建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点

赵晨光

摘 要：钢结构作为建筑工程中重要的结构类型，因其突出的优势在建筑工程中得到广泛应用。在钢结构设计中稳定性是最关键的内容，就建筑工程中的钢结构稳定性设计进行概述，分析稳定性设计的特点和原则，并进一步探讨钢结构设计要点和提升稳定性的有效措施，以期为相关工程设计人员及研究人员提供有价值的参考。

关键词：建筑工程;钢结构设计;稳定性;设计要点

中图分类号：TU391                               文献标识码：A                                       文章编号：2096-6903（2022）09-0043-03

0引言

随着现代工业水平地不断提高，钢材性能得到进一步提升，促进了现代钢结构在建筑工程中的广泛应用。近年来，确保钢结构稳定性符合建筑工程要求这一课题已经受到了越来越多工程设计人员及研究人员的重视。在具体的工程设计中，钢结构设计应结合建筑工程的实际情况，进行综合分析，以保证整体结构之间的应力平衡，提高稳定性。

1 钢结构稳定性设计概述

在当前的建筑工程领域中，钢结构具有可塑性、韧性较强的优势，当建筑处于负载或超载状态下，依托于钢结构能保证对作用力的合理分配，可以有效控制整个建筑的应力变化，避免建筑整体结构出现裂开、断开等情况。建筑钢结构的优势还体现在材料和质地上，钢结构整体分布均匀一致，符合建筑工程的力学设计，钢材料与内部各项材料的同性契合度更高，材料整体的波动范围较小，有理想化的弹性，且不容易受到外界施工环境的影响。在完成生产加工后，就可以直接运送到建筑施工现场，保证了施工的顺利开展，且不会对施工现场及周边造成环境污染，符合当前文明施工和环境友好的相关需求。

相比于混凝土结构，钢结构在提供安全稳定支撑的前提下，还能有效控制建筑工程的成本投入，尤其是在高层建筑的设计施工中，钢结构的整体成本消耗水平更低，且其质量比钢筋混凝土轻，能够减少在运输和存储上的成本，施工的便捷性保证了施工人力资源和时间成本能够得到有效控制[1]。

对于建筑工程来说，钢结构的稳定性所指的不仅是钢材受建筑重力影响下所保持的稳定状态，还包括在复杂外力作用下保持稳定的一种特殊性能。建筑的稳定性决定了整体的安全性能，具有良好稳定性的钢结构不但可以使建筑处于平衡状态，而且能够承受住外力对建筑施加的压力，保证在地震、火灾等外界应力条件下建筑仍保持可靠。当钢结构的稳定性不足时，在外界外力影响超过内部应力和钢材屈服应力的情况下，就会出现钢结构变形和损坏的现象，导致钢结构整体处于失稳的状态，为建筑埋下严重的安全隐患问题。

通过对钢板、钢材进行热轧和焊接，可以使其成为建筑工程所需要的钢结构类型，当前，我国房屋建筑工程主要的钢结构形式包括轻型钢结构和重型钢结构，其中轻型钢结构的自重较小，重型钢结构虽然自重较大，但相比于传统的混凝土结构，其在强度和刚度等许多方面有更突出的优势，能够满足大跨度和超高层建筑的工程需要。

在钢结构的施工建设中，设计质量对整个建筑工程项目的质量水平起到决定性作用。钢结构的设计和后续的制造、施工等环节有着极为紧密的联系，是保证钢结构稳定性的重要前提和充分必要条件。因此，只有从保证钢结构的设计质量入手，才能为后续的钢结构制造和建筑施工开展提供有力支撑和可靠保障。

对于钢结构设计人员来说，不仅要具备过硬的专业知识和技术，更要有丰富、充足的工作经验，结合建筑工程实际需求，进一步分析材料、剪力条件，通过不断提高钢结构设计的规范性，提高构建质量，加强结构处理，才能最大程度地保证设计的质量水平，保证各结构之间的应力平衡，避免出现变形、倒塌以及结构失稳等问题，提高建筑工程的建设水平。

2 建筑工程钢结构稳定性设计的特点和原则

2.1 钢结构稳定性设计特点

钢结构的稳定性设计具有多样性的特点。在建筑工程的实际运用中，钢结构组成受压部位较多，因此，在结构设计中应考虑多种因素。尤其是钢结构容易发生变形的个别部分，所以要提高钢结构设计的灵活性和多样性。

钢结构的稳定性设计还具有关联性的特点。应用在建筑工程中的钢结构整体由多个构件组成，一旦其中一个构件发生变形或断裂问题，整个钢结构的稳定性也会受到影响。当一个构建出现失稳情况时，相关的构建也会出现失稳情况，并相互影响。由于钢结构整体和构件的关联性，稳定性设计的难度和复杂性大幅增加。

