浅析建筑钢结构设计中稳定性措施

浅析建筑钢结构设计中稳定性措施

张守筠  唐逊彬 

云南省设计院集团有限公司，云南昆明 650100

摘要：建筑行业发展中，随着建筑工程规模的扩大，传统的结构形式难以满足建筑的需要，需要结合工程实际对结构进行改进。钢结构作为将钢材料作为构件的结构形式，具有很强的优势，就成为现阶段建筑的关键。所以实际施工环节，就需要相关人员加强对建筑钢结构的重视，根据施工需要对其稳定性进行保证，从而保证整个工程的质量。本文就从建筑钢结构设计入手，分析钢结构的特点与优势，并且通过文献综述的方式阐述其可能存在的稳定性问题，并且针对性地制定稳定性保证策略，以充分发挥钢结构的功能。

关键词：建筑工程；钢结构；稳定性；结构设计

随着城市化进程的加快，社会对于建筑工程的需求不断提升，建筑行业的发展就十分迅速。再加上施工工艺的进步，高层建筑就成为建筑行业发展方向之一，在增加空间面积的基础上降低了对土地的占用。但是高层建筑对于结构质量的要求较高，传统建筑结构难以满足要求，钢结构就成为建筑的主体结构之一，需要施工人员结合工程需要合理地进行设计。但是建筑钢结构本身技术性较强，再加上建筑工程结构较为复杂，钢结构设计环节很容易出现稳定性问题。所以建筑钢结构设计环节，还要求相关人员结合实际施工需要对可能存在的稳定性问题进行分析，针对性地制定解决策略，以保证建筑钢结构的质量，推动建筑行业的发展。

一、建筑钢结构设计概述

（一）建筑钢结构设计的概念

建筑钢结构是指采用钢材作为主要构件的建筑结构形式。它具有重量轻、强度高、施工方便、耐久性好等特点，广泛应用于大型工业厂房、商业综合体、桥梁、塔架等领域。建筑钢结构的设计是一个复杂而严谨的过程，需要考虑许多因素，包括荷载、结构刚度、材料强度、连接方式、防火和防腐等。现阶段的钢结构设计主要步骤有确定结构形式和荷载、选择材料和计算强度、确定节点和连接方式、计算结构刚度和变形、进行防火和防腐设计以及进行结构分析和验算等，较为复杂。

（二）建筑钢结构设计的特点与优势

建筑钢结构设计有多样化的特点与优势，首先是重量轻的特点，相对于混凝土结构，钢结构的重量轻很多，可以减轻建筑物所受荷载，降低地基要求；其次是强度高的优势，钢结构的强度高，可以承受较大的荷载，有利于提高建筑物的抗震性和抗风性能；之后是施工方便的特点，钢结构的构件可以在工厂中预制并现场拼装，可以简化施工流程，节约工期和人力成本；然后是可塑性好的特点，钢结构具有良好的可塑性，可以根据需要进行加工和变形；此外还有环保节能的优势，钢结构可以实现材料的回收和再利用，符合环保要求。此外，钢结构可以采用保温材料进行隔热，有利于节能降耗。综上所述，建筑钢结构设计具有轻、强、美、快、省、绿等特点，是一种先进的建筑结构形式。

图1  建筑钢结构

二、建筑钢结构设计的难点

建筑钢结构设计需要兼顾工程的特点以及需要，所以设计环节还存在一些难点，需要相关人员进行深入分析。首先是节点设计方面的问题，钢结构节点是连接各构件的部位，是结构的薄弱环节，需要考虑连接方式的可行性和节点受力情况，选择合适的连接件或焊接方式；其次是变形控制方面的问题，钢结构在荷载下容易产生变形，需要在设计中考虑结构的刚度和不同部位的变形控制；然后，建筑物在地震发生时需要有足够的抗震能力，而钢结构在抗震设计中需要考虑多种因素，如结构刚度、材料强度、节点连接等。综上所述，建筑钢结构设计的难点在于需要考虑多种因素，并且要满足国家和地方的相关规范要求。需要有专业的设计团队进行设计和优化，确保结构的安全性、可靠性、经济性和美观性，具有一定的难度。

