建筑结构设计论文Word文档格式.docx

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（20155331016）张亚召

摘　要

钢结构因具有自重轻、强度高、工业化程度高等优点,在建筑工程中得到了广泛的应用,另一方面,因其结构失稳破坏造成的人员伤亡、财产损失的事故案例也常有耳闻,而失稳破坏的原因通常是结构设计缺陷所致。

论文通过对钢结构稳定性设计的概念、原则及分析方法的总结,结合工程设计实践谈谈对钢结构稳定性设计的体会。

　关键词:

钢结构;

稳定性设计;

细部构造　

钢结构稳定性设计

钢结构在高层建筑方面的运用已经经历了数十年。

建筑钢结构的优点多多，相比较传统的混凝土结构和砌体结构等，它性能稳定，质量轻强度高，抗震性能好，施工时可以在厂房进行加工再到现场装配，不仅装配的完整度好精密度高，而且能够大大的加快施工进度缩短工期。

同时它还被称为“绿色建筑”，基础造价低，材料可回收和再生，节能、省地、节水。

作为一种绿色环保建筑，近年来，钢结构住宅已被建设部列为重点推广项目。

由于炼钢技术与成型制造工艺日趋发展，这就给运用钢结构工程带来新的生机，工程建设也不断的增加，因此，也就不断完善了钢结构设计和施工方面的技术。

稳定性是钢结构工程设计中需要重点考虑的内容之一,现实生活中因钢结构失稳造成的工程事故案例也较多,如美国哈特福特城的体育馆平面92m×

110m的网架结构,突然于1978年坠落地面,原因是由于压杆屈曲失稳;

1988年我国也曾发生13.2m×

18.0m钢网架因腹杆稳定不足在施工过程中塌落的事故;

2010年1月3日下午,昆明新机场38m钢结构桥跨突然垮塌,造成7人死亡、8人重伤、26人轻伤,原因是桥下钢结构支撑体系突然失稳,8m高的桥面随即垮塌下来。

从上述案例可以看出,钢结构失稳破坏的原因通常是其结构设计不合理,存在结构设计缺陷所致,要从根本上杜绝此类事故的发生,钢结构稳定性设计是关键。

一、钢结构稳定性设计的概念

小钢强度或不稳定会导致结构损坏，但概念是不一样的强度和稳定性，强度钢是一种应力的问题，是指最大应力在结构或造成的负荷稳定平衡的单个构件的状态（或内力）不超过建材，钢和其屈服点为最终强度的极限强度，稳定是一个变形，构件的外部负载和结构的内部电阻之间遭遇是不稳定的，关键是要找到不稳定的平衡，避免变形失稳破坏的发生急剧增加。

钢结构稳定性设计要点。

受钢结构，钢结构的设计的一般原则，以确保有必要满足以下条件的稳定性：

钢结构布置必须从体系和各组成部分的稳定性要求整体考虑，按照目前的钢主要平系统的设计，如桁架和框架，以确保平面屈曲的平面结构不发生，是要求为平面结构构件平面稳定计算所需的结构安排是这样的增加是一致有必要，如一个支撑构件。

实用计算方法所依据的简图与结构计算简图保持一致中层或多层框架结构设计框架稳定分析通常是省略的，只进行框架柱的稳定计算、由于框架各柱的杆件稳定计算的常用力法、稳定参数等是依据一定的简化典型情况或假设者得出的，因此设计者要能保证所有的条件符合假设时才能应用。

强度与稳定的区别强度是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力（或内力）是否超过建筑材料的极限强度,因此它是一个应力问题。

极限强度的取值因材料的特性不同而异,对钢材是取它的屈服点。

稳定主要是找出外部荷载与结构内部抵抗力间不稳定的平衡状态,即变形开始急剧增长而需设法避免进入的状态,因此它是一个变形问题。

例如轴压柱,当失稳时柱的侧向挠度使柱中增加很大的附加弯矩,从而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度,此时,失稳是柱子破坏的主要原因。

根据实际情况，合理的建筑结构体系应该是刚柔相济的。

因此如果结构太刚则变形能力差，强大的破坏力瞬间袭来时，需要承受的力很大，容易造成局部受损最后全部毁坏；

但是太柔的结构虽然可以很好的消减外力，但容易造成变形过大而无法使用甚至全体倾覆。

但是刚柔的程度历来都是专家们争论的焦点，现今的规范给出的也只是一些控制的指标，但无法提供“放之四海皆准”的精确答案。

这就要靠设计者与业主进行沟通来确定一个方案。

钢结构体系的“适用”原则是针对钢结构体系的功能要求而言的，钢结构体系适用性与建筑物的使用功能有密切联系。

为此在结构设计时，必须把握以下方面：

对建筑物的功能、特点和所处的环境条件有充分的了解，如建筑物是民用建筑还是工业建筑，民用建筑是用于展览馆还是体育馆等，工业建筑是钢结构仓库还是钢结构厂房，钢结构厂房的生产工艺对建筑结构的影响情况等；

