梅浩棟 趙偉哲 秦宏偉 丁悅

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設計院有限公司 秦皇島 066001）

0 引言

鋼結構是由鋼制材料組成的結構，是主要的建筑結構類型之一。2008年奧運會后我國鋼結構建筑得到迅猛發(fā)展。鋼結構作為一種主流的結構形式，被廣泛應用到廠房、鐵路、橋梁以及大型場館及住宅等方面，各種規(guī)模的鋼結構企業(yè)數(shù)以萬計。通常鋼結構建筑的多少，標志著一個國家或一個地區(qū)的經(jīng)濟實力和經(jīng)濟發(fā)達程度，鋼結構既適合單層大跨度建筑，也可用于建造多層或高層建筑，用途廣泛。得益于煉鋼技術的提升以及奧運會的推動，很多新建廠房普遍采用鋼結構形式。因此，對鋼結構廠房穩(wěn)定性問題進行研究很有必要。

1 鋼結構失穩(wěn)原因分析

鋼結構失去穩(wěn)定性的原因主要有鋼結構整體失穩(wěn)和構件局部失穩(wěn)。

1.1 鋼結構整體失穩(wěn)

（1）構件整體穩(wěn)定不滿足要求。當受壓部位或受彎部位桿件的長細比超過允許值時，結構會失去穩(wěn)定。

（2）構件有各類初始缺陷。鋼結構材料存在的缺陷，導致計算出現(xiàn)一定的誤差。如：鋼結構的焊接殘余應力和殘余變形、初偏心力以及初彎曲，加工產(chǎn)生的殘余應力和殘余變形等沒有得到足夠的重視。

（3）構件受力條件的改變。鋼結構使用過程中荷載和使用條件的改變，如超載、節(jié)點的破壞、溫度的變化、基礎的不均勻沉降、意外的沖擊荷載等，引起受壓構件應力增加，或使受拉構件轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌簶嫾?，從而導致構件整體失穩(wěn)。

（4）支撐不夠。對于輕鋼廠房，設計時往往只重視鋼梁鋼柱，支撐系統(tǒng)被設計者或施工者所忽視。如支撐間距過大，系桿以及支撐未計算憑經(jīng)驗選用導致長細比超限等，也是造成整體失穩(wěn)的原因之一。

（5）施工臨時支撐不夠。在實際安裝過程中，由于結構并未完全形成一個受力整體，需要對已安裝好的鋼構件設置一些必要的臨時支撐來維持其整體穩(wěn)定。若臨時支撐未設置或設置不合理，輕則會使構件喪失整體穩(wěn)定性，重則造成整個結構的倒塌或傾覆。

1.2 構件局部失穩(wěn)

（1）局部穩(wěn)定不滿足要求。構件翼緣的寬厚比和腹板的高厚比大于限值時，易發(fā)生局部失穩(wěn)現(xiàn)象，此問題在大截面構件及組合截面構件中應特別注意。

（2）受力部位加勁肋構造措施不合理。構件的局部受力部位，如支座、較大集中荷載作用點，應設置支承加勁肋，如果沒有設支承加勁肋，使外力直接傳給較薄的腹板極易導致局部失穩(wěn)。對于較長構件，運輸時構件兩端以及中間如沒有設置橫隔，可能導致構件截面的幾何形狀發(fā)生改變而引起構件局部失穩(wěn)。

（3）吊點位置選擇不當。在吊裝過程中由于現(xiàn)場吊點位置設置不合理，桁架或網(wǎng)架的桿件受力情況可能變化，造成局部失穩(wěn)，所以鋼結構桁架以及網(wǎng)架施工圖紙應明確構件吊點位置。

鋼結構建筑由多個鋼構件組成，構件的局部失穩(wěn)將導致構件受力情況改變，從而導致構件整體失穩(wěn)，因此必須重視局部失穩(wěn)問題。

2 鋼結構體系保證穩(wěn)定性原則

2.1 整體穩(wěn)定原則

對于整個鋼結構體來說，橫向穩(wěn)定主要是由各個梁柱做支撐維持平穩(wěn)，而縱向的穩(wěn)定，一般是由縱向支撐構件如系桿、支撐來達到平穩(wěn)的目的。在對整個鋼結構體系穩(wěn)定性進行核算時，應該充分考慮橫向和縱向承載情況。計算時要保證受壓或壓彎構件本身及其組成桿件在荷載作用下不發(fā)生屈曲而喪失穩(wěn)定。整體穩(wěn)定性的計算，需要結合梁柱構件自身及其面外支撐系統(tǒng)進行全面設計［1］。

