【摘 要】 鋼結(jié)構(gòu)建筑成為目前應(yīng)用較為廣泛的建筑類型，本文就鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)與技術(shù)表現(xiàn)進(jìn)行了簡單介紹，并對鋼結(jié)構(gòu)建筑穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的要點(diǎn)進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】 鋼結(jié)構(gòu)建筑 穩(wěn)定性

一、引言

隨著科技的發(fā)展新型材料的運(yùn)用越來越廣泛，鋼材是其中普遍采用的一種。而以鋼結(jié)構(gòu)為主體的建筑是現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的主流，探討現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)與表現(xiàn)具有重要的意義和價(jià)值。

二、鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)與技術(shù)表現(xiàn)

鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的構(gòu)思成功關(guān)鍵所在是技術(shù)構(gòu)思與表現(xiàn)，下面就分別從幾個(gè)方面來闡述這一點(diǎn)。

1.鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的技術(shù)表現(xiàn)

建筑形象的構(gòu)思是一個(gè)概念形象的創(chuàng)作過程，是建筑創(chuàng)作的難點(diǎn)之一，也是建筑設(shè)計(jì)中備受關(guān)注的核心問題之一?；仡櫣I(yè)革命以來建筑與科學(xué)技術(shù)關(guān)系的發(fā)展，可以明顯地發(fā)現(xiàn)建筑對技術(shù)變革反應(yīng)的遲滯性，這從一個(gè)側(cè)面反映了建筑學(xué)在社會文化當(dāng)中的深層地位，以及建筑學(xué)與人的生活方式的密切聯(lián)系。另外現(xiàn)代方興未艾的信息革命正在廣泛地滲透并涉及社會活動的每個(gè)領(lǐng)域，使現(xiàn)代科學(xué)思維被融入到建筑設(shè)計(jì)中，新項(xiàng)目的規(guī)劃、建筑和景觀設(shè)計(jì)方法發(fā)生了巨大的變化。建筑設(shè)計(jì)的宗旨也從單純的追求美發(fā)展到追求問題的合理解決，從根本上改變了人們以往對建筑的認(rèn)識和設(shè)計(jì)方式，并最終影響了人類千百年來形成的傳統(tǒng)建筑觀，比如高技派建筑就是其主要代表，其以精致的節(jié)點(diǎn)和精細(xì)的加工來體現(xiàn)高超的技藝，以更高的工藝水平來設(shè)計(jì)和“制造”建筑。

2.鋼結(jié)構(gòu)建筑細(xì)部設(shè)計(jì)有較高要求

鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的復(fù)雜化與精致度要求越高，對細(xì)部設(shè)計(jì)的要求也越高。因?yàn)榧?xì)部設(shè)計(jì)決定一個(gè)地方最終是否得到確認(rèn)及其質(zhì)量。在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)建筑中，各種金屬結(jié)構(gòu)桿件，連接金屬桿件的節(jié)點(diǎn)細(xì)部，常常暴露在外，使建筑帶有強(qiáng)烈的科技感，比如建于1977年法國的巴黎蓬皮杜藝術(shù)與文化中心，它的鋼柱、鋼梁、桁架等結(jié)構(gòu)構(gòu)件都裸露在外，從中不僅體現(xiàn)出技術(shù)美，而且體現(xiàn)出人的智慧和能力。因而，對鋼結(jié)構(gòu)建筑來說細(xì)部質(zhì)量保持較高的設(shè)計(jì)要求是非常重要的，在鋼結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)受到特別重視。

3.建筑策劃也是鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)與表現(xiàn)的影響因素

因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)具有建筑設(shè)計(jì)的一般屬性，建筑師不是隨心所欲在作設(shè)計(jì)，業(yè)主設(shè)計(jì)任務(wù)書對建筑師的平面和設(shè)計(jì)構(gòu)思等發(fā)生的作用是重大的?？蛻粝ＭO(shè)計(jì)師有更好的業(yè)績，而且希望在其最終產(chǎn)品的確定過程中，設(shè)計(jì)師和市場專家都能更高效的參與決策。在這個(gè)階段，建設(shè)項(xiàng)目更強(qiáng)調(diào)整體設(shè)計(jì)、更強(qiáng)調(diào)專業(yè)設(shè)計(jì)師、市場專家及開發(fā)商之間的協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)過程包括了持續(xù)的信息和知識的交流與整合。另外，鋼結(jié)構(gòu)建筑的專業(yè)化不但能提供豐富的設(shè)計(jì)知識而且能有效的整合設(shè)計(jì)資源和市場專家共同對建筑負(fù)責(zé)，使設(shè)計(jì)和業(yè)主的經(jīng)營意圖有效的結(jié)合起來，使項(xiàng)目獲利和減少風(fēng)險(xiǎn)。

三、鋼結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)

鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)包括整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)。整體失穩(wěn)是考慮整個(gè)構(gòu)件或框架的穩(wěn)定性問題，它是通過定義長細(xì)比確定穩(wěn)定系數(shù)代入計(jì)算公式進(jìn)行驗(yàn)算的：而局部失穩(wěn)是構(gòu)件內(nèi)部失穩(wěn)的控制問題，保證局部穩(wěn)定主要是通過對構(gòu)件截面的尺寸來控制的，如翼緣寬厚比，腹板高厚比。

