建築鋼結構的穩定設計研究
【摘 要】 隨著建築類經濟快速的發展，工業建築應用鋼結構的越來越多。防止結構失穩，是鋼結構設計中應充分注意的問題。本文闡述了鋼結構的特性及在建築上的應用，並對其穩定性的設計進行分析，根據設計經驗進行總結，為後續設計施工提供技術支援。
【關鍵詞】 剛結構；穩定性；設計
工業建築鋼結構的穩定問題在設計中，設計人員應該注重結構構件的穩定效能，以免在設計過程中發生不必要的失穩損失；其次，隨著新型結構的出現，設計人員對其效能認識的不足，從而導致構件的失穩，就這個問題闡述了新型結構現存的問題，並且針對問題論述了產生的原因。
1建築鋼結構的穩定性設計
鋼結構的穩定性設計、在各種型別的鋼結構中，由於結構失穩造成的傷亡事故時有發生、為了更好地保證鋼結構穩定設計中構件不失穩定，保證工程質量及使用安全，有必要對鋼結構的穩定性設計進行詳細探討。
1.1鋼結構穩定性的概念。鋼結構強度小或失穩都會造成結構破壞，但是強度與穩定的概念並不相同、鋼結構的強度是一個應力問題，指結構或者單個構件在穩定平衡狀態下由荷載引起的最大應力***或內力***是否超過建築材料的極限強度、鋼材以其屈服點作為極限強度、而穩定是一個變形問題，構件所受外部荷載與結構內部抵抗力間是不穩定的，關鍵是找出這一不穩定的平衡狀態，避免變形急劇增長而發生失穩破壞。
1.2.1鋼結構佈置必須從體系和各組成部分的穩定性要求整體考慮，目前鋼結構大多是按照平面體系進行設計，如桁架和框架、保證平面結構不出現平面外失穩，要求平面結構構件的平面穩定計算需與結構佈置相一致，如增加必要的支撐構件等。
1.2.2實用計算方法所依據的簡圖與結構計算簡圖保持一致中層或多層框架結構設計框架穩定分析通常是省略的，只進行框架柱的穩定計算、由於框架各柱的杆件穩定計算的常用力法、穩定引數等是依據一定的簡化典型情況或假設者得出的，因此設計者要能保證所有的條件符合假設時才能應用。
2.1基本原則。建築鋼結構的設計必須符合一定的原則，確保所設計的結構合理，安全可靠。①所做結構設計應符合建築物的使用要求，有足夠的強度、剛度和穩定性，有良好的耐久性；②所設計結構應儘可能節約鋼材，減輕鋼結構重量；儘可能縮短製造、安裝時間，應便於運輸、便於維護，減少成本；③儘量注意美觀，對於外露結構有一定建築美學要求。
2.2設計過程。
2.2.1收集資料：鋼結構設計過程的前期準備工作首要的就是要收集相關資料，包括各種環境資料、相關規範和標準等、目前我國實行的是《鋼結構設計規範》GB50017-2003其次，還需要了解結構設計的習慣做法，根據以往的設計經驗找出最優設計方案。
2.2.2確定結構體系、柱網：鋼結構體系的確定主要考慮兩個方面:橫向結構系統和縱向結構系統。橫向系統需要綜合考慮建築使用要求、剛度要求、結構受力情況、材料選用等具體情況來確定；縱向系統一般由相關構件如柱及其支撐、壓架、車樑及制動樑或桁架、牆樑等組成、柱網則需要依據建築使用要求、經濟柱距及跨度、建築美觀等方面要求來設計、其它方面的考慮還包括造價、跨度、製作安裝難度等。
3建築鋼結構的優勢與不足
3.1鋼結構的材料優勢。鋼結構是用鋼板、熱軋型鋼或冷加工成型的薄壁型鋼製造而成的，和混凝土等其它材料的結構相比，鋼結構具有諸多優勢：首先，鋼材的強度高，塑性和韌性好、強度高使其適用於跨度大或荷載很大的構件和結構，而塑性和韌性好對動力荷載的適應性較強，不會輕易因超載而突然斷裂、鋼結構還具有良好的吸能能力和延性，這賦予了鋼結構優越的抗震效能。其次，鋼材內部組織接近於勻質和各向同性，在一定的應力幅度內鋼材的反應幾乎是完全彈性的，加之冶煉和軋製過程中材質波動的範圍小，因此，鋼結構的實際受力情況和工程力學計算結果比較符合，有助於提供設計施工的精確性。