2.2 局部穩(wěn)定原則

在設計階段，除了需要對鋼結構整體的穩(wěn)定性有充分的考慮外，還應結合建筑物所處的環(huán)境以及建筑物的形式來對圖紙進行針對性的設計。局部穩(wěn)定設計最主要的部分就是對鋼結構支座及節(jié)點的設計，如支座處、吊點處、梁柱節(jié)點處、現(xiàn)場焊接部位、較大集中荷載作用點等應設置縱向及橫向加勁肋，以免構件在集中力作用下發(fā)生破壞。保證構件局部穩(wěn)定的關鍵在于保證構件各部位在外部集中力作用下不發(fā)生屈曲，從而維持自身穩(wěn)定性。只有保障各構件本身的穩(wěn)定，才可以確保整個鋼結構體系不會出現(xiàn)失穩(wěn)的情況［1］。

3 鋼結構穩(wěn)定性設計階段要點

3.1 結構方案設計

結構體系應根據(jù)建筑的抗震烈度、建筑高度、場地條件、地基、材料及施工等因素，結合技術經(jīng)濟和使用條件綜合比較確定，不同性能的鋼結構建筑需要采用不同的結構形式進行設計。對于鋼結構建筑，要明確整個鋼結構體的受力體系，在進行設計時，應盡量采用一些相對合理的結構樣式。另外，在進行方案規(guī)劃時，鋼結構建筑應盡量能夠滿足規(guī)則性要求，建筑設計應重視起平面、立面和豎向剖面的規(guī)則性對抗震性能及經(jīng)濟合理性的影響，宜選用規(guī)則的形體，其抗側(cè)力構件的平面布置宜規(guī)則對稱、側(cè)向剛度沿豎向宜均勻變化、豎向抗側(cè)力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸較小、避免側(cè)向剛度和承載力突變，這樣可以使鋼結構體系受力均衡。方案設計中盡量滿足以下三點原則：

（1）平面的設計應盡量簡單且對稱，盡量避免平面凹凸，減少平面不規(guī)則，同時應具有合理的剛度和承載力分布，使鋼結構體系整體的重心以及結構的中心吻合，使結構在兩個主軸方向的動力特性相近，避免應力集中或塑性變形集中，平面規(guī)則結構對于扭轉(zhuǎn)和形變的抵抗能力比較強。

（2）對于豎向的設計，也要盡可能減少不規(guī)則性，同時盡量避免豎向抗側(cè)立構件不連續(xù)和樓層承載力突變的情況。結構豎向的規(guī)則和對稱能夠最大程度地滿足結構整體的穩(wěn)定性。

（3）對于一個建筑物來說，鋼柱的布置以及基礎形式的合理選擇也很重要。在滿足工藝生產(chǎn)要求下，應盡量減少非必要的抽柱，使其盡可能滿足對稱以及結構規(guī)則性要求。對于不規(guī)則的建筑應按規(guī)定采取加強措施，按相應要求進行地震作用計算和內(nèi)力調(diào)整，并對薄弱部位采取有效的抗震構造措施，特別不規(guī)則的建筑應進行專門研究論證，不應采用嚴重不規(guī)則的建筑。

3.2 將綠色發(fā)展理念納入設計

近兩年，光伏太陽能行業(yè)發(fā)展迅速，以玻璃行業(yè)為例，業(yè)主常常要求設計院在設計廠房時考慮屋頂布置太陽能板。筆者認為工業(yè)廠房屋頂適當布置太陽能板或是大勢所趨，今后鋼結構廠房在進行方案設計時，可結合太陽能板系統(tǒng)，考慮在鋼結構廠房屋面或外圍墻上布置太陽能板。設計太陽能板方案需要結合廠房的維護結構，使兩者相輔相成。玻璃廠一般大面積小坡度屋面廠房，如切裁、裝箱、深加工以及庫房等工段屋面常采用此技術。此技術在節(jié)約后期生產(chǎn)成本的同時也能在一定程度上提高廠房整體的穩(wěn)定性及美觀度。值得一提的是，進行該項設計符合循環(huán)發(fā)展的理念，能滿足國家對新建工業(yè)廠房的環(huán)保要求。光伏太陽能板系統(tǒng)對廠房整體的穩(wěn)定性有一定的提高，但對于采用光伏太陽能系統(tǒng)的廠房，由于太陽能面板自重10～20 kg/m2，在設計時，需要對廠房原有結構的承載力進行核算。

3.3 工藝協(xié)調(diào)

