章畫畫

摘要： 改革開放三十年來，我國建筑行業(yè)快速發(fā)展。建筑鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中得到了十分廣泛的應(yīng)用，由于一些相關(guān)技術(shù)目前還不夠成熟，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用還存在著一些問題，其中最突出的當(dāng)屬穩(wěn)定性問題。本文結(jié)合具體實際情況，對建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)的合理運用進(jìn)行詳細(xì)的探討與分析，目的是為了提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高鋼結(jié)構(gòu)施工的經(jīng)濟效益。結(jié)構(gòu)施工控制的目的在于確保結(jié)構(gòu)施工過程中和完成后，結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形在設(shè)計許可的范圍內(nèi)，其幾何形態(tài)符合設(shè)計要求，建筑功能能夠正常發(fā)揮。

Abstract： In the thirty years of reform and opening up， China's construction industry has got a rapid development. Construction steel structure has been widely used in building engineering， and because some related technologies are still not mature enough， there are still some problems in the application of steel structure， among which the most prominent is the stability problem. In this paper， combined with the actual situation， rational use of the steel structure are discussed and analyzed in detail， in order to improve the stability of the steel structure design， and then improve the economic benefits of the steel structure construction.

關(guān)鍵詞： 建筑工程；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計；穩(wěn)定性分析

Key words： construction engineering；steel structure design；stability analysis

中圖分類號：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）36-0087-02

0 引言

隨著建筑技術(shù)的不斷發(fā)展與高強度材料成本的下降，鋼結(jié)構(gòu)的體系與規(guī)模也得到了更快速的發(fā)展。越來越多的建筑工程采用鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)運用于建筑的相關(guān)理論也逐漸體系化和科學(xué)化。相比于傳統(tǒng)的建筑材料，鋼結(jié)構(gòu)具有施工時間短、韌性和塑性好、重量輕、強度高等特點，所以鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的建筑工程中一直被廣泛采用。如果在設(shè)計中存在疏漏并引發(fā)鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)事故，會造成不可估量的經(jīng)濟損失以及人員傷亡。所以相關(guān)設(shè)計人員需要進(jìn)一步加強關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究工作。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題及對策

1.1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計防火方面的問題及對策 鋼結(jié)構(gòu)建筑中所使用的鋼材料屬于不易燃材料，但是鋼材料的耐高溫性較差，在高溫環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)極易發(fā)生斷裂情況，一旦發(fā)生火災(zāi)，會嚴(yán)重影響鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并造成極大的安全隱患，在對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計工作時一定要充分考慮到防火問題。相比于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑，鋼結(jié)構(gòu)建筑防火性能差得多，我們可以采用兩種方法提高鋼結(jié)構(gòu)的防火性能，在鋼結(jié)構(gòu)建筑中設(shè)置保全板或是在鋼結(jié)構(gòu)上涂抹防火涂料，并根據(jù)不同的情況采取不同的涂抹厚度。以上兩種方法是常規(guī)防火方法，除此之外還可以通過合理設(shè)置防火門與防火墻、設(shè)置獨立水幕、配備自動噴水系統(tǒng)等方法進(jìn)一步提高鋼結(jié)構(gòu)的防火性能。結(jié)合煙氣控制技術(shù)和火災(zāi)探測報警技術(shù)在發(fā)生火災(zāi)時及時發(fā)現(xiàn)并發(fā)出警報，方便滅火工作的進(jìn)行。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計防腐方面的問題及對策 鋼結(jié)構(gòu)材料還有一個致命的缺點就是化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，長期暴露在室外環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)材料會受雨水和空氣的影響而變質(zhì)，這不僅會影響到鋼結(jié)構(gòu)的外觀還會影響鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。所以，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作也要充分考慮到鋼結(jié)構(gòu)材料的防腐問題。目前最有效的鋼結(jié)構(gòu)防腐方式是涂抹防腐涂料。為了進(jìn)一步提高防腐效果，需要選用特殊的耐腐鋼材料，并通過熱浸鍍鋅工藝來提高鋼結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性，配合相應(yīng)的有機涂料以及陰極保護技術(shù)，可以使鋼結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性得到更大的提升。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計噪聲方面的問題及對策 噪聲問題是當(dāng)前國內(nèi)建筑比較容易忽略的問題，也是比較難以解決的問題。如何有效降低噪聲一直是建筑學(xué)領(lǐng)域的重要課題。不同使用功能的建筑對隔音效果也有著不同的要求，對于需要提高隔音效果的建筑，相關(guān)設(shè)計人員需要依照建筑物的使用功能來進(jìn)行有針對性的調(diào)整。常見的隔音方法主要包括設(shè)置隔音窗或隔音門、選用具有隔音功能的建筑材料等。

