
关键词：钢结构设计；缺陷分析；稳定性；设计要点
引言
自改革开放以来，我国社会经济飞速发展，使我国步入了经济发展的新时期，其中城市建设事业的发展尤为显著，这带动了建筑行业的快速发展，同时也给建筑行业提供了诸多良机。钢结构体系的优势非常明显，施工速度快、结构性能比较强，在建筑工程中的应用非常广泛（图1）。然而，在进行钢结构设计的时候，如果存在设计缺陷，就会影响到钢结构建筑稳定性，严重的情况下，还会产生不可挽回的损失。所以，钢结构设计中的结构稳定性和设计要点必须给予足够的重视，使钢结构的性能得以体现。
图1：上海钢结构高层建筑
1钢结构概念
钢结构顾名思义就是以钢材作为结构搭建的主要原材料，通过钢梁、钢板、钢柱等不同的钢制组件，采用焊接、铆接等连接手段进行拼接组装，进行大型建筑物搭建的建筑结构类型。钢结构以各类钢材作为主要材料，与普通混凝土等建筑材料不同，钢材具有重量轻，韧性强、施工快等特点，因此在大中型建筑物设计中经常采用钢结构。钢结构构造稳定，不易变形，能够为建筑物提供良好的安全稳定性。但是，在某些特殊情况下也有可能出现钢结构失稳的情况，常见的有以下两种情况：一种是过大的压力直接作用在受力平衡点上，造成结构受力不均导致局部失稳。另一种是钢结构构件由于长期使用，导致内部结构发生金属疲劳等问题，内部结构失去支撑作用，导致整体结构失稳。在进行钢结构设计之前，有必要明确这种结构的稳定性特点，才能在设计过程中有的放矢，避免结构弱点，发挥钢结构的优势，使得建筑物中的钢结构发挥更好的作用。
2建筑工程中钢结构稳定性设计的原则
2.1确保各个层面的稳定性
由于钢结构自身的独特性，在前期工艺设计过程中也相对复杂，在具体设计时需要利用计算机软件进行质量检测，只有质量检测合格后才能在建筑工程中进行应用。在对钢结构进行具体测试过程中，以水平荷载系数、抗震调整系数和结构阻尼比等作为主要技术指标，在实际设计中，设计师需要与当地环境中最大风荷载作为依据，以此来设计钢结构的水平荷载系数，确保各个层面都具有较好的稳定性。
2.2针对钢结构剪力进行协调设计
目前，建筑工程形态愈加复杂，不对称设计广泛存在于建筑施工中，其逐渐形成了一种建筑潮流，因此，斜柱使用频率越来越高，斜柱相较于垂直构件其具有一定的倾斜角度，想要保证建筑物稳定就必须设计一定的剪力。设计师在设计钢结构时，通常为了简便，将垂直构件表述为柱子，将斜柱表述为斜杆，这种设计方式虽然不会影响建筑物实际稳定性，但若调整剪力容易受到干扰。斜柱具有水平受力的功能，但是竖向也需要承受荷载，若设计师忽略了竖向荷载的输入，则会造成剪力误差，进而影响钢结构的稳定性。基于此，设计师在实际设计环节，结合建筑工程实际状态，若需要进行剪力设计，必须坚持剪力调整设计原则，针对具体施工状态灵活调整剪力，进而保障钢结构稳定性。剪切力在钢结构使用中相对复杂，设计中要对剪力情况进行综合分析，并做好应力调整设计。
2.3注重强柱弱梁的设计
当钢结构设计较为合理时，一旦水平荷载承受较大或是在强震发生时，塑性铰会在梁上出现，因此通过强柱弱梁的设计来提高钢结构的抗压性，避免在大的作用力下钢结构被破坏，有利于钢结构能够快速恢复到变形前的形态。在当前钢结构稳定性设计时，在具体对柱梁设计时，要对其弹塑性进行分析和具体计算，确保塑性铰出现在梁上，这样才能与具体的设计要求相符。
2.4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。[3]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。
3对于建筑项目钢结构存在缺陷的分析
3.1钢材本身具有缺陷
由于钢材的种类繁多，因此自身的缺陷就各有不同，钢材本身的质量材质主要是由冶炼制作、浇筑制作、轧制等环节中的控制力度决定的，钢材的主要缺陷有很多。（1）钢材本身化学成分的缺陷。化学成分在钢材的形成过程中具有较为重要的作用。较为常见的低碳钢材有碳、锰、硅、硫、磷、氧、氮、氢等八种主要的化学成分，在这其中碳、锰、硅等都是较为有益的元素，但是不能够超出用量；硫、磷、氧、氮、氢等都属于有害性元素，因此从这种角度来看，钢材的化学成分在制作上就存在一定的不足。（2）钢材本身的耐热能力以及耐腐蚀能力就相对较差，容易形成各种裂纹。
