試論建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)
摘 要：隨著建筑類經(jīng)濟(jì)快速的發(fā)展，工業(yè)建筑應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的越來越多。防止結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分注意的問題。本文闡述了鋼結(jié)構(gòu)的特性及在建筑上的應(yīng)用，并對其穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，為后續(xù)設(shè)計(jì)施工提供技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞：剛結(jié)構(gòu);穩(wěn)定性;設(shè)計(jì)
工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題在設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該注重結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性能，以免在設(shè)計(jì)過程中發(fā)生不必要的失穩(wěn)損失;其次，隨著新型結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員對其性能認(rèn)識的不足，從而導(dǎo)致構(gòu)件的失穩(wěn)，就這個(gè)問題闡述了新型結(jié)構(gòu)現(xiàn)存的問題，并且針對問題論述了產(chǎn)生的原因。
1、建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)
鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)中，由于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成的傷亡事故時(shí)有發(fā)生、為了更好地保證鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)中構(gòu)件不失穩(wěn)定，保證工程質(zhì)量及使用安全，有必要對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)探討。
1.1鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的概念。鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度小或失穩(wěn)都會造成結(jié)構(gòu)破壞，但是強(qiáng)度與穩(wěn)定的概念并不相同、鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是一個(gè)應(yīng)力問題，指結(jié)構(gòu)或者單個(gè)構(gòu)件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載引起的最大應(yīng)力(或內(nèi)力)是否超過建筑材料的極限強(qiáng)度、鋼材以其屈服點(diǎn)作為極限強(qiáng)度、而穩(wěn)定是一個(gè)變形問題，構(gòu)件所受外部荷載與結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力間是不穩(wěn)定的，關(guān)鍵是找出這一不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，避免變形急劇增長而發(fā)生失穩(wěn)破壞。
1.2鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要點(diǎn)。在符合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則前提下，要保證鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性還需滿足以下條件：
1.2.1鋼結(jié)構(gòu)布置必須從體系和各組成部分的穩(wěn)定性要求整體考慮，目前鋼結(jié)構(gòu)大多是按照平面體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，如桁架和框架、保證平面結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，要求平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面穩(wěn)定計(jì)算需與結(jié)構(gòu)布置相一致，如增加必要的支撐構(gòu)件等。
1.2.2實(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡圖與結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖保持一致中層或多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架穩(wěn)定分析通常是省略的，只進(jìn)行框架柱的穩(wěn)定計(jì)算、由于框架各柱的桿件穩(wěn)定計(jì)算的常用力法、穩(wěn)定參數(shù)等是依據(jù)一定的簡化典型情況或假設(shè)者得出的，因此設(shè)計(jì)者要能保證所有的條件符合假設(shè)時(shí)才能應(yīng)用。
2、建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1基本原則。建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須符合一定的原則，確保所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)合理，安全可靠。①所做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合建筑物的使用要求，有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，有良好的耐久性;②所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能節(jié)約鋼材，減輕鋼結(jié)構(gòu)重量;盡可能縮短制造、安裝時(shí)間，應(yīng)便于運(yùn)輸、便于維護(hù)，減少成本;③盡量注意美觀，對于外露結(jié)構(gòu)有一定建筑美學(xué)要求。
2.2設(shè)計(jì)過程。
2.2.1收集資料：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程的前期準(zhǔn)備工作首要的就是要收集相關(guān)資料，包括各種環(huán)境資料、相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等、目前我國實(shí)行的是《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003其次，還需要了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的習(xí)慣做法，根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)找出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
2.2.2確定結(jié)構(gòu)體系、柱網(wǎng)：鋼結(jié)構(gòu)體系的確定主要考慮兩個(gè)方面:橫向結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和縱向結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。橫向系統(tǒng)需要綜合考慮建筑使用要求、剛度要求、結(jié)構(gòu)受力情況、材料選用等具體情況來確定;縱向系統(tǒng)一般由相關(guān)構(gòu)件如柱及其支撐、壓架、車梁及制動梁或桁架、墻梁等組成、柱網(wǎng)則需要依據(jù)建筑使用要求、經(jīng)濟(jì)柱距及跨度、建筑美觀等方面要求來設(shè)計(jì)、其它方面的考慮還包括造價(jià)、跨度、制作安裝難度等。
