时间:2025-01-01
黄君军
摘要:目前建筑工程施工中所采用结构形式正变得越来越多,如混凝土框架结构、剪力墙结构以及钢结构等。钢结构是一种常见的建筑结构形式,此类结构具有许多的优势,但同时也存在结构失穏现象,因此提高钢结构的稳定性对于建筑质量的改善有着重要意义。为了能够克服钢结构所存在的缺陷,避免结构出现变形现象以及保证结构稳定、安全,本文对建筑钢结构的特点进行了简要分析,并重点探讨了建筑钢结构稳定性设计的相关问题,包括稳定性设计原则及要求,常用的稳定性设计算法以及稳定性设计的优化措施。
关键词:钢结构;建筑;稳定性;设计
建筑工程建设是保障国民生活水平得以不断提升的基础,在建设建筑工程时通常会应用到钢结构。实践证明,相对于其他建筑结构而言,钢结构具有强度高以及自重轻等优势,可以显著改善建筑施工水平;但从另一方面来看,钢结构也容易出现失穏问题[1]。对此,本文探讨了钢结构的稳定性设计问题,旨在提高钢结构的设计水平以及改善钢结构的稳定性,避免因钢结构的稳定性较差而引发建筑质量问题。
1.建筑钢结构的特点
钢结构主要指使用钢材制作的结构,钢结构具有较强的变形能力以及良好的整体刚性;在建筑中使用钢结构能够有效改善动力荷载承受情况。钢材虽然具有良好的塑性,但耐火性以及耐腐蚀性相对较差,因此在建筑中应用钢结构时必须进行严密防护,否则将会影响到结构的稳定性。在钢结构承受较大负荷以及自身的温度大于150°时,就容易出现不稳定现象,因此要不断强化稳定性设计工作,以保证建筑钢结构安全可靠[2]。钢结构的稳定性是相对于变形而言的,由于结构内部所存在的抵抗力与结构外部所承受的荷载都是不断变化的,所以进行稳定性设计的主要目的是平衡内部的抵抗力与外部荷载,以便有效防治钢结构因出现急剧变形而导致结构失穏。
2.建筑钢结构稳定性设计分析
2.1稳定性设计原则及要求
在进行稳定性设计时应坚持以下几项原则:第一,确保结构设计与建筑使用要求相符,且具有足够的稳定性、刚度以及强度;第二,尽量减少钢材的使用量,缩短钢结构的安装时间以及降低结构重量;第三,如存在外露部分,则应注意保证结构设计符合美学要求。在设计钢结构时,不仅要遵守以上三个原则,还要注意把握好具体的设计要求。(1)在布置结构的过程中应充分考慮钢结构各个组成部分以及整个体系的稳定性。钢结构当中的框架以及行架的设计依据均为平面体系,因此为了避免框架、行架产生平面失穏问题,则应优化布置整体结构,同时在结构当中加入支撑构件,使构件的布置与稳定性计算结果保持一致。另外,也应优化设置横隔以及杆件,避免出现同样的失穏问题。(2)相互配合进行构件稳定性计算与细部构造稳定性计算。在进行稳定性设计时应充分关注构造设计与结构计算结果是否一致,以便可以防止钢结构出现变形问题。如在连接弯矩节点时,应保证每个节点的柔度以及刚度都能够达到标准;在设计桁架节点时,应注意避免杆件偏心。(3)采用相同的简图对结构设计方案以及稳定性进行计算。目前,框架柱稳定性计算是设计框架结构的主要依据,为了满足多种框架结构的设计要求,在实际工作中通常需要预先设定好部分计算条件,如所有框架柱到达临界荷载的时间相同等,预先设定的条件并不是可以通用的,必须在了解设计结构的情况下才能够针对性地采用,以免埋下结构安全隐患。对此,为了能够简化计算流程以及改善结构的稳定性,则应采用相同的简图对结构设计方案以及稳定性进行计算。
2.2常用的稳定性设计算法