3.2钢结构的缺陷研究
由于钢材存在一定的缺陷，所以在建筑项目对钢结构有效运用时，就要对其采取严格的防范措施，由此一来就需要花费额外的制作成本。（1）钢结构在耐热方面，虽然具有一定的承受力，但是如果在施工的过程中温度超过150℃时，就超出了钢结构自身能够承受的能力，致使钢结构出现变形的现象，所以要采用隔热层作为其主要的保护方式。（2）钢结构自身并不具备相应的耐火性能，因此在一些建筑结构的施工中需要对其进行相应的防火保护，避免意外事故的发生。（3）钢结构的强度虽然较高，但是经钢结构制造出来的建筑构件强度相对较低，其主要的原因在于钢结构的一般以薄壁形式出现，构件的横截面积不大，在施工中一旦受力过重，其主要的稳定要求和强度要求都难以实现。
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，钢结构的承载能力为首先考虑的问题。钢结构构件一般采用T字形或者是工字形截面，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。[4]除此之外，对钢结构不同部位的受力及稳定性要求也不同。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结构选型
为使建筑钢结构拥有可靠稳定的体系，在对结构进行选型时，一方面，钢结构平面布置要遵循简单、规整、对称的原则，保证刚度中心能与质量中心重合，当发生地震时，能够有效避免结构发生不利扭转效应，从而提升建筑的安全性。另一方面，不宜采用角部重叠或细腰型钢结构布置方式，且不采用外凹或内凸的竖向结构，以此保证钢结构竖向布置能够上下贯通。此外，注意建筑钢结构的底部设计，通常会选用T型、I型、U型钢结构，降低自然灾害对建筑钢结构的影响，从而提升建筑稳定性。
4.3针对构件进行全面的科学设计
钢结构建筑设计工作中的一个重要项目就是构件设计，保证构件设计与钢结构总体应力平衡需求相符，构件的型式以及材料，甚至构件的安装方式等都必须做好应力平衡设计，以便能够提升构件在整个结构中的性能，为钢结构的稳定性优化提供保障，在钢结构设计中，通常都会对构件以及主体结构进行统一材料选择，以保证在应力平衡中做好力学传导与扩散，提升钢结构的总体平衡性与稳定性，钢构件材料的强度性能必须达到国家规范要求，对于钢构件的截面需求进行全面分析与处理，保证钢构件的总体实用效果。
4.4重视局部稳定性与整体稳定性之间的关系
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，确保整体建筑具有较好的稳定性。
4.5稳定性设计中需要注意的问题
现阶段，我国对于计算机软件的应用技术的利用越来越广泛，所以，建筑行业可以在进行钢结构设计时，有效的将计算机作为辅助工具来使用，并且能够成功的在计算机的辅助下实现钢结构整体稳定以及对平面构件的强度计算。设计人员的工作只需要精准的计算出钢结构的稳定水平以及结构的强度。所以，计算机的有效利用有利于钢构设计的过程，并且有效的提高了设计的工作效率。
结语
目前，随着科技的进步，我国已经进入信息时代，因此计算机软件技术被应用到各个行业之中，比如，在建筑行业中，为了可以实现钢结构的整体稳定以及平面构件的强度，可以用计算机作为辅助工具进行设计，这对相关工作人员也有一定的要求，比如设计人员必须具备熟练的技术以及专业知识，通过对计算机的合理应用，从而精准的计算出钢结构的稳定水平以及结构的强度，在保障钢结构稳定性的前提下，提升工作效率。
参考文献
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