2.2 钢结构稳定性设计原则

第一，强柱弱梁原则。在钢结构的设计过程中需要考虑到两种情况，一方面是钢结构具有良好的质量水平和实效性，在水平承载力过大的状态下，梁上出现塑性铰;另一方面，是钢结构的质量水平较差，塑性鉸出现在柱子上。为了确保梁承载力大于柱承载力，在钢结构稳定性设计时，应贯彻强柱弱梁的原则，通过落实这一原则强化钢结构的抗压性能，保证钢结构的荷载性能，使其即使在外力的影响依然能保持稳定平衡状态。基于强柱弱梁原则，相关设计人员应充分深入分析钢结构的承载力，同时提高计算的精准度，以确保塑性铰能够出现在梁上。相应地，在选择承载力计算方法时，还要保证计算方法与钢结构设计方法的一致性，通过保证系数的准确性，提高钢结构的安全性，加强稳定支撑。

第二，剪力调整原则。当前，我国建筑的功能性、观赏性正处于不断提高的阶段，为了更好地满足多元化需求，斜柱在建筑工程中的应用越来越频繁。然而斜柱的应用虽然提高建筑物的美观度，但在其应用的过程中会使构件存在一定的倾斜度，针对不对称的建筑形态设计，其结构的稳定性需要对应的剪力来支撑。现阶段，许多建筑工程设计人员在钢结构稳定性设计过程中，会直接将斜杆来作为斜柱，这一措施虽然不会影响钢结构的设计，但如果剪力有所调整，就很容易出现结构失稳情况。另外，一些设计人员还会忽略斜柱在垂直方向的荷载，导致出现剪力，不利于保证钢结构设计的稳定性。因此，设计人员应坚持剪力调整原则，结合建筑工程的设计建设要求和实际施工情况，做好钢结构的剪力设计与调整，保证剪力的灵活性，确保钢结构的稳定性[2]。

第三，结构稳定原则。正如上文所述，相比于其他建筑结构，钢结构在延展性、抗震性和抗压性等性能上有一定优势，其所承受的荷载能力也更突出。钢结构的大部分部件都会经过工厂预加工，为了保证建筑结构的稳定性，相关设计人员还应结合设计工艺，在方案设计前仔细检查构件的质量问题。考虑到大部分钢结构设计以平面为主要方向，为了保证平面结构的稳定性，设计人员要确保结构垂直方向的荷载力满足要求，通过掌握工程的建设要求和实际资料，进一步确定荷载系数，以此来提高整体建筑结构的稳定性，提高设计的科学性和稳定性，有效降低失稳率和事故发生概率。

3 钢结构设计要点

3.1 受力设计

在形成钢结构受力设计方案的过程中，相关设计人员先要考虑钢结构的荷载性能，考虑到现阶段钢结构受力设计形式一般为“T”型和“L”型，为了更好地提高钢结构的受力水平，减少钢结构自身的重量影响，保证钢结构的平衡性，应选择对称的结构设计方式，避免破坏不同位置的受力平衡。相应地，在受力设计中还要做好钢结构的受力分析，通过静力分析和动力分析，来进一步调整稳定性设计方案，结合钢结构不同位置和部件受力特点，提高受力设计的合理性。

3.2 抗震设计

在建筑的钢结构设计中应充分考虑到建筑的抗震等级要求，尤其在地壳活动带地区，要重点加强钢结构的稳定性。在设计过程中，应保证房屋建筑梁板、屋架和屋面板的连接程度符合抗震要求，保证结构主体和梁柱的固定方式，能够强化抗震效果。相关设计人员还要从钢结构构件的质量和支撑方式提升与优化入手，通过认真考虑关联因素，提升钢结构的抗震效果，尤其是合理利用钢结构中的小部件和小配件，例如铆钉，从细节设计中提升稳定性和抗震效果。

3.3 防腐设计

组成钢结构的构件材料具有一定特殊性，相关设计人员在钢结构稳定性的设计中应重视其防腐设计。当前，能够使钢结构被腐蚀的类型可以分为电化学腐蚀和化学腐蚀，这两种腐蚀都会破坏钢结构的稳定性。在设计过程中，应使用防锈涂料和漆料，降低钢结构发生腐蚀的概率，同时控制被腐蚀的速度和程度。相应地，针对钢材料在设计施工管理中还应做好定期的检查和维管工作，第一时间发现其存在的腐蚀问题，并采取对应的措施，通过永久性涂装提高防护效果。

考虑到钢材自身的质量也会影响防腐设计效果，相关设计人员还应做好防腐性能的调查，结合建筑施工现场实际环境和地区的气候情况，综合考虑提高防腐设计的实用性和适用性。相关施工管理人员也要做好进场钢材的质检和存储工作，避免因储存不当而造成的腐蚀情况，提高建筑工程钢材料的稳定性。

3.4 防火设计

对于房屋建筑工程中的钢结构来说，其本身并不具备足够的耐火性能，在火灾情况下，建筑外层温度一旦临界430℃，钢结构的负载能力就会急剧下降，整体的稳定性和安全性也会随之降低，因此，在建筑钢结构稳定性设计中，要加强防火设计的科学性和合理性。