2 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計具體原則

從鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性出發(fā)，在設(shè)計過程中，需要從以下三個方面來保證鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的具體原則 為了充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)質(zhì)性能，必須對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那捌谠O(shè)計，需要通過相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件對鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行精密的測試。只有經(jīng)過嚴(yán)格檢測的鋼結(jié)構(gòu)才可以投入量產(chǎn)并運用于工程施工當(dāng)中。所涉及到技術(shù)參數(shù)指示主要包括結(jié)構(gòu)阻尼比、抗震強度系數(shù)、水平荷載系數(shù)等。以水平荷載為例，在理想環(huán)境中，只有堅向荷載才能保證水平荷載為零。但在實際情況下，會存在一定的風(fēng)荷載，時刻影響著建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這就要求相關(guān)設(shè)計人員必須以當(dāng)?shù)丨h(huán)境為依據(jù)，結(jié)合可能出現(xiàn)的最大風(fēng)荷載來確定鋼結(jié)構(gòu)的水平荷載系數(shù)，合理地提高建筑穩(wěn)定性進(jìn)而降低發(fā)生坍塌事故的可能性。

2.2 剪力調(diào)整問題 我國的高層建筑結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。尤其是采用了不對稱設(shè)計的建筑中含有大量的斜柱結(jié)構(gòu)。相比于傳統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)，斜柱結(jié)構(gòu)傾角十分明顯，這就需要建筑結(jié)構(gòu)具有更大的剪力。目前的國內(nèi)建筑設(shè)計人員在對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計工作時，通常會將垂直構(gòu)件簡化為柱子，將斜柱簡化為斜桿。雖然在一般情況下，這種做法不會對建筑的整體穩(wěn)定性造成太大影響，但是在對框架柱剪力進(jìn)行調(diào)整的過程中則會影響到建筑的穩(wěn)定性。由于建筑物中的斜柱主要起到橫向支撐的作用，但也需要一定程度的豎直荷載作為堅向支撐，所以這一部分荷載就會對剪力的計算造成較大的影響。由此可見，設(shè)計人員在對剪力進(jìn)行調(diào)整時一定要充分考慮到豎直方向荷載的影響。依照建筑區(qū)域的具體環(huán)境，合理調(diào)整建筑物的剪力，充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。如圖1所示。

2.3 強柱弱梁的設(shè)計

在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，需要對梁和柱的兩個方面做整體的考慮。為了提高鋼結(jié)構(gòu)的安全性，在水平荷載較大或者面臨強震時，鋼結(jié)構(gòu)中的塑性鉸一定要出現(xiàn)在梁上，這可以在劇烈水平震動的情況下維持鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并提高建筑的抗壓性，在受力過后更容易回到初始形態(tài)。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計人員需要對梁與柱的設(shè)計進(jìn)行彈塑性方面的計算與分析，通過分析的結(jié)果來確定塑性鉸是否出現(xiàn)在梁上。

3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的具體特點

3.1 失穩(wěn)與整體鋼度 鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力與其自身的鋼度有關(guān)，而鋼結(jié)構(gòu)的鋼度與其整體構(gòu)成有關(guān)。所以，鋼結(jié)構(gòu)的整體直接影響著鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的整體分析 嚴(yán)格說來，鋼結(jié)構(gòu)中所有組成部分都對整體穩(wěn)定性有著或多或少的影響，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，需要從整體出發(fā)來考慮鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)本身出現(xiàn)變化時，必定會影響到整體結(jié)構(gòu)的受力分布并出現(xiàn)局部弱化，即使是微小的弱化也會影響到整體結(jié)構(gòu)的承載能力。

4 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的具體分析方法

由于我們對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行的分析都是在外荷載作用環(huán)境下進(jìn)行的，所以關(guān)于這種變形的研究需要與構(gòu)件或者結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)性保持同步，我們可以分別采用靜力法和動力法對進(jìn)行研究。

4.1 靜力法 靜力法指得是靜力平衡方法，主要分析在鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生微小形變之后的受力情況，結(jié)合相關(guān)力學(xué)數(shù)值建立不平衡微分方程，最終得出臨界荷載。

4.2 動力法 當(dāng)結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)處于平衡狀態(tài)時，對結(jié)構(gòu)整體施加任何微小的干擾都會使結(jié)構(gòu)整體發(fā)生振動，在這種情況下任何振動的加速以及結(jié)構(gòu)的變形都會影響到整體結(jié)構(gòu)的荷載。當(dāng)荷載值處于最低荷載極限之下時，則變形的方向會與加速度相反。所以，當(dāng)除去干擾后，所有的運動都會停止，使整體結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡狀態(tài)。臨界狀態(tài)的荷載主要為鋼結(jié)構(gòu)的屈曲荷載，獲得屈曲荷載的前提是振動頻率為零。