3.2鋼結構在建築上的應用優勢。鋼結構所具備的上述特點使其在建築應用上具有磚混結構、混凝土結構所沒有的獨特優勢。首先，鋼結構自重輕，且延性好，因此所建建築的抗震效能優良，因其總質量小，地震力效應相應也小，而其良好的延性也能對地震效應起到緩衝作用、混凝土施工時管道般需要在樑底通過，這樣會佔用較大空間，使樓層淨高減少、而使用鋼結構可在樑腹板處開孔走管道，因此建造相同的樓層高度，採用鋼結構可達到提高層間淨高的效果。此外，與傳統結構需要“肥樑胖柱”才能建造較大開間相比，由於鋼結構輕質高強，因此可以簡中實現大跨與複雜幾何結構，創造開放式住宅。
3.3鋼結構的不足。鋼結構因其優勢而得到廣泛應用，近年來產生的鋼結構住宅也促進了住宅產業化的發展程序，尤其鋼結構使用過程的環保性還符合社會可持續發展的需要，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，因此鋼結構使用時需要進行較嚴格的防護，其防護時費用高於鋼筋混凝土結構、鋼材雖有一定的耐熱性，但在溫度達150℃以上時，鋼結構需要加隔熱層加以保護、鋼材不耐火，重要的結構必須注意採取防火措施、鋼材的強度高，所做構件多數壁薄且截面較小，受壓時為了在強度與穩定之間取得最優，往往滿足了穩定的要求，而使得強度不能充分發揮等。
4建築鋼結構設計中應注意的問題
4.1鋼結構住宅的設計。鋼結構住宅有低層和多層之分、低層一般用於別墅，而多層用於公寓、根據抗震規範GB50011對12層以下和以上房屋的不同要求，建造鋼結構住宅一般不宜超過12層。鋼結構住宅抗震效能受結構佈置規則性影響、因此，其平面佈置應力求規則、對稱、不規則佈置在地震時容易遭到損壞。
4.3鋼結構穩定性設計的經驗。
4.3.1藉助於計算機技術和相關軟體的發展，目前鋼結構設計中結構和構件的平面內強度及整體穩定計算可由計算機輔助完成，而由設計者對結構和構件的平面外強度及穩定計算，進行分析、計算和設計、為了提高效率和提供方便，在設計時可將整個結構按標高進行分解，簡化成不同水平荷載作用下的多個佈置形式的結構體系來進行強度和穩定的計算。
4.3.2受彎鋼構件的板件區域性穩定可以通過幾種方式實現:①限制板件寬厚比，使之達到屈曲的極限承載能力，不在構件整體失效前屈曲；②允許板件在構件整體失效前屈曲，然後利用其屈曲後強度達到構件的承載能力；③對樑設定橫向或縱向加勁肋，以解決不考慮屈曲後強度的樑的區域性穩定問題。
4.3.3軸心受壓構件和壓彎構件區域性穩定也可通過兩種方式實現，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算高度與其厚度之比，如果受壓構件為圓管截面，則應控制外徑與壁厚之比。
鋼結構自重輕、強度高、工業化程度高等優點，在建築工程中得到了廣泛的應用，同時鋼結構建築還符合國家的可持續發展戰略、發展鋼結構建築對提高城市建設水平有很大作用、在鋼結構設計中要充分考慮材料的優缺點，綜合考慮各方面的因素加強對結構的整體穩定、區域性穩定以及平面外穩定的設計，克服結構設計缺陷，避免出現失穩事故，加快鋼結構應用領域的發展。
參考文獻
