建筑工程中钢结构设计的稳定性原则及设计研究.pdf

2023年第14 期中国高新科技47CIVILENGINEERING土木建筑建筑工程中钢结构设计的稳定性原则及设计研究陈然湖南省建筑材料研究设计院有限公司，湖南长沙4 10 0 0 0摘要：文章以具体建筑工程项目为例，对建筑工程中钢结构失稳的类型及产生的原因进行分析，并对钢结构设计中应遵守的主要原则及重点进行阐述。以促进钢结构的稳定性提升，使建筑各部分结构构件受力合理，创造优质高效工程，达到项目综合效益最大化目标。关键词：建筑工程；钢结构设计；稳定性；强柱弱梁文献标识码：A中图分类号：TU391文章编号：2 0 9 6-4 13 7（2 0 2 3）14-4 7-0 3D0l:10.13535/ki.10-1507/n.2023.14.10Stability principles and design research of steel structure design in construction engineeringCHEN RanHunan Building Materials Research and Design Institute Co.,Ltd.,Changsha 410000,ChinaAbstract:This article studies the types and causes of instability in steel structures in construction engineering,and elaborates on themain principles and key points that should be followed in the design of steel structures.In order to greatly improve the stability of thesteel structure,make the structural components of the building bear reasonable forces,create high-quality and efficient engineering,and achieve the goal of maximizing the comprehensive benefits of the project.Keywords:construction engineering;steel structure design;stability;strong columns and weak beams由于钢结构的特殊性和复杂性，相关工艺设计和施工工艺存在较大难度。随着现代科学技术的不断发展，借助信息技术可实现对钢结构稳定性和应力分布情况的检测，因此，在设计过程中，必须多维度考量钢结构的承载能力，确保其结构设计的稳定性。1二工程概况国欣向荣府项目位于长沙市雨花区马王堆南路和鑫雅路交汇处，处在高桥版块与武广版块之中，同时，这里也是主城老商业区树木岭中心地段。本项目建设用地面积9 4 7 4 8 m（一期基地南北最长约18 0 m，东西最宽约3 0 0 m），其中本期总建筑面积19 0 16 4.13 m，本期地上建筑面积15 7 0 17.9 6 m，项目由7 栋高层住宅（其中4#、7#栋高层底部带三层综合裙楼S1#S2#）、1栋幼儿园及2 栋门卫、1个地埋式垃圾站、地下车库等组成。2#7#栋住宅部分建筑分类为一类高层，建筑耐火等级为一级；1#栋（二类高层住宅）、S1#S2#（为4#7#栋的附属裙房）和地下室耐火等级为一级；幼儿园、门卫建筑耐火等级为二级。