建筑钢结构的稳定设计

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摘 要随着建筑类经济快速的发展,工业建筑应用钢结构的越来越多.防止结构失稳,是钢结构设计中应充分注意的问题.本文阐述了钢结构的特性及在建筑上的应用,并对其稳定性的设计进行分析,根据设计经验进行总结,为后续设计施工提供技术支持.

关 键 词刚结构稳定性设计

工业建筑钢结构的稳定问题在设计中,设计人员应该注重结构构件的稳定性能,以免在设计过程中发生不必要的失稳损失；其次,随着新型结构的出现,设计人员对其性能认识的不足,从而导致构件的失稳,就这个问题阐述了新型结构现存的问题,并且针对问题论述了产生的原因.

一、建筑钢结构的稳定性设计

钢结构的稳定性设计、在各种类型的钢结构中,由于结构失稳造成的伤亡事故时有发生、为了更好地保证钢结构稳定设计中构件不失稳定,保证工程质量及使用安全,有必要对钢结构的稳定性设计进行详细探讨.

1.钢结构稳定性的概念.钢结构强度小或失稳都会造成结构破坏,但是强度与稳定的概念并不相同、钢结构的强度是一个应力问题,指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载引起的最大应力（或内力）是否超过建筑材料的极限强度、钢材以其屈服点作为极限强度、而稳定是一个变形问题,构件所受外部荷载与结构内部抵抗力间是不稳定的,关键是找出这一不稳定的平衡状态,避免变形急剧增长而发生失稳破坏.

2.钢结构稳定性设计要点.在符合钢结构设计的一般原则前提下,要保证钢结构的稳定性还需满足以下条件：

（1）钢结构布置必须从体系和各组成部分的稳定性要求整体考虑,目前钢结构大多是按照平面体系进行设计,如桁架和框架、保证平面结构不出现平面外失稳,要求平面结构构件的平面稳定计算需与结构布置相一致,如增加必要的支撑构件等.

（2）实用计算方法所依据的简图与结构计算简图保持一致中层或多层框架结构设计框架稳定分析通常是省略的,只进行框架柱的稳定计算、由于框架各柱的杆件稳定计算的常用力法、稳定参数等是依据一定的简化典型情况或假设者得出的,因此设计者要能保证所有的条件符合假设时才能应用.

二、建筑钢结构设计

1.基本原则.建筑钢结构的设计必须符合一定的原则,确保所设计的结构合理,安全可靠.（1）所做结构设计应符合建筑物的使用要求,有足够的强度、刚度和稳定性,有良好的耐久性；（2）所设计结构应尽可能节约钢材,减轻钢结构重量；尽可能缩短制造、安装时间,应便于运输、便于维护,减少成本；（3）尽量注意美观,对于外露结构有一定建筑美学要求.

2.设计过程.（1）收集资料：钢结构设计过程的前期准备工作首要的就是要收集相关资料,包括各种环境资料、相关规范和标准等、目前我国实行的是《钢结构设计规范》GB50017-2003其次,还需要了解结构设计的习惯做法,根据以往的设计经验找出最优设计方案.（2）确定结构体系、柱网：钢结构体系的确定主要考虑两个方面：横向结构系统和纵向结构系统.横向系统需要综合考虑建筑使用要求、刚度要求、结构受力情况、材料选用等具体情况来确定；纵向系统一般由相关构件如柱及其支撑、压架、车梁及制动梁或桁架、墙梁等组成、柱网则需要依据建筑使用要求、经济柱距及跨度、建筑美观等方面要求来设计、其它方面的考虑还包括造价、跨度、制作安装难度等.

