曹謹(jǐn)謙 云南省曲靖市建筑工程勘察設(shè)計(jì)審查管理站

1 前言

穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是核心環(huán)節(jié)，是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，只有穩(wěn)定的建筑，才能給人們帶來實(shí)用價(jià)值。因此在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)算，確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為探討鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為施工提供借鑒，本文探討如何采取措施，保證設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2 鋼結(jié)構(gòu)的含義、優(yōu)缺點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)是以鋼材為主要施工原料，通過不同的鋼構(gòu)件，如鋼梁、鋼板和鋼柱，通過焊接、鉚接等連接方式進(jìn)行拼接和組裝，從而達(dá)到使用價(jià)值建筑。與普通混凝土和其他建筑材料不同，鋼材具有韌性強(qiáng)、重量輕等特點(diǎn)，并且能承受的更大壓力，因此鋼結(jié)構(gòu)通常被用于大中型建筑中。鋼結(jié)構(gòu)具有不易變形、穩(wěn)定的特點(diǎn)，可為建筑物提供良好的安全性和穩(wěn)定性[1]。然而，在一些特殊情況下也可能發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象，如壓力過大直接作用于應(yīng)力平衡點(diǎn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力不均勻而造成不穩(wěn)定；或因?yàn)殚L(zhǎng)期使用鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)金屬疲勞，失去支撐作用從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定[2]。在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)之前，有必要明了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性特征，才能在設(shè)計(jì)過程中有針對(duì)性進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免結(jié)構(gòu)缺陷，充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，使鋼結(jié)構(gòu)在建筑中發(fā)揮更好的作用。

3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的含義和概念

鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是指在建筑結(jié)構(gòu)中鋼材受到外界影響后，能夠恢復(fù)到初始平衡狀態(tài)的一種性能。導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的主要原因:結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中存在大量的支撐系統(tǒng)，如鋼柱支撐系統(tǒng)、鋼屋頂桁架、下弦水平支撐等，構(gòu)件的長(zhǎng)度和橫截面的數(shù)量、材料的強(qiáng)度和應(yīng)力變化等，都可以導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此在設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，我們應(yīng)該充分利用數(shù)學(xué)模型，基于現(xiàn)有的樣本，假設(shè)所有現(xiàn)有的合理?xiàng)l件，總結(jié)可能出現(xiàn)的誤差，分析造成不穩(wěn)定性的主要原因。

4 鋼結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性概述

鋼結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性包括整體不穩(wěn)定性和局部不穩(wěn)定性。整體不穩(wěn)定性是考慮整個(gè)組件或框架的穩(wěn)定性問題，它是通過定義長(zhǎng)、細(xì)比來確定穩(wěn)定系數(shù)，并代入計(jì)算公式進(jìn)行檢驗(yàn)；而局部不穩(wěn)定性是部件內(nèi)部不穩(wěn)定性的控制問題，確保局部穩(wěn)定性主要由部件截面的尺寸控制，如腹板高度、厚度、強(qiáng)度和構(gòu)件寬、厚比。

整體不穩(wěn)定多是由局部不穩(wěn)定引起的。當(dāng)受壓部分或彎曲部分的極限比超過允許值時(shí)，穩(wěn)定性將會(huì)喪失，它受載荷變化、支撐條件不同、鋼材的初始缺陷等諸多客觀因素的影響。支撐經(jīng)常容易被設(shè)計(jì)者或構(gòu)造者忽略，這也是整體不穩(wěn)定的原因之一。由于吊裝過程中吊點(diǎn)的位置不同，桁架或網(wǎng)格構(gòu)件的應(yīng)力可能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致不穩(wěn)定。像工程使用中腳手架的傾覆，坍塌或變形主要是由于連桿不足和沒有支撐造成的。許多可能發(fā)生負(fù)載變化的重要結(jié)構(gòu)，如橋梁、桁架、液壓閘門等，由于它們具有冗余桿件，可以防止出現(xiàn)由于一根桿件不穩(wěn)定性而引起整體出現(xiàn)不穩(wěn)定性的情況。