現(xiàn)階段跨度不大于48 m的鋼結構廠房，一般都是采用輕鋼門式剛架。廠房的建設都是為后續(xù)生產(chǎn)服務，所以鋼結構廠房設計要充分滿足后期在廠房內(nèi)進行的各種生產(chǎn)需求，但是現(xiàn)實中設計圖與實際安裝不一致的情況也屢見不鮮。為了提高設計圖的合格率，在設計工作開展時，就要以實際生產(chǎn)工藝為出發(fā)點，使設計的方案能夠滿足生產(chǎn)的要求，如廠房的高度、變形縫的位置、抗風柱位置、鋼架的柱距及結構樓層等。對于鋼結構廠房材料的選擇，一般都是根據(jù)實際需要選擇相應的材料；對于有特殊要求的廠房，需要進行構件疲勞驗算，寒冷地區(qū)，還需要選用相應材質(zhì)的鋼材，其材質(zhì)必須符合國家的相關標準，使整個鋼結構廠房的設計合理可靠。

3.4 抗震性能設計

鋼結構廠房除了需要滿足結構穩(wěn)定性要求之外，還需要具備必要的抗震承載力，應具備良好的變形能力和消耗抗震能量的能力。結構廠房抗震性能的強弱直接影響廠房在遭遇一定幅度震動時的受損程度。設計人員需要根據(jù)建筑體所處的地區(qū)對鋼結構建筑的受力情況以及抗震性能進行分析，使所設計的廠房滿足抗震要求。對鋼結構廠房受力分析時，也可對鋼結構構件的形狀及梁柱關鍵節(jié)點進行合理優(yōu)化，使其充分滿足抗震要求，確保廠房內(nèi)部生產(chǎn)工作的安全和穩(wěn)定。

3.5 結構受力體系設計

鋼結構的設計中，承載力設計是關鍵。目前國內(nèi)所設計的鋼結構構件大多采用T字型或箱型、H字型，盡量避免畸形構件，這種對稱形狀構件截面剛度較好，具有較好的承載能力。對于吊車噸位大的廠房設置制動桁架或制動梁來抵抗橫向水平荷載（圖1）。對于較大高度的鋼梁，在縱向布置支撐時，可在支撐柱距設置雙層系桿以抵抗梁平面外水平向荷載引起的扭轉(zhuǎn)（圖2）。對于同一鋼結構建筑，不同位置的構件其要求也不同，如在整個結構中，鋼柱及柱腳一旦承載力超限或失穩(wěn)破壞，影響極為嚴重，因此務必充分保證其承載力及穩(wěn)定要求，建議設計時可預留適當?shù)挠嗔?。除此外，鋼結構構件節(jié)點在設計時也要進行嚴格的計算，盡量滿足強節(jié)點弱構件要求。

圖1 吊車制動桁架

圖2 雙層系桿

4 鋼結構加工及施工階段要點探究

除了設計之外，鋼結構加工時要嚴格按照設計圖紙進行圖紙深化及加工，如有構件結構不合理處或施工有困難的地方，及時向設計單位反饋，鋼構件嚴格按照工藝流程要求進行加工制作。構件運輸時構件在運輸車輛上的支點、兩端伸長的長度及綁扎方法均應保證構件不產(chǎn)生永久變形、不損傷涂層，節(jié)點板、高強度螺栓連接面等重要部分要有適當?shù)谋Ｗo措施?，F(xiàn)場施工單位應做好構件進場交接驗收，對構件進行妥善安置及防護。鋼結構吊裝前應做好應急預案，在鋼結構安裝過程中采用合理施工方案，盡可能避免現(xiàn)場擴孔，減少現(xiàn)場焊接作業(yè)，減小施工過程中的誤差，對安裝好的構件采取臨時支撐措施以保證結構整體穩(wěn)定。對于危大工程，務必做好預案，制定應對措施，加強安全管理，確保工程安全生產(chǎn)，防范安全生產(chǎn)事故。另外，施工過程中監(jiān)理也要做好現(xiàn)場監(jiān)管工作，確保每個施工環(huán)節(jié)能保質(zhì)保量的完成。

5 結語

在進行工業(yè)廠房設計中，鋼結構優(yōu)勢明顯，被廣泛應用于各種大跨度工業(yè)廠房。隨著我國國民經(jīng)濟的顯著增長，鋼構件加工行業(yè)制作水平的提升以及裝配式建筑發(fā)展的大趨勢，今后國內(nèi)采用鋼結構的廠房將會越來越多，設計及相關人員一定會造就更多經(jīng)濟合理、安全可靠的鋼結構建筑。