图2  钢结构设计流程

三、建筑钢结构设计存在的稳定性问题

稳定性问题是制约建筑钢结构设计的关键性问题之一，直接影响钢结构功能的发挥，甚至是造成安全隐患，所以稳定性的控制就成为钢结构设计的关键性一环，需要相关人员结合实际进行设计。现阶段建筑钢结构稳定性问题主要包括以下方面：一是屈曲稳定性，建筑钢结构在受到压力时，可能会发生屈曲稳定性问题。因此，在设计中需要考虑构件的截面形状、长度和强度等因素，以确保其能够承受所需荷载，同时满足稳定性要求；二是局部稳定性，建筑钢结构中某些局部构件可能会出现局部稳定性问题，例如薄板、角钢、螺栓连接等。在设计中需要合理选择构造形式和材料，加强局部构件的刚度和稳定性；三是抗扭稳定性，建筑钢结构在受到外力作用时，可能会发生抗扭稳定性问题。因此，在设计中需要考虑构件剪力和扭矩的影响，采取合理的加强措施，以提高抗扭稳定性；四是摆振稳定性，建筑钢结构在受到水平地震或风荷载作用时，可能会产生摆振稳定性问题。在设计中需要考虑结构的自振周期和阻尼比等因素，采取合理的措施来控制结构的振动，提高稳定性【1】。所以说，建筑钢结构设计稳定性问题是需要重视和解决的问题，需要在设计中考虑各种因素，根据实际情况选择合适的结构形式、材料和连接方式等，以确保建筑钢结构的稳定性和安全性。

图3  建筑钢结构安全保证体系

四、建筑钢结构设计中稳定性措施

针对建筑钢结构设计环节可能存在的稳定性问题，相关人员需要加强对其的重视，并且结合实际进行设计，针对性地进行治理，以规避可能存在的安全隐患。

（一）稳定性问题成因分析

要想对钢结构的稳定性问题进行解决，关键就在于成因的了解，要求施工设计人员结合建筑工程的实际状况，对可能导致稳定性问题的原因进行分析，以方便后续的治理。首先是材料的强度问题，建筑钢结构在受到荷载作用时，需要承受相应的应力，如果材料强度不足，则容易发生结构变形或破坏，导致稳定性问题；其次是设计方面的问题，某些部位的尺寸设计不合理，在建筑钢结构中，某些部位的尺寸设计可能会不合理，例如某些薄壁构件、连接点等，这些部位可能会出现屈曲、局部稳定性等问题，导致结构整体的稳定性下降；然后是荷载设计不合理问题，建筑钢结构所承受的荷载包括静载荷和动载荷，如果荷载设计不合理，可能会导致结构部分或整体失稳；之后是连接方式不合理，建筑钢结构中的连接方式可能会影响结构的稳定性，如果连接方式不合理，可能会导致结构整体的稳定性下降；此外还存在地震、风荷载等外部因素，建筑钢结构在受到地震、风荷载等外部因素作用时，可能会产生结构失稳现象。实际来看，建筑钢结构设计稳定性问题的成因是多方面的，需要在设计中考虑各种因素，采取合理的措施来提高结构的稳定性和安全性。