1黃友江，鋼結構的穩定設計分析[J].黑龍江科技資訊，2009
2陳淑燕，提高鋼結構設計穩定性的有效策略[J].城市建設與商業刊點，2009
【關鍵詞】 剛結構；穩定性；設計
工業建築鋼結構的穩定問題在設計中，設計人員應該注重結構構件的穩定效能，以免在設計過程中發生不必要的失穩損失；其次，隨著新型結構的出現，設計人員對其效能認識的不足，從而導致構件的失穩，就這個問題闡述了新型結構現存的問題，並且針對問題論述了產生的原因。
1建築鋼結構的穩定性設計
鋼結構的穩定性設計、在各種型別的鋼結構中，由於結構失穩造成的傷亡事故時有發生、為了更好地保證鋼結構穩定設計中構件不失穩定，保證工程質量及使用安全，有必要對鋼結構的穩定性設計進行詳細探討。
1.1鋼結構穩定性的概念。鋼結構強度小或失穩都會造成結構破壞，但是強度與穩定的概念並不相同、鋼結構的強度是一個應力問題，指結構或者單個構件在穩定平衡狀態下由荷載引起的最大應力***或內力***是否超過建築材料的極限強度、鋼材以其屈服點作為極限強度、而穩定是一個變形問題，構件所受外部荷載與結構內部抵抗力間是不穩定的，關鍵是找出這一不穩定的平衡狀態，避免變形急劇增長而發生失穩破壞。
1.2.1鋼結構佈置必須從體系和各組成部分的穩定性要求整體考慮，目前鋼結構大多是按照平面體系進行設計，如桁架和框架、保證平面結構不出現平面外失穩，要求平面結構構件的平面穩定計算需與結構佈置相一致，如增加必要的支撐構件等。
1.2.2實用計算方法所依據的簡圖與結構計算簡圖保持一致中層或多層框架結構設計框架穩定分析通常是省略的，只進行框架柱的穩定計算、由於框架各柱的杆件穩定計算的常用力法、穩定引數等是依據一定的簡化典型情況或假設者得出的，因此設計者要能保證所有的條件符合假設時才能應用。
2.1基本原則。建築鋼結構的設計必須符合一定的原則，確保所設計的結構合理，安全可靠。①所做結構設計應符合建築物的使用要求，有足夠的強度、剛度和穩定性，有良好的耐久性；②所設計結構應儘可能節約鋼材，減輕鋼結構重量；儘可能縮短製造、安裝時間，應便於運輸、便於維護，減少成本；③儘量注意美觀，對於外露結構有一定建築美學要求。
2.2設計過程。
2.2.1收集資料：鋼結構設計過程的前期準備工作首要的就是要收集相關資料，包括各種環境資料、相關規範和標準等、目前我國實行的是《鋼結構設計規範》GB50017-2003其次，還需要了解結構設計的習慣做法，根據以往的設計經驗找出最優設計方案。
2.2.2確定結構體系、柱網：鋼結構體系的確定主要考慮兩個方面:橫向結構系統和縱向結構系統。橫向系統需要綜合考慮建築使用要求、剛度要求、結構受力情況、材料選用等具體情況來確定；縱向系統一般由相關構件如柱及其支撐、壓架、車樑及制動樑或桁架、牆樑等組成、柱網則需要依據建築使用要求、經濟柱距及跨度、建築美觀等方面要求來設計、其它方面的考慮還包括造價、跨度、製作安裝難度等。
3建築鋼結構的優勢與不足
3.1鋼結構的材料優勢。鋼結構是用鋼板、熱軋型鋼或冷加工成型的薄壁型鋼製造而成的，和混凝土等其它材料的結構相比，鋼結構具有諸多優勢：首先，鋼材的強度高，塑性和韌性好、強度高使其適用於跨度大或荷載很大的構件和結構，而塑性和韌性好對動力荷載的適應性較強，不會輕易因超載而突然斷裂、鋼結構還具有良好的吸能能力和延性，這賦予了鋼結構優越的抗震效能。其次，鋼材內部組織接近於勻質和各向同性，在一定的應力幅度內鋼材的反應幾乎是完全彈性的，加之冶煉和軋製過程中材質波動的範圍小，因此，鋼結構的實際受力情況和工程力學計算結果比較符合，有助於提供設計施工的精確性。