建筑物对防火、保温、隔热、隔振和防腐蚀有何要求；

对建筑所在地的环境状况和气象条件应有足够的了解；

建筑物内是否有特殊设备或特殊载荷作用，及吊车的设置情况如何等。

二、钢结构稳定性设计的原则

钢结构布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求目前钢结构大多数是按照平面体系来设计的,如桁架和框架。

保证这些平面结构不出现平面外失稳,需要从结构整体布置来解决,如增加必要的支撑构件等。

要求平面结构构件的平面稳定计算需与结构布置相一致。

结构计算简图需与实用计算方法所依据的简图一致当设计单层或多层框架结构时,通常不做框架稳定分析而只做框架柱的稳定计算。

采用这种方法计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数,应通过框架整体稳定分析得出,使柱稳定计算等效于框架稳定计算。

《钢结构设计规范》（GB50017-2003）对单层或多层框架给出的柱计算长度系数采用了5条基本假定,其中包括:

“框架中的所有柱子是同时丧失稳定的,即各柱同时达到其临界荷载”,按照这条假定,框架各柱的稳定参数、杆件稳定计算的常用方法,是依据一定的简化假设或者典型情况得出的,设计者需确认所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。

钢结构的细部构造设计与构件的稳定计算应一致保证钢结构的细部构造设计与构件的稳定计算相符合,是钢结构设计中需要高度注意的问题。

对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接,应分别赋与它足够的刚度和柔度,对桁架节点应尽量减少杆件偏心。

但是,当涉及稳定性能时,构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。

例如,简支梁就抗弯强度来说,对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移,同时允许在平面内转动。

然而在解决梁整体稳定时上述要求就不够了,支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转,同时允许梁在平面内转动和梁端截面自由翘曲,以符合稳定分析所采取的边界条件。

钢结构稳定性的分析方法钢结构稳定问题的分析都是针对在外荷载作用下结构存在变形的条件下进行的,此变形应该与所研究的结构或构件失稳时出现的变形相对应。

结构变形与荷载之间呈非线性关系,稳定计算属于非线性几何问题,采用的是二阶分析方法。

稳定计算所确定的不论是屈曲荷载还是极限荷载,都可视为所计算的结构或构件的稳定承载力。

静力法静力法即静力平衡法,是根据已发生了微小变形后结构的受力条件建立平衡微分方程,然后解出临界荷载。

在建立平衡微分方程时遵循如下基本假定：

构件是等截面直杆。

压力始终沿构件原来轴线作用。

材料符合胡克定律,即应力与应变成线性关系。

构件符合平截面假定,即构件变形前的平截面在变形后仍为平截面。

构件的弯曲变形是微小的,曲率可以近似地用挠度函数的二阶导数表示。

根据以上假定条件可建立平衡微分方程,代入相应的边界条件,即可解得两端铰支的轴压构件的临界荷载。

能量法能量法是求解稳定承载力的一种近似方法,通过能量守恒原理和势能驻值原理求解临界荷载。

能量守恒原理求解临界荷载。

保守体系处在平衡状态时,贮存在结构体系中的应变能等于外力所做的功,即能量守恒原理。

势能驻值原理求解临界荷载。

势能驻值原理指:

受外力作用的结构,当位移有微小变化而总势能不变,即总势能有驻值时,结构处于平衡状态。

动力法处于平衡状态的结构体系,如果施加微小干扰使其发生振动,这时结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关。

当荷载小于稳定的极限荷载值时,加速度和变形的方向相反,因此干扰撤去后,运动趋于静止,结构的平衡状态是稳定的;

当荷载大于稳定的极限荷载值时,加速度和变形的方向相同,即使撤去干扰,运动仍是发散的,因此结构的平衡状态是不稳定的。

临界状态的荷载即为结构的屈曲荷载,可由结构的振动频率为零的条件解得。

钢结构稳定性设计的几点体会目前钢结构设计多借助钢结构计算机软件进行结构受力计算,结构和构件的平面内强度及整体稳定计算可依靠程序自动完成,结构和构件的平面外强度及稳定计算,需要设计者另做分析、计算和设计。

此时可将整个结构按标高分解成多个不同布置形式的结构体系,在不同的水平荷载作用下,进行结构体系的强度和稳定计算。

受弯钢构件的板件局部稳定有两种方式:

一是以屈曲为承载能力的极限状态,并通过对板件宽厚比的限制,使之不在构件整体失效前屈曲;

二是允许板件在构件整体失效前屈曲,并利用其屈曲后强度,构件的承载能力由局部屈曲后的有效截面确定。

对于不考虑屈曲后强度的梁局部稳定,可对梁设置横向或纵向加劲肋,以解决梁的局部稳定问题,加劲肋按《钢结构设计规范》（GB50017-2003）规定设置;