（二）重视截面形状以及尺寸的设计

建筑钢结构设计中，结构的截面形状以及尺寸直接影响结构的质量，需要设计者结合建筑工程的需要合理安排，以充分发挥钢结构的功能。首先，设计者需要根据结构受力情况，选择适当的截面形状，如I型、H型、C型等，这些截面形状具有较高的承载能力和屈曲稳定性。避免选择过于复杂或异形的截面，以免增加制造和施工的难度；其次，设计者在设计中需要控制截面的尺寸比例，避免过大或过小的比例，以提高结构的稳定性。例如，在梁的设计中，需要控制截面高度与宽度的比值，使其符合承载能力和屈曲稳定性的要求；然后，对于容易发生局部失稳的构件，如柱、薄壁构件等，需要特别关注其截面形状和尺寸的控制。通过增加剪力板、加强连接方式等手段来加强局部构件的稳定性；之后还需要在设计中需要控制截面的厚度，确保在受力情况下能够满足屈曲和承载能力的要求。并且需要选择合适的材料强度，以确保截面的稳定性；此外，截面形状和尺寸的控制不仅需要考虑结构的稳定性，还需要考虑结构的变形性能。在设计中需要进行综合考虑，找到合适的平衡点，使结构既能满足稳定性要求，又能控制变形【2】。实际来看，截面的形状以及尺寸设计很大程度上制约钢结构功能的发挥，要求相关人员通过合理选择截面形状和尺寸，并进行相应的控制，有效提高建筑钢结构的稳定性，确保其安全可靠运行。

（三）强化构件的刚度

钢结构功能的发挥与材料的刚度息息相关，所以构件的刚度就直接影响钢结构的稳定性，要求设计者根据需要增强钢结构的刚度。一是要合理增大截面尺寸，通过增加构件的截面尺寸，可以有效提高其抗弯刚度和承载能力。例如，在梁的设计中，可以增加梁的高度或宽度，从而提高其抗弯刚度；二是要使用高强度材料，应选择高强度的钢材可以增加构件的抗拉强度和刚度，从而提高其承载能力和稳定性；三是要增加腹板、肋板等加强构件的剪切刚度，通过增加构件的腹板、肋板等加强其剪切刚度，可以有效提高构件的稳定性。例如，在柱的设计中，可以在柱的四周加上腹板，从而增强其剪切刚度；四是增加支撑点，在构件的设计中增加支撑点可以有效提高其抗弯刚度和屈曲稳定性。例如，在梁的设计中，在梁的两端增加支撑点，可以减小梁的跨度，从而提高其抗弯刚度和稳定性。实际来看，增加构件的刚度是提高建筑钢结构稳定性的一种重要方法。在实际设计中，需要根据具体情况进行综合考虑和优化，以达到最优的稳定性保证效果。

（四）加强局部构件

在建筑钢结构设计中，加强局部构件可以提高结构的稳定性和承载能力，也就成为钢结构稳定的关键性手段，需要相关人员通过以下手段进行落实。首先，对于容易发生剪切失稳的局部构件，如柱、梁等，可以通过加装剪力板来增强其稳定性。剪力板通常通过焊接或螺栓连接在构件的侧面，能够提供额外的剪切刚度和承载能力；其次，对于容易产生屈曲失稳的局部构件，可以增加支撑来提高其稳定性。支撑可以是临时支撑或永久支撑，可以通过斜撑、斜杆等形式来增加局部构件的屈曲承载能力。然后，针对局部构件的受力区域或关键部位，可以加装加固板或加筋来增强其稳定性。加固板或加筋可以增加构件的刚度和承载能力，有效抵抗局部失稳现象；此外，在局部构件的设计中，需要考虑其与整体结构的相互作用。合理安排局部构件的位置、形状和尺寸，以确保其承载力和稳定性满足整体结构的要求。需要注意的是，在进行局部构件加强时，应遵循相关的设计规范和标准，并通过专业的结构分析和计算来验证加强效果。同时，施工过程中也需要严格按照设计要求进行操作，确保加强措施的有效实施。