隨著審美觀念的變化，現(xiàn)階段建筑物的外觀呈現(xiàn)出個(gè)性化、差異化、輪廓化的特點(diǎn)，復(fù)雜的建筑設(shè)計(jì)層出不窮，日新月異。非對(duì)稱結(jié)構(gòu)就是最常見的輪廓結(jié)構(gòu)之一，這些建筑物完成后，更容易發(fā)生傾斜或不穩(wěn)定現(xiàn)象。許多因素都會(huì)影響鋼結(jié)構(gòu)的傾斜，而非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的傾斜主要是由于不適當(dāng)?shù)淖非笸庥^，剪切簡(jiǎn)化初始設(shè)計(jì)所致。與對(duì)稱結(jié)構(gòu)樣式的建筑物相比，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)墻壁的抗剪強(qiáng)度要求更高。在檢查鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性時(shí)，由于理論計(jì)算水平的限制通常會(huì)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些簡(jiǎn)化，方便使用現(xiàn)有的計(jì)算理論進(jìn)行分析和計(jì)算。在鋼結(jié)構(gòu)中通常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)力學(xué)簡(jiǎn)化計(jì)算將對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生重大影響，或者是由鋼本身的性質(zhì)決定。因此在簡(jiǎn)化非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的剪力時(shí)，必須考慮更多的影響因素，不能生搬硬套，簡(jiǎn)單復(fù)制混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法。根據(jù)國(guó)家相關(guān)法律（法規(guī)）要求，設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)專業(yè)人員的水平，能力和資格提出了更高的要求，但是一些設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)師能力仍然存在一些不足，制約了設(shè)計(jì)。同時(shí)很多設(shè)計(jì)人員來自高校，沒有實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致理論和實(shí)際出現(xiàn)差距，容易引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

5 鋼結(jié)構(gòu)建筑穩(wěn)定性設(shè)計(jì)原則

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中穩(wěn)定性設(shè)計(jì)基于三角形的穩(wěn)定性原理，通過不斷深入的探索，研究人員發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受材料、壓力等因素影響，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算方法應(yīng)與穩(wěn)定性計(jì)算方法相同。數(shù)據(jù)計(jì)算應(yīng)簡(jiǎn)化，易操作，減少數(shù)據(jù)計(jì)算過程的偏差。此外在穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中，必須注意節(jié)約成本、節(jié)省制造時(shí)間和便于實(shí)際安裝。同時(shí)由于建筑應(yīng)具有美感，設(shè)計(jì)時(shí)在保證穩(wěn)定性是還要符合美學(xué)需求。

6 如何保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性

鋼結(jié)構(gòu)的顯著優(yōu)點(diǎn)是其突出的性能，這決定了其早期的工藝設(shè)計(jì)等復(fù)雜程度，設(shè)計(jì)師需要具有非常專業(yè)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)能力，同時(shí)還需要對(duì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)和測(cè)試，只有在各方面都完全符合標(biāo)準(zhǔn)后，才能投入批量生產(chǎn)和使用。設(shè)計(jì)師還必須根據(jù)實(shí)際環(huán)境設(shè)計(jì)荷載系數(shù)，避免建筑物因不穩(wěn)定性而發(fā)生倒塌。

6.1 設(shè)計(jì)必須從整體布局出發(fā)

為確保平面結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)平面外不穩(wěn)定，必須從整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，考慮結(jié)構(gòu)支撐點(diǎn)和受力支點(diǎn)，保證結(jié)構(gòu)安裝和計(jì)算的一致性，可以增加支撐桿，例如框架和桁架等。

6.2 計(jì)算方法在模型和實(shí)際工程上保持一致

在設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)時(shí)我們通常不做框架的穩(wěn)定性分析，而是做框架柱的穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算出用于框架柱穩(wěn)定性的柱長(zhǎng)系數(shù)，柱穩(wěn)定系數(shù)和框架的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算應(yīng)相等。

6.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)與構(gòu)件的穩(wěn)定性計(jì)算相一致

確保鋼結(jié)構(gòu)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合構(gòu)件的穩(wěn)定性計(jì)算是設(shè)計(jì)中必須高度重視的問題。對(duì)有傳遞彎矩需求和非傳遞彎矩的接頭連接，應(yīng)保證足夠的韌性和剛度，并盡可能減少構(gòu)件接頭的偏移。當(dāng)結(jié)構(gòu)中有不同的強(qiáng)度要求或特殊考慮涉及穩(wěn)定性時(shí)，要采用不同的方法處理，例如，對(duì)于簡(jiǎn)單支撐梁來說，防止位移就是不動(dòng)鉸主要作用。

7 影響鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素

鋼結(jié)構(gòu)整體剛度和鋼結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性關(guān)系非常密切，鋼結(jié)構(gòu)的剛度是由整體結(jié)構(gòu)的好壞來決定。鋼結(jié)構(gòu)的整體是由部分組成的，因此鋼結(jié)構(gòu)的部分直接關(guān)系到整體的穩(wěn)定性，只有在設(shè)計(jì)時(shí)把部分設(shè)計(jì)好，才能設(shè)計(jì)出穩(wěn)定的鋼結(jié)構(gòu)。

8 增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性措施

在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師應(yīng)著眼全局，把握細(xì)節(jié)，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面了解后才能進(jìn)行，在設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證設(shè)計(jì)與原圖一致，經(jīng)驗(yàn)證后方可施工。