对于建筑领域当中的钢结构而言,应用合理的稳定性设计算法是避免结构变形的前提条件,目前采用的算法主要包括三种,即平衡法、动力法以及能量法。(1)平衡法。应用平衡法能够将钢结构出现失穏时的极限荷载计算出来,从而为稳定性设计提供依据。如钢结构当中的分岔点存在弹性失穏问题,则计算出临近平衡状态即可;由于应用平衡法的前提条件是存在平衡方程,而平衡方程的建立依据为结构出现微小变形时的具体受力条件,因此采用平衡方程进行计算时,可能会得到多个方程解;得出方程解之后要对其进行观察,找出最小值,将最小值作为屈曲荷载。(2)动力法。如钢结构体系并没有出现变形问题,则施加一定的荷载可使结构出现振动现象;如荷载力小于极限值,则并不会破坏钢结构的平衡,如极限值小于荷载力,则可能造成结构失穏。当施加的荷载为临界状态时,可称之为屈曲荷载。(3)能量法[3]。当保守力对建筑当中的钢结构产生作用时,就可以根据受力条件将结构外力势能与应变能求出来;在钢结构没有出现变形的情况下,存在势能驻值。因此在计算结构稳定性的过程中可以将驻值原理作为依据,求出平衡方程;得出平衡方程之后,便可以代入一阶位移,从而求出屈曲荷载。(4)除了以上三种算法之外,在实际工作中通常会运用欧拉公式计算压杆失穏问题。在建筑钢结构当中,压杆稳定是最基本的稳定性计算问题,在计算弹性压杆临界荷载时,可以优先考虑应用欧拉公式:PE=π2EI/(μl)2,在上述公式中,μ为长度系数,l为钢结构中的压杆长度,I为惯性矩,E为弹性模量,PE为临界荷载。
2.3稳定性设计的优化措施
由于钢结构在建筑工程当中得到了广泛应用,所以在进行稳定性设计的过程中不仅要严格遵循相关原则、要求,合理选择稳定性的计算方法,还应注意采用一定的措施对稳定性设计工作进行优化。笔者在实践中总结了以下几种优化措施:(1)在对住宅楼当中的钢结构进行稳定性设计时,要注意针对低层住宅以及多层住宅设计不同的结构类型,在通常情况下多层住宅主要包括公寓,而低层住宅主要包括别墅等。为了保证住宅楼的抗震强度以及抗压能力能够达到国家所规定的标准,则当住宅楼层多于12层时,不宜采用钢结构。另外,在设计建筑钢结构的平面图时,应注意保证结构的规则性与对称性,从而改善其稳定性,避免地震发生时对建筑结构造成毁灭性的破坏。(2)在对受弯板件的稳定性进行设计时,可以设置以下条件:第一,对板件本身的厚度、宽度之比进行限制,从而提高板件的承载能力,避免出现提前屈曲的问题;第二,如在构件失效之前板件已经出现了屈曲问题,则可以计算出屈曲强度,并利用屈曲强度提高构件整体的承载力;第三,在设计钢结构中的对梁时,无需考虑局部稳定失效问题,直接设置成纵向以及横向加劲肋即可。(3)在开展设计工作的过程中可充分利用计算机辅助设计技术。目前国内已经出现了许多辅助设计软件,如AutoCAD等,因此在计算钢结构整体稳定性以及平面强度的过程中可以充分利用计算机软件,从而提高计算效率,保证计算结果的精确性,并由此优化稳定性设计工作[4]。在应用计算机辅助设计时应注意分解结构标高,从而简化结构体系,提高水平荷载不同时结构稳定及结构强度的计算水平。
3.结束语
目前我国的钢结构建筑数量正在不断增加,与混凝土结构建筑相比,钢结构建筑具有节能、环保等明显优势,为了促进钢结构建筑的发展,则应不断提高钢结构本身以及建筑的稳定性。对此,要积极探索钢结构稳定性设计优化措施、计算方法,并在设计的过程中严格遵守相关要求,保证设计方案得以不断完善,为建筑质量的改善提供必要的条件。
参考文献:
[1]耿广明.建筑钢结构中无损检测技术的应用及分析[J].中国房地产业,2013,(3):161-162.
[2]许宝勤.建筑钢结构抵抗火灾风险的设计[J].中国建筑金属结构,2013,(14):43.
[3]牛其山.当前建筑钢结构设计的现状及存在的问题[J].中国建筑金属结构,2013,(16):41.
[4]杨晓东,雷艳春,尚建丽,岳鹏.建筑钢结构熔透对接焊缝缺陷对焊缝抗拉承载力影响的研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2011,43(5):730-733.
我们致力于保护作者版权,注重分享,被刊用文章因无法核实真实出处,未能及时与作者取得联系,或有版权异议的,请联系管理员,我们会立即处理! 部分文章是来自各大过期杂志,内容仅供学习参考,不准确地方联系删除处理!