在防火设计中，设计人员应根据建筑工程的防火等级要求选择防火材料，针对钢结构应选择硬质材料，通过在钢结构节点上应用防火材料，来提高节点的防火设计，强化钢结构的防火效果。在钢材的选择中，设计人员要深入了解材料市场，做好材料的质检工作，确保其满足防火要求。考虑到钢结构吊顶位置容易起火，还要处理好压型板材，并结合结构防腐设计优化防火设计，提升钢结构抵御高温火灾的能力。除了结构材料，在建筑工程中所应用的辅助性保护材料也应具备一定的防火性能，例如可以应用黏性较高、厚涂层材料，发挥这类材料的保护作用，提升钢结构的阻燃性能，保证钢结构的稳定性。

相应地，在设计中还要考虑到阻燃和除锈的效果，保证钢结构满足建筑工程的防火性能要求，尽可能地避免因防火性能不佳而导致的钢结构稳定性不足的问题，提高整体结构的安全性，为火灾发生期间建筑内部人员的疏散、逃生及救援争取时间。

3.5 加固设计

加固设计是稳定性设计中最关键内容，一方面要从钢结构构件截面的加固设计入手，截面位置的加固设计使杆件具有多个受力点，便于将荷载作用力分散，可以避免集中荷载对整体结构的变形影响，以此来改善钢结构顶端的支撑情况，通过撑杆结构发挥连接适当调整功能，满足截面的内力分布条件。另一方面，优化衔接位置的加固设计，通过准确分析钢结构施工要求、条件等受力情况，并以此为依据，以螺栓、焊接、铆钉等方式对衔接位置进行加固处理，使整体稳定性得到保证。

4 提高建筑钢结构设计稳定性的有效措施

4.1 合理使用复合材料

考虑到钢结构材料自身存在抗腐蚀性能和耐热能力较差的客观情况，为了防止因材料腐蚀和受热而出现的失稳状况，除了在设计上的相关措施，还应从加工和制作等环节入手，通过采用不同质量的复合材料，来调整和优化钢材的强度与硬度。在实际设计中合理引入复合材料来加固钢材表面，或采取纤维增强材料对钢结构材料进行处理，提高加固设计效果，延长建筑物内部钢结构的使用寿命，保证应用效果。

4.2 提高钢结构形式和布置的科学性

一般情况下，建筑工程钢结构的主要类型可分为轻钢、网架、塔桅及框架等，不同的钢结构类型有着不同的特征，相关设计人员在钢结构稳定性设计中，应综合且充分考虑到不同钢结构形式的优势和特点，根据工程需要选择合适的钢结构类型。例如，在工业厂房建筑的设计中，对荷载和悬挂荷载有较高要求，应选择网架的钢结构形式;而针对屋面跨度较大的建筑，则应选择以构件受拉为主的悬索结构。

4.3 做好钢结构选型与受力分析

钢结构的合理选型是提高整体稳定性的有力保障，设计人员应提高对钢结构选型的重视度。考虑到抗震需要和受力分析情况，应坚持简单、规整、对称的选型原则，避免钢结构产生扭转效应，提高建筑物的安全性和可靠性。相应地，还要尤其避免细腰型和脚步重叠结构，严禁将垂直方向结构设置为内凸或外凹型，保证钢结构竖向布置的稳定性。此外，还要重点做好建筑物底部的钢结构选型，以“U”字型、“L”字型、“T”字型结构为主，弱化外界环境应力作用对钢结构的不利影响，提高钢结构的稳定性，保证建筑工程施工开展的安全性。

4.4 优化细节设计

细节设计的合理性影响着钢结构的整体稳定性水平，在钢结构设计前，相关设计人员应重点分析影响钢结构形变的因素，确定节点连接方式。在钢结构的细节设计中应做好连接位置和荷载力的检查，通过仔细分析相关工程数据和工程系数，提高连接点位的安全性，保证相关处理符合建筑工程施工要求，提高建筑的稳定性。

5 结语

综上所述，在建筑工程中钢结构稳定性设计决定了建筑成果的安全性与耐久性，关系到用户的人身安全和应用体验。考虑到钢结构稳定性设计的重要性，相关设计人员应结合建筑工程的实际情况，加强对钢结构的全面深度分析，保证相关计算方法与工程设计方案的一致性，通过受力和抗震分析，提高钢结构的稳定性和可靠性。在提高钢结构设计规范性和质量水平的同时，更好地发挥钢结构的突出优势，提升建筑工程设计水平，为建筑工程行业的高质量发展转型提供持续动力，促进可持续发展。

参考文獻

[1] 吴宁.钢结构住宅建筑设计探讨[J].安徽建筑，2021，28（8）：104-105.

[2] 游维锋.建筑工程中钢结构设计及安全施工对策分析[J].江西建材，2021（7）：102-103.