8.1 鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算

在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，應(yīng)注意調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)支撐載荷的應(yīng)力點(diǎn)和分布，以增加鋼結(jié)構(gòu)中鋼筋的支撐力。建筑鋼結(jié)構(gòu)承重的應(yīng)力以及各種節(jié)點(diǎn)不容忽視，同時(shí)，應(yīng)該找到在壓力下鋼結(jié)構(gòu)受力的最佳形狀和方法，并結(jié)合建筑物的實(shí)際，在有限成本范圍內(nèi)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。例如，調(diào)整構(gòu)件長(zhǎng)度、厚度，受力點(diǎn)位置，或增加桿件等。

8.2 增加構(gòu)件

鋼材構(gòu)件是鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，構(gòu)件質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，在施工過程中會(huì)發(fā)生彎曲、變形、損壞等情況，不能承受建筑各個(gè)方面產(chǎn)生的荷載，從而使結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性遭到破壞，甚至引發(fā)安全事故。因此在控制成本的同時(shí)必對(duì)整個(gè)支撐點(diǎn)進(jìn)行加固，同時(shí)分散構(gòu)件所受壓力，使鋼結(jié)構(gòu)保持整體穩(wěn)定。

8.3 連接處加固

在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師往往在著眼于整體時(shí)忽略了細(xì)節(jié)處。整體結(jié)構(gòu)是由單個(gè)結(jié)構(gòu)組合而成，因此連接處的處理非常重要。在建筑鋼結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師經(jīng)常使用剛性耦合或鉸鏈方法來連接主柱和梁，從而達(dá)到簡(jiǎn)化施工的效果。由此可見，加固鋼結(jié)構(gòu)的連接處具有十分重要的意義。在對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)事先調(diào)查和檢查鋼筋連接方法、連接的受壓情況、施工條件、工程成本、可行方法等，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。在進(jìn)行加固時(shí)根據(jù)實(shí)際情況確定加固方法，必要時(shí)可以混合多種方法，以確保鋼結(jié)構(gòu)各連接的穩(wěn)定性。

8.4 防腐處理

在鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中，必須考慮到問題是在長(zhǎng)期使用過程中由各種內(nèi)外原因引起的腐蝕現(xiàn)象?？偟膩碚f，鋼的腐蝕現(xiàn)象可能是由于最初使用的鋼本身防腐能力較弱，長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，與空氣中的各種物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，導(dǎo)致腐蝕物質(zhì)被吸附在表面，造成不可估量的腐蝕后果，或者鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)出現(xiàn)疏漏。因此在選擇鋼時(shí)，必須對(duì)鋼材的防腐能力做出硬性要求，在深入調(diào)查后選擇使用，不要為了降低成本而選擇不符合標(biāo)準(zhǔn)的鋼材。同時(shí)，可以選擇合適的鋼材維護(hù)方法對(duì)鋼材進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。目前，常見的方法是在鋼表面涂上高耐腐蝕性的涂層，以減少鋼材與空氣的中水分、硫等的接觸，延長(zhǎng)使用時(shí)間。在制定防腐方案時(shí)，必須根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行，因地制宜，調(diào)整措施，從而確保起到防腐效果。

8.5 確保局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定性

鋼結(jié)構(gòu)整體是由局部構(gòu)成的，只有確保了每個(gè)局部的穩(wěn)定，才能從根本上保證整體的穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)時(shí)必須先對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂?、溫度等進(jìn)行調(diào)查，綜合各方情況，因地制宜來進(jìn)行設(shè)計(jì)，才能保證最終鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)的人員必須是熟悉鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)的人，只有這樣才能保證工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先對(duì)鋼材進(jìn)行分析，了解各種鋼材的受力特點(diǎn)，確認(rèn)鋼材是否滿足設(shè)計(jì)需要。在施工中如發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，如發(fā)現(xiàn)受彎不足或支撐不足時(shí)，必須由設(shè)計(jì)單位進(jìn)行優(yōu)化處理，禁止施工方自己加固。

9 結(jié)束語

綜上所述，在鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用的今天，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)要著眼全局，重視細(xì)節(jié)，充分考慮可能出現(xiàn)的各種因素，反復(fù)驗(yàn)證，才能保證設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)還要保證圖紙和設(shè)計(jì)的計(jì)算方法保持一致，才能從根本上保證結(jié)構(gòu)的安全性[3]。設(shè)計(jì)單位要加強(qiáng)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)認(rèn)知和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察的行為，詳細(xì)了解和分析項(xiàng)目的實(shí)際情況，理論聯(lián)系實(shí)際，做到從實(shí)際出發(fā)，因地制宜，注意部件間的連接和鋼材的防腐處理，才能從根本上保證和提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性。