（五）优化连接方式

连接方式作为钢结构连接的技术手段，会影响不同钢结构之间的连接质量，进而影响其稳定性，所以实际作业环节，就需要设计者对现有的连接方式进行优化，规避连接部位存在的失稳状况。一是要进行焊接连接，焊接是最常见和常用的连接方式之一。在优化焊接连接时，需要考虑焊缝的尺寸、形状和质量控制。合理选择焊接方法和材料，并进行必要的检测和验收，以确保焊接连接的刚度和强度满足设计要求；二是螺栓连接，螺栓连接适用于需要拆卸或调整的连接部位。在优化螺栓连接时，需要选择合适的螺栓规格和级别，确定正确的紧固扭矩，并进行适当的预紧力控制。此外，还应注意螺栓与连接板的配合精度和质量控制，以确保连接的稳定性和承载能力；三是高强度螺栓连接，对于特殊要求的连接，如需要承受高荷载或较大振动的连接部位，可以采用高强度螺栓连接。高强度螺栓连接具有更高的抗剪切和抗拉承载能力，可提供更好的稳定性和安全性；四是锚固连接，在结构中，需要将钢结构与混凝土或其他基础材料连接时，可以采用锚固连接。优化锚固连接需要选择合适的锚具类型和规格，进行正确的埋置和固定，以保证连接的刚度和承载能力；五是挤压连接，挤压连接是通过将构件的端部挤入另一构件的孔中形成连接。挤压连接可以提供较高的刚度和强度，适用于柱与梁、柱与柱之间的连接。在优化挤压连接时，需要控制挤压力和填充物的选用，确保连接的紧密性和稳定性。实际作业环节，连接方式的优化需要综合考虑结构的要求、材料特性、施工条件等因素【3】。在设计过程中，应遵循相关的规范和标准，并进行必要的结构分析和计算，以确保连接的可靠性和稳定性。

（六）重视风荷载的影响

在建筑钢结构设计中，考虑风荷载是确保结构稳定性的重要方面，需要设计者通过多样化的手段进行落实。首先，设计者需要考虑风荷载标准，应根据国家或地区的规范和标准，确定适用的风荷载标准。例如，在中国，常用的风荷载标准是《建筑抗风设计规范》（GB 50009-2012）。该标准提供了不同建筑类型和区域的风速、风压计算方法和规定；其次需要进行风荷载计算，需要根据风荷载标准计算结构所受的风荷载。风荷载计算通常涉及风速、风向、建筑形状、高度等参数。可以使用风洞试验、数值模拟或经验公式等方法进行风荷载计算；然后就需要进行结构响应分析，评估结构在风荷载作用下的变形和内力。这可以通过有限元分析等结构分析方法来完成。结构响应分析的结果可以用于优化结构设计、确定合适的材料规格和尺寸【4】。在考虑风荷载时，应考虑到结构的地理位置、高度、周围环境等因素对风荷载的影响，以确保结构的稳定性和安全性。

（七）重视阻尼措施

在建筑钢结构设计中，为了确保结构的稳定性和减小振动带来的不利影响，可以采取阻尼措施。实际作业环节，常见的阻尼措施主要有材料和构造形式选择、阻尼器、减振器以及结构设计优化等。实际设计环节，设计者需要根据具体的项目要求和设计条件选择合适的阻尼措施，并进行必要的计算、分析和验证。同时，还需要遵循相关的规范和标准，以确保所采取的阻尼措施能够有效地提高结构的稳定性和减小振动带来的不利影响。

五、结语

建筑工程中钢结构设计质量直接关系钢结构整体稳定性，设计阶段必须充分认识到结构失稳造成的严峻后果，加强细部设计、重视局部及薄弱环节，以结构整体稳定性基本原则为出发点，重点做好结构设计。结合工程实际情况，考虑建筑钢结构失稳类型，从而制定对应的改善处理措施，不断提升钢结构整体稳定性，从而保证建筑结构安全。

参考文献

[1]李亮. 建筑钢结构设计中稳定性措施 [J]. 建筑技术开发, 2021, 48 (13): 14-15.

[2]张旭,佟欢,董巍等. 建筑结构中关于钢结构设计的问题探讨 [J]. 居舍, 2019, (35): 93-94.

[3]杨友. 钢结构在建筑结构设计中存在的问题及其应对措施 [J]. 工程技术研究, 2019, 4 (21): 188-189.

[4]杨文南. 浅析建筑钢结构设计中稳定性设计措施 [J]. 民营科技, 2018, (04): 93.