5 施工仿真分析

以某廣播電視多功能發(fā)射塔為例，其安裝流程如下：錨板預(yù)埋及地腳螺栓；塔座鋼結(jié)構(gòu)安裝；塔體鋼結(jié)構(gòu)安裝；塔樓鋼結(jié)構(gòu)安裝；天線桅桿鋼結(jié)構(gòu)安裝。其中井道結(jié)構(gòu)施工標(biāo)高41.36m；外塔架鋼結(jié)構(gòu)施工到標(biāo)高37.5m；井道鋼結(jié)構(gòu)施工到標(biāo)高86.635m；外塔架鋼結(jié)構(gòu)施工到標(biāo)高75m；井道與外塔架鋼結(jié)構(gòu)先后施工到標(biāo)高120m；外塔架鋼結(jié)后舡到標(biāo)高170m；井道與外塔架鋼結(jié)構(gòu)先后施工到標(biāo)高187.5m。

5.1 風(fēng)荷載作用分析 某廣播電視多功能發(fā)射塔所在地近50年最大風(fēng)速25m/s，風(fēng)振系數(shù)βz、高度系數(shù)μz、體型系數(shù)μs按規(guī)范選取，基本風(fēng)壓0.4N/m2。風(fēng)載作用最大位移值556mm，最大位移發(fā)生部位為天線頂端，最大應(yīng)力值93.5MPa，最大應(yīng)力發(fā)生部位為外塔最底部。

5.2 溫度作用分析 根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定：基本氣溫最低Tmin=8℃，最高氣溫Tmax=36℃，鋼質(zhì)材料線膨脹系數(shù)αT=1.2×105℃?？紤]到施工荷載和重力荷載，取參考溫度為20℃。

首先以設(shè)計時提供的要求為總體目標(biāo)，以施工單位提供的施工方案為依據(jù)，按照設(shè)計規(guī)范中的參數(shù)進(jìn)行有限元理論計算，并得到主要工況下的理論計算值，為施工提供指導(dǎo)；施工過程中，根據(jù)不同的進(jìn)度安排，適時地進(jìn)行應(yīng)力、位移的監(jiān)測；對實際監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與理論計算值進(jìn)行對比，從而及時調(diào)整施工方案，并預(yù)測下一階段的應(yīng)力、位移的變化，以保證結(jié)構(gòu)能夠安全施工。

6 鋼結(jié)構(gòu)焊接

目前來看，為了維持焊接部最基本的疲勞強度，鋼結(jié)構(gòu)的拉伸強度至少要提高到440N/mm2～540N/mm2。由此可知，為了滿足建筑結(jié)構(gòu)加輕量化要求，提高高強度鋼結(jié)構(gòu)焊接疲勞強度是目前的首要任務(wù)。

影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度主要受到鋼材強度制約，鋼鐵材料受自身特性的影響以及疲勞強度受靜載強度的影響十分明顯。在焊接結(jié)構(gòu)方面，焊接部疲勞強度與焊縫金屬強度、熱影響焊縫金屬靜強度、母材靜強度并不存在盡然關(guān)聯(lián)。雖然材料基本的力學(xué)性能一定程度上會影響到裂紋擴展速率，但這并不是金屬疲勞的主要來源并且影響不大。靜強度只有在應(yīng)力大于+0.5的時候才會發(fā)揮作用，所以采用高強度鋼才是提高母材焊接口疲勞強度的主要方法。

焊縫周圍的疲勞裂紋通常出現(xiàn)在焊縫波紋、焊根焊縫、焊縫缺陷處等位置，焊接部的疲勞強度一般受焊接缺陷的影響比較大；受力偏心、錯邊、缺陷、焊縫外形是影響焊接部疲勞強度的最主要因素；由焊縫接頭引起的應(yīng)力集中也會一定程度上降低疲勞強度；應(yīng)力集中由焊接部截面開關(guān)的變化產(chǎn)生，由于焊趾往往存在一些咬邊缺陷，會降低其疲勞強度。

在許多新型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，鋼結(jié)構(gòu)取代了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，成為結(jié)構(gòu)的主體框架，高聳鋼結(jié)構(gòu)施工控制技術(shù)逐漸得到重視。鋼結(jié)構(gòu)工程從建設(shè)到結(jié)束的過程中，結(jié)構(gòu)可能會受到一些已知或未知因素的影響。這些因素都或多或少導(dǎo)致結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)和理想狀態(tài)之間的差異。

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