对于组合梁腹板考虑屈曲后强度的计算按《钢结构设计规范》（GB50017-2003）第4.4规定执行。

轴心受压构件和压弯构件局部稳定有两种方式:

一是控制翼缘板自由外伸宽度与其厚度之比;

二是控制腹板计算高度与其厚度之比。

对于圆管截面的受压构件,应控制外径与壁厚之比,加劲肋按《钢结构设计规范》（GB50017-2003）第5.4规定设置。

三、钢结构设计心得

　　判别是否适合钢结构。

做结构设计时，要事先结合钢结构的特点以及实际工程造价，看项目是否适合钢结构。

　　建筑的概念设计。

概念设计是指不经数值运算，尤其对一些难以作出精确计算的问题，依据结构体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验数据和工程经验，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。

概念设计对一个工程的整体设计而言，举足轻重，如果不进行事先的概念设计，即便以后的设计计算再精确也不是一个好的设计方案。

　　结构选型与结构布置。

进行结构选型时，应考虑不同结构形式的特点进行选择结构布置方案。

在工业厂房中，当有较大悬挂荷载或大范围移动荷载时，可以选用钢网架的结构形式；

对于基本雪压大的地区，在屋面的处理时尽量选用曲线明显的屋面形式，因为这样利于积雪滑落；

建筑设计允许时，在框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架更经济。

总之，结构的布置要考虑体系特征、荷载分布情况及性质等综合因素，一般来讲，刚度均匀，力学模型清晰，尽量限制大荷载或移动荷载的作用范围，使其以最直接的路线传给基础，柱间支撑的分布应均匀，其形心要尽可能的靠近侧向力的作用线，否则应考虑结构的扭转，结构的抗侧应有多道防线。

　　节点设计。

节点设计是钢结构设计中重要的内容之一。

在结构设计前，应当对节点的形式细致思虑。

实际设计中，经常出现的一种情况是：

节点设计完毕，设计的节点与结构分析所得模型中设定的形式不一致，如果不足以确定这种不一致带来的偏差在允许范围内，通常是5%，就应当提前避免。

钢结构节点连接的不同对结构影响较大，例如，有些刚接点即便能承受一定的弯矩，然而其会产生较大转动，与结构分析中的假定相悖，这样会导致实际工程钢结构构件变形大于设计计算数据等不良后果，我们在具体设计时一定要充分注意这一点，避免不必要的误差和麻烦出现。

此外，在钢结构设计时还要注意：

结构截面的初步估算，主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸；

受弯构件的强度计算和整体稳定计算；

轴心受力构件和拉弯、压弯构件的计算；

弯扭屈曲与换算长细比；

图纸编制；

保温隔热；

防火设计；

防水；

抗震设计等方面的问题，由于时间关系，在此不一一列举，这些将是我以后研究的重点和主要分析目标。

4、钢结构住宅安装设计的问题对策

设计前应将弯曲变形者校正好；

钢梁顶面要保持清洁，严防潮湿及涂刷油漆。

下料、切孔采用等离子弧切割机操作，严禁用乙炔氧气切割；

大孔四周应补强。

需支搭临时的支顶架，由施工设计确定，待混凝土达到一定强度后方可拆除。

钢结构住宅建筑推广中的关键问题之一是选择和开发外墙板。

除满足外墙板的各项技术要求外，还要做到墙板原材料因地制宜、工作化生产、运输、安装连接方便等等。

以建筑设计为主导的钢结构住宅建筑，要和其他专业紧密互动配合。

除此之外，钢结构住宅建筑还要注重解决一些问题，如：

如何发挥钢结构的优势和避免钢结构带来的建筑平、立面单调呆板；

还有要解决钢结构住宅建筑防火、防腐蚀问题等。

当建筑大多数房间较小，而仅一两处房间较大时，如按大房间确定基础板厚会造成浪费，而按小房间确定则造成配筋困难，当承载力能满足要求时，可在大房间中部垫聚苯卸载，按小房间确定基础板厚。

房地产开发商最关心的问题是钢结构住宅的造价。

根据实际情况，钢结构住宅应定位于中、高档住宅，钢结构住宅建筑是一项系统工程，应从设计、制造、运输、安装、维修和管理等环节着手加强管理和协调，从而达到降低成本，提高综合经济效益的目的。

钢结构结构布局不规则，地震时易损坏。

如果想要做到安全合理、节点构造方便可靠。

结构抗震性能与结构布局规则性需要下翻功夫。

五、结　语

钢结构因具有自重轻、强度高、工业化程度高等优点,在建筑工程中得到了广泛的应用,相信通过加强对结构的整体稳定、局部稳定以及平面外稳定的设计,克服结构设计缺陷,其应用的领域会越来越广泛。