项目沿街商业裙楼包含一个钢结构商业连廊，部分住宅、办公楼以及商业裙楼包含大量钢结构雨棚设计。2钢结构不稳定的类别及成因2.1钢结构不稳定的类别从设计角度对钢架结构的稳定性进行分析，钢结构的不稳定性通常包括下列类型：（1）分支点失稳。是由于设计的分支点结构不合理而引起的一系列稳定性不良问题，钢结构承载力是有限的，如果实际载荷超出了其最大承载力，则会打破力学平衡，从而破坏其结构稳定性。（2）极限点失稳。在外型承重、不对称的结构设计中，由于偏压造成钢架承载力不够、稳定性降低，进而不断变形，从而产生不稳定现象。（3）跳跃失稳。是指钢结构的平衡形态突然发生跳跃，例如由受压变成受拉，必然会打破原有的平衡，破坏其稳定性，对建设项目的安全构成严重威胁。可以看出荷载对钢结构的稳定有很大影响，因此，必须对其承载力进行精确计算，并对其在失稳后的行为进行预测，从而强化其稳定性设计，以保证其总体目标的实现。2.2钢结构不稳定的成因在建设项目中钢结构的设计工作存在一些缺陷，从而造成钢结构失稳。（1）设计人员没有进行实地考察，对施工现场的环境因素未做必要的了解，只是依据过去的经验和项目数据盲目地进行钢结构设计，这样容易导致钢结构的性能较差，不能满足建筑的需要，从而在一定程度上提高了发生失稳问题的几率。（2）设计人员的专业程度和责任感较差，不能严格按照钢结构的设计规范来进行设计工作，未完全了解钢结构不稳定的原因，所采取的对策缺少针对性，从而影响建筑整体结构的稳定性。（3）目前，国内外对钢结构的稳定设计与防火、防腐和抗震等方面的设计缺少协调，如果房屋的抗震能力达不到规范标准，将引发房屋的稳定性问题，一旦发生大震，房屋很快倒塌，住户难以安全撤离，造成的损失将会无法估计。3钅钢结构设计稳定性原则钢结构设计的稳定性计算总则如图1所示。中国高新科技2023年第14 期48土木建筑CIVILENGINEERING计算总则非抗震结构弹性分析计算内力和位移抗震结构小震验算弹性分析内力位移对于茶些大震验算弹型性分文形验算高层析图1钢结构设计稳定性计算总则3.1保证结构稳定在建筑工程中钢结构的设计是比较困难的，如果对其中任何一种影响因素缺乏充分考虑，就容易导致不稳定问题。所以，在进行设计工作时，必须要积极强化设计人员与其他单位部门之间的交流，对业主方的真实需求及施工方的技术水平有更多了解，不断对设计方案进行优化，并对数据误差值进行控制。采用现代工程技术手段，在早期识别出钢结构的稳定性和承载力问题，并通过不断优化使其满足有关规范要求，大幅提升其稳定性，从而有效保障建筑使用者的生命安全。3.2分析钢结构受力中国的建筑业正持续快速的发展，各种形状的不规则建筑已成为一种趋势，它给人们提供了一种更为新颖的美学感受，其中最显著的就是倾斜立柱的使用，这对钢结构的稳定设计有更高的要求。设计者应在设计图上清楚地标示出倾斜支柱的位置，并清楚地认识到它将会受到横向和纵向两个方向的影响，对该构件所受到的力进行科学计算，并对其进行完善的受力分析和评价，使钢结构的设计依据更加完善，保证倾斜柱子的应力均衡，从而达到钢结构稳定的设计要求。3.3遵循强柱弱梁大地震具有极强的毁灭性，当巨大的外力作用在梁柱上时，梁柱开始变形，进而会造成整栋楼倒塌。这就需要在建筑工程钢结构的设计中坚持强柱弱梁的原则，其主要目标是分散荷载，使梁上产生塑性铰，延迟柱结构被破坏的时间，符合建筑抗震设计理念。当地震来临时，柱结构的耐久性愈强，对整个建筑的损害愈小，这是进行钢结构稳定设计时应重点关注的问题。4钢结构在建筑项目中的设计要点4.1荷载设计与不规则形状的设计相比，选择对称、贯通的方法来排列钢结构可使其具有较好的稳定性。首先要明确钢结构的参考线，然后考虑影响钢结构稳定性的因素，采取相应对策来改善设计品质。