3.2鋼結構在建築上的應用優勢。鋼結構所具備的上述特點使其在建築應用上具有磚混結構、混凝土結構所沒有的獨特優勢。首先，鋼結構自重輕，且延性好，因此所建建築的抗震效能優良，因其總質量小，地震力效應相應也小，而其良好的延性也能對地震效應起到緩衝作用、混凝土施工時管道般需要在樑底通過，這樣會佔用較大空間，使樓層淨高減少、而使用鋼結構可在樑腹板處開孔走管道，因此建造相同的樓層高度，採用鋼結構可達到提高層間淨高的效果。此外，與傳統結構需要“肥樑胖柱”才能建造較大開間相比，由於鋼結構輕質高強，因此可以簡中實現大跨與複雜幾何結構，創造開放式住宅。
3.3鋼結構的不足。鋼結構因其優勢而得到廣泛應用，近年來產生的鋼結構住宅也促進了住宅產業化的發展程序，尤其鋼結構使用過程的環保性還符合社會可持續發展的需要，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，因此鋼結構使用時需要進行較嚴格的防護，其防護時費用高於鋼筋混凝土結構、鋼材雖有一定的耐熱性，但在溫度達150℃以上時，鋼結構需要加隔熱層加以保護、鋼材不耐火，重要的結構必須注意採取防火措施、鋼材的強度高，所做構件多數壁薄且截面較小，受壓時為了在強度與穩定之間取得最優，往往滿足了穩定的要求，而使得強度不能充分發揮等。
4建築鋼結構設計中應注意的問題
4.1鋼結構住宅的設計。鋼結構住宅有低層和多層之分、低層一般用於別墅，而多層用於公寓、根據抗震規範GB50011對12層以下和以上房屋的不同要求，建造鋼結構住宅一般不宜超過12層。鋼結構住宅抗震效能受結構佈置規則性影響、因此，其平面佈置應力求規則、對稱、不規則佈置在地震時容易遭到損壞。
4.3鋼結構穩定性設計的經驗。
4.3.1藉助於計算機技術和相關軟體的發展，目前鋼結構設計中結構和構件的平面內強度及整體穩定計算可由計算機輔助完成，而由設計者對結構和構件的平面外強度及穩定計算，進行分析、計算和設計、為了提高效率和提供方便，在設計時可將整個結構按標高進行分解，簡化成不同水平荷載作用下的多個佈置形式的結構體系來進行強度和穩定的計算。
4.3.2受彎鋼構件的板件區域性穩定可以通過幾種方式實現:①限制板件寬厚比，使之達到屈曲的極限承載能力，不在構件整體失效前屈曲；②允許板件在構件整體失效前屈曲，然後利用其屈曲後強度達到構件的承載能力；③對樑設定橫向或縱向加勁肋，以解決不考慮屈曲後強度的樑的區域性穩定問題。
4.3.3軸心受壓構件和壓彎構件區域性穩定也可通過兩種方式實現，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算高度與其厚度之比，如果受壓構件為圓管截面，則應控制外徑與壁厚之比。
鋼結構自重輕、強度高、工業化程度高等優點，在建築工程中得到了廣泛的應用，同時鋼結構建築還符合國家的可持續發展戰略、發展鋼結構建築對提高城市建設水平有很大作用、在鋼結構設計中要充分考慮材料的優缺點，綜合考慮各方面的因素加強對結構的整體穩定、區域性穩定以及平面外穩定的設計，克服結構設計缺陷，避免出現失穩事故，加快鋼結構應用領域的發展。
參考文獻
1黃友江，鋼結構的穩定設計分析[J].黑龍江科技資訊，2009
2陳淑燕，提高鋼結構設計穩定性的有效策略[J].城市建設與商業刊點，2009
▸ 建築鋼結構合同