三、建筑钢结构的优势与不足

1.钢结构的材料优势.钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的,和混凝土等其它材料的结构相比,钢结构具有诸多优势：首先,钢材的强度高,塑性和韧性好、强度高使其适用于跨度大或荷载很大的构件和结构,而塑性和韧性好对动力荷载的适应性较强,不会轻易因超载而突然断裂、钢结构还具有良好的吸能能力和延性,这赋予了钢结构优越的抗震性能.其次,钢材内部组织接近于匀质和各向同性,在一定的应力幅度内钢材的反应几乎是完全弹性的,加之冶炼和轧制过程中材质波动的范围小,因此,钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合,有助于提供设计施工的精确性.

2.钢结构在建筑上的应用优势.钢结构所具备的上述特点使其在建筑应用上具有砖混结构、混凝土结构所没有的独特优势.首先,钢结构自重轻,且延性好,因此所建建筑的抗震性能优良,因其总质量小,地震力效应相应也小,而其良好的延性也能对地震效应起到缓冲作用、混凝土施工时管道般需要在梁底通过,这样会占用较大空间,使楼层净高减少、而使用钢结构可在梁腹板处开孔走管道,因此建造相同的楼层高度,采用钢结构可达到提高层间净高的效果.此外,与传统结构需要“肥梁胖柱”才能建造较大开间相比,由于钢结构轻质高强,因此可以简中实现大跨与复杂几何结构,创造开放式住宅.

3.钢结构的不足.钢结构因其优势而得到广泛应用,近年来产生的钢结构住宅也促进了住宅产业化的发展进程,尤其钢结构使用过程的环保性还符合社会可持续发展的需要,带来了良好的综合效益、但钢材也存在其固有不足、比如钢材的耐腐蚀性和耐火性较差,因此钢结构使用时需要进行较严格的防护,其防护时费用高于钢筋混凝土结构、钢材虽有一定的耐热性,但在温度达150℃以上时,钢结构需要加隔热层加以保护、钢材不耐火,重要的结构必须注意采取防火措施、钢材的强度高,所做构件多数壁薄且截面较小,受压时为了在强度与稳定之间取得最优,往往满足了稳定的要求,而使得强度不能充分发挥等.

四、建筑钢结构设计中应注意的问题

1.钢结构住宅的设计.钢结构住宅有低层和多层之分、低层一般用于别墅,而多层用于公寓、根据抗震规范GB50011对12层以下和以上房屋的不同要求,建造钢结构住宅一般不宜超过12层.钢结构住宅抗震性能受结构布置规则性影响、因此,其平面布置应力求规则、对称、不规则布置在地震时容易遭到损坏.

2.钢结构稳定性设计的经验.（1）借助于计算机技术和相关软件的发展,目前钢结构设计中结构和构件的平面内强度及整体稳定计算可由计算机辅助完成,而由设计者对结构和构件的平面外强度及稳定计算,进行分析、计算和设计、为了提高效率和提供方便,在设计时可将整个结构按标高进行分解,简化成不同水平荷载作用下的多个布置形式的结构体系来进行强度和稳定的计算.（2）受弯钢构件的板件局部稳定可以通过几种方式实现：①限制板件宽厚比,使之达到屈曲的极限承载能力,不在构件整体失效前屈曲；②允许板件在构件整体失效前屈曲,然后利用其屈曲后强度达到构件的承载能力；③对梁设置横向或纵向加劲肋,以解决不考虑屈曲后强度的梁的局部稳定问题.（3）轴心受压构件和压弯构件局部稳定也可通过两种方式实现,分别是控制翼缘板自由外伸宽度与其厚度之比和控制腹板计算高度与其厚度之比,如果受压构件为圆管截面,则应控制外径与壁厚之比.

钢结构自重轻、强度高、工业化程度高等优点,在建筑工程中得到了广泛的应用,同时钢结构建筑还符合国家的可持续发展战略、发展钢结构建筑对提高城市建设水平有很大作用、在钢结构设计中要充分考虑材料的优缺点,综合考虑各方面的因素加强对结构的整体稳定、局部稳定以及平面外稳定的设计,克服结构设计缺陷,避免出现失稳事故,加快钢结构应用领域的发展.