在实际设计时也要注意某些特殊条件，例如，为防止梁产生位移，不动铰支承可以使梁在平面上旋转。然而这种方式并不能保证钢结构的受力均衡，而且在施工期间也会产生其他不良影响。应防止梁围绕纵向轴线旋转。在进行钢结构稳定分析时，梁的端部可以自行翘曲，这是一个临界条件，会使建筑更加稳定。4.2材料选择建筑工程的质量在很大程度上受材料影响，市场上的材料品质良不齐，对采购后进入工地的材料经常会忽略对其进行检验，对其保存条件也疏于关注。由材料引起的钢结构不稳应作为预防的重点。在选择钢材时应以结构稳定性需求为基础，确保材料的品质和性能符合要求，可对钢结构的稳定性起到一定的帮助作用。在设计过程中还需对材料进行科学的受力分析，以保障建筑物各部分结构受力均衡。对钢材的质量要进行仔细检查，并采用先进的焊接工艺将构件进行连接，提升焊接质量，有利于提高建筑的整体承载力，增加钢架的抗压强度和抗拉力，使其始终维持一个受力平衡，保障建筑的安全性。4.3防火设计在不同的温度条件下，钢架的稳定性会受到以下方面影响：弹性形变。当气温上升时，钢架会发生膨胀，当气温下降时，又会回复到原来的状态。塑性形变。随着温度的改变钢形状会发生改变，且不能再回到原来的形状，从而形成永久性变形。在钢结构的设计中消防设计是一个不可忽略的问题。在选择防火材料和涂料时要确定建筑项目的消防等级，从建筑设项目的具体情况着手，保证这些建筑材料真正满足建设项目的需求，并符合建筑的消防标准，从而有效预防和控制火灾。例如，板材和钢材都要具有足够的硬度和强度，除了少数节点之外，其他的防火材料都需进行喷涂，以更好地提高材料的防火能力，将整体钢结构的防火水平提升到一个新的高度。另外，为使阻燃剂与钢结构牢固结合，在钢结构表面形成厚实的防护涂层，对阻燃剂的附着力和厚度提出了很高的要求。4.4防腐设计钢材长期暴露于大气、湿气中极易锈蚀，导致其使用性能下降，因此，除耐火外，钢材的防腐问题也很重要。在钢结构设计过程中对其进行防腐设计，尽力提高钢材的耐腐蚀能力也是一项非常重要的工作。由于钢材锈蚀会造成钢材的强度与性能降低，因此，必须结合建设项目所处区域的气候、地理与水文环境，制订一套科学的钢材防腐方案，努力降低建设费用，提高建设项目的整体效益。钢材防腐分为两种：一种是永久性喷涂，另一种是非永久性喷涂。第一种是一次性的，而另一种是在施工结束后需要对钢结构进行定期维修，这两种方式的成本和防腐效果不同。在选择防腐涂层时要将各种涂层的性能和应用效果进行比较，同时要做好市场调查，严格控制涂层的质量，确保钢材的防腐性能能够达到建筑要2023年第14 期中国高新科技49佳）（责任编辑：葛上接第4 1页）.CIVILENGINEERING土木建筑求，加强钢结构的稳定性。除采取一些常规的钢结构防腐措施外，也可以通过合理设计尽可能避免构件缝隙腐蚀的产生，这能够在很大程度上降低钢结构的腐蚀现象。4.5抗震设计地震会引起刚结构倒塌、节点损坏、构件损坏等现象，结构塌的原因主要是结构屈服强度和抗弯刚度分布不均匀；而连接部位的破坏是由于节点区的应力集中，以及焊接部位的缺陷造成；构件破坏是因为在钢架中支座在重复拉压荷载作用下所产生的轴向压力超过了其稳定极限，从而引起钢架的不稳定。抗震设计是提高钢结构稳定能力的一条主要途径，可以遵循下列程序来进行抗震作用的设计：提出对钢结构进行抗震设计的具体要求，及加强屋面板和屋面框架的构造措施。通过对钢架支承形式的选择对钢架的抗震设计计划进行优化。通过采用底剪法、反应谱法、时程分析等方法，结合稳定设计，克服钢结构体系协调性能差的问题，提高钢结构的整体抗震性能。5结语总之，建筑工程中的钢结构不稳定所造成的危害性很大，计方法对实验数据进行回归分析，建立抗压强度与超声速度之间的关系，建立数学模型。