3、建筑鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢與不足
3.1鋼結(jié)構(gòu)的材料優(yōu)勢。鋼結(jié)構(gòu)是用鋼板、熱軋型鋼或冷加工成型的薄壁型鋼制造而成的，和混凝土等其它材料的結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)勢：首先，鋼材的強(qiáng)度高，塑性和韌性好、強(qiáng)度高使其適用于跨度大或荷載很大的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)，而塑性和韌性好對動力荷載的適應(yīng)性較強(qiáng)，不會輕易因超載而突然斷裂、鋼結(jié)構(gòu)還具有良好的吸能能力和延性，這賦予了鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)越的抗震性能。其次，鋼材內(nèi)部組織接近于勻質(zhì)和各向同性，在一定的應(yīng)力幅度內(nèi)鋼材的反應(yīng)幾乎是完全彈性的，加之冶煉和軋制過程中材質(zhì)波動的范圍小，因此，鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況和工程力學(xué)計(jì)算結(jié)果比較符合，有助于提供設(shè)計(jì)施工的精確性。
3.2鋼結(jié)構(gòu)在建筑上的應(yīng)用優(yōu)勢。鋼結(jié)構(gòu)所具備的上述特點(diǎn)使其在建筑應(yīng)用上具有磚混結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)所沒有的獨(dú)特優(yōu)勢。首先，鋼結(jié)構(gòu)自重輕，且延性好，因此所建建筑的抗震性能優(yōu)良，因其總質(zhì)量小，地震力效應(yīng)相應(yīng)也小，而其良好的延性也能對地震效應(yīng)起到緩沖作用、混凝土施工時(shí)管道般需要在梁底通過，這樣會占用較大空間，使樓層凈高減少、而使用鋼結(jié)構(gòu)可在梁腹板處開孔走管道，因此建造相同的樓層高度，采用鋼結(jié)構(gòu)可達(dá)到提高層間凈高的效果。此外，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要 “肥梁胖柱”才能建造較大開間相比，由于鋼結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強(qiáng)，因此可以簡中實(shí)現(xiàn)大跨與復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造開放式住宅。
3.3鋼結(jié)構(gòu)的不足。鋼結(jié)構(gòu)因其優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用，近年來產(chǎn)生的鋼結(jié)構(gòu)住宅也促進(jìn)了住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展進(jìn)程，尤其鋼結(jié)構(gòu)使用過程的環(huán)保性還符合社會可持續(xù)發(fā)展的需要，帶來了良好的綜合效益、但鋼材也存在其固有不足、比如鋼材的耐腐蝕性和耐火性較差，因此鋼結(jié)構(gòu)使用時(shí)需要進(jìn)行較嚴(yán)格的防護(hù)，其防護(hù)時(shí)費(fèi)用高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼材雖有一定的耐熱性，但在溫度達(dá)150℃以上時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)需要加隔熱層加以保護(hù)、鋼材不耐火，重要的結(jié)構(gòu)必須注意采取防火措施、鋼材的強(qiáng)度高，所做構(gòu)件多數(shù)壁薄且截面較小，受壓時(shí)為了在強(qiáng)度與穩(wěn)定之間取得最優(yōu)，往往滿足了穩(wěn)定的要求，而使得強(qiáng)度不能充分發(fā)揮等。
4、建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題
4.1鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)。鋼結(jié)構(gòu)住宅有低層和多層之分、低層一般用于別墅，而多層用于公寓、根據(jù)抗震規(guī)范GB50011對12層以下和以上房屋的不同要求，建造鋼結(jié)構(gòu)住宅一般不宜超過12層。鋼結(jié)構(gòu)住宅抗震性能受結(jié)構(gòu)布置規(guī)則性影響、因此，其平面布置應(yīng)力求規(guī)則、對稱、不規(guī)則布置在地震時(shí)容易遭到損壞。
4.3鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。
4.3.1借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)軟件的發(fā)展，目前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的平面內(nèi)強(qiáng)度及整體穩(wěn)定計(jì)算可由計(jì)算機(jī)輔助完成，而由設(shè)計(jì)者對結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的平面外強(qiáng)度及穩(wěn)定計(jì)算，進(jìn)行分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)、為了提高效率和提供方便，在設(shè)計(jì)時(shí)可將整個(gè)結(jié)構(gòu)按標(biāo)高進(jìn)行分解，簡化成不同水平荷載作用下的多個(gè)布置形式的結(jié)構(gòu)體系來進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定的計(jì)算。
4.3.2受彎鋼構(gòu)件的板件局部穩(wěn)定可以通過幾種方式實(shí)現(xiàn):①限制板件寬厚比，使之達(dá)到屈曲的極限承載能力，不在構(gòu)件整體失效前屈曲;②允許板件在構(gòu)件整體失效前屈曲，然后利用其屈曲后強(qiáng)度達(dá)到構(gòu)件的承載能力;③對梁設(shè)置橫向或縱向加勁肋，以解決不考慮屈曲后強(qiáng)度的梁的局部穩(wěn)定問題。
4.3.3軸心受壓構(gòu)件和壓彎構(gòu)件局部穩(wěn)定也可通過兩種方式實(shí)現(xiàn)，分別是控制翼緣板自由外伸寬度與其厚度之比和控制腹板計(jì)算高度與其厚度之比，如果受壓構(gòu)件為圓管截面，則應(yīng)控制外徑與壁厚之比。
鋼結(jié)構(gòu)自重輕、強(qiáng)度高、工業(yè)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)建筑還符合國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑對提高城市建設(shè)水平有很大作用、在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要充分考慮材料的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮各方面的因素加強(qiáng)對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定以及平面外穩(wěn)定的設(shè)計(jì)，克服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，避免出現(xiàn)失穩(wěn)事故，加快鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。
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