对试验数据分析表明，根据关系曲线FCU=A+BV，抗压强度与超声声速呈线性关系，其中FCU为抗压强度；A、B为系数；V是超声波速度。抗压强度与超声速度的关系由以下实验数据推导出相关系数为0.9 9：FCU=-416.2+109.8V(1)4.4厚度影响桥面涂料面层砂浆厚度应为3 mm，面层砂浆中几乎没有 2.3 6 mm的颗粒，2.36mm的颗粒最大位移不应小于表面溶液的厚度，直径1.18mm的颗粒最大位移不应超过颗粒直径。粒子置换率取决于混合时间和粒子置换要求。如果细骨料的表面颗粒密度为2 6 5 0 kg/m，则需要混合料的黏度系数为：n20-100PaS。根据流动剪应力设计结果，测试水泥浆、泥浆和混凝土的相对黏度系数，计算出混凝土拌和物的黏度值。当满足设计要求时，可以确定混合组件的设计。如果黏度系数不符合要求，可根据混凝土和砂浆的黏度系数相等的原则，确定最佳砂比和最小黏度系数；当粘度系数与计算目标相差很大时，可通过添加表面活性剂来调节混合料黏度系数。与此同时，加入机制砂后，UHPC的抗拉或抗折性能有所改善，并且，由于极小的孔隙率和密实的微观结构，在耐磨性、抗化学溶液侵蚀性、抗硫酸盐侵蚀性、抗氯离子渗透性、抗碳化性以及抗冻性等方面有着突出的优势，耐久性能强大。设计过程中必须高度重视。本文从荷载、防火、防腐、抗震等方面着重论述有关设计的一些关键问题，以期对改善我国钢架建筑的承载能力和稳定性起到一定作用。在对建筑质量、性能和使用寿命提出更高要求的今天，提高钢结构的稳定性是保证钢结构安全性和可靠性的关键，在钢结构的设计中应优先考虑稳定性问题。作者简介：陈然（19 9 1-），男，湖南长沙人，湖南省建筑材料研究设计院有限公司工程师，研究方向：建筑工程结构设计。参考文献1章晴雯型钢混凝土结构抗火性能研究新进展J.中小企业管理与科技，2 0 2 1（3 2）：2 12-2 13.2陈志亮，牛昌林，刘福江，等基于BIM技术的装配式建筑设计方法研究J技术与市场，2 0 2 1（10）：19-2 0.3许伟。高层建筑钢结构设计存在的问题及应对策略J工程建设与设计，2 0 2 2（17）：7 0-7 2.4李俊建筑结构设计可靠度的影响因素与对策研究J砖瓦世界，2 0 2 3（2）：3 4-3 5.5沈晓龙。建筑结构设计可靠度的影响因素与对策研究J建材发展导向（下），2 0 2 2（6）：2 5 4-2 5 5.（责任编辑：葛佳）5结语综上所述，以往混凝土主要以天然砂为骨料，但由于天然砂短期不可再生，混凝土用砂供需矛盾日益增加，继续机制砂作为替代。通过本文研究试验，发现机制砂在抗拉、抗压等性能方面优于天然砂，值得推广应用。作者简介：王尉（19 8 6-），男，湖北十堰人，湖南联智科技有限公司工程师，研究方向：新型智慧城市基础设施信息化。参考文献1王全超，周玉娟，占文，等。机制砂超高性能混凝土（U H PC）试验研究J混凝土与水泥制品，2 0 2 2（5）：2 6-2 9.2马正先，赵雅萌，陈炳江，等机制砂超高性能混凝土（UHPC）性能影响因素试验研究J混凝土与水泥制品，2022（1):4 8-5 2.3】应福军，欧阳戈一，路珏机制砂制备超高性能混凝土方法及性能研究J四川建材，2 0 2 3，4 9（2）：2 2-2 3.4汤磊，管东芝，郭正兴基于小型超高性能混凝土壳的装配式柱脚连接抗震性能试验研究J世界地震工程，2023,39（1）:118-12 6.5韦建刚，陈荣，黄伟，等静水压力下超高性能混凝土的抗氯离子渗透性能J硅酸盐通报，2 0 2 2，4 1(8):2706-2715.6黄福云，桂奎，林潮，等环形超高性能混凝土制品离心成型试验研究J混凝土与水泥制品，2 0 2 1（12）：34-41.