整體失穩(wěn)大多數(shù)是由局部失穩(wěn)造成的，當(dāng)受壓部位或受彎部位的長細(xì)比超過允許值時(shí)，會失去穩(wěn)定。它受很多客觀因素影響，如荷載變化、鋼材的初始缺陷、支承情況的不同等。支撐往往也容易被設(shè)計(jì)者或施工者所忽視，這也是造成整體失穩(wěn)的原因之一。在吊裝中由于吊點(diǎn)位置的不同，桁架或網(wǎng)架的桿件受力可能發(fā)生改變，造成失穩(wěn)；腳手架傾覆、坍塌或變形大多是因?yàn)檫B桿不足、沒有支撐造成的。又如鋼組合梁中由于腹板高而薄或翼緣寬而薄也會造成局部失穩(wěn)。但是很多可能發(fā)生荷載變化的重要結(jié)構(gòu)如橋梁、桁架、水工閘門等，由于多采用超靜定結(jié)構(gòu)，因它有贅余桿件，所以可預(yù)防因一個(gè)桿件失穩(wěn)而造成整體失穩(wěn)。

四、鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定問題分析

強(qiáng)度問題是指結(jié)構(gòu)或者單個(gè)構(gòu)件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載所引起的最大應(yīng)力（或內(nèi)力）是否超過建筑材料的極限強(qiáng)度，因此是一個(gè)應(yīng)力問題。極限強(qiáng)度的取值取決于材料的特性，對混凝土等脆性材料，可取它的最大強(qiáng)度，對鋼材則常取它的屈服點(diǎn)。

穩(wěn)定問題則與強(qiáng)度問題不同，它主要是找出外荷載與結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力間的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，即變形開始急劇增長的狀態(tài)，從而設(shè)法避免進(jìn)入該狀態(tài)，因此，它是一個(gè)變形問題。如軸壓柱， 由于失穩(wěn)，側(cè)向撓度使柱中增加數(shù)量很大的彎矩，因而柱子的破壞荷載可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它的軸壓強(qiáng)度。顯然，軸壓強(qiáng)度不是柱子破 壞的主要原因。

五、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的三點(diǎn)要求

⑴結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖和實(shí)用計(jì)算所依據(jù)的簡圖必須相一致。目前任設(shè)計(jì)單層和多層框架結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)常不作框架穩(wěn)定分折而是代之以框架柱的穩(wěn)定計(jì)算。在采用這種方法時(shí)，計(jì)算框架柱穩(wěn)定時(shí)用到的柱計(jì)算長度系數(shù)，應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定得出，才能使柱穩(wěn)定計(jì)算等效于框架穩(wěn)定計(jì)算。然而，實(shí)際框架多種多樣，而設(shè)計(jì)中為了簡化計(jì)算工作，需要設(shè)定一些典型的假設(shè)條件。CB 50017—2003規(guī)范的條文說明中對單層或多層框架給出的計(jì)算長度系數(shù)采用了五條基本假定，其中包括：“框架中所有柱子是同時(shí)喪失穩(wěn)定的，即各柱同時(shí)達(dá)到其臨界荷載”。根據(jù)這條假定，框架各柱的穩(wěn)定參數(shù)桿件穩(wěn)定計(jì)算的常用方法，往往是依據(jù)一定的簡化假設(shè)或者典型情況得出的，設(shè)計(jì)者必須確知所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)符合這些假定條件時(shí)才能正確反映實(shí)際情況。在實(shí)際工程中，框架計(jì)算簡圖和實(shí)用方法所依據(jù)的假定有時(shí)會出現(xiàn)不一致的情況，此時(shí)就必須對計(jì)算長度系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，例如附有搖擺柱的無支撐（弱支撐）框架柱、橫梁受有較大軸心壓力的框架以及梁柱連接為半剛性構(gòu)造的情況等等，否則會造成計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況的不一致，甚至?xí)?dǎo)致不安全的后果。所以所用的計(jì)算方法與前提假設(shè)和具體計(jì)算對象應(yīng)該相一致。

⑵結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個(gè)體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求。目前結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計(jì)的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決，亦即設(shè)計(jì)必要的支撐構(gòu)件。這就是說，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面外穩(wěn)定必須和結(jié)構(gòu)布置相一致。另外，由平面桁架組成的塔架，基于同樣原因，需要注意桿件的穩(wěn)定和橫隔設(shè)置之間的關(guān)系。

⑶設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算必須相互配合。結(jié)構(gòu)計(jì)算和構(gòu)造設(shè)計(jì)相符合，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大家都注意的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點(diǎn)連接，應(yīng)分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量減少桿件偏心這些都是設(shè)計(jì)者處理構(gòu)造細(xì)部時(shí)經(jīng)?？紤]到的。但是，當(dāng)涉及穩(wěn)定性能時(shí)，構(gòu)造上時(shí)常有不同于強(qiáng)度的要求或特殊考慮。例如，簡支梁就抗彎強(qiáng)度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時(shí)允許在乎面內(nèi)轉(zhuǎn)動。然而在處理梁整體穩(wěn)定時(shí)上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，同時(shí)允許梁在水平平面內(nèi)轉(zhuǎn)動和梁端截面自由翹曲，以符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。

六、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

⑴穩(wěn)定性整體分析。桿件能否保持穩(wěn)定牽涉到結(jié)構(gòu)的整體，穩(wěn)定分析必須從整體著眼。

⑵失穩(wěn)和整體剛度?，F(xiàn)行規(guī)范通用的軸心壓桿的穩(wěn)定計(jì)算法是臨界壓力求解法和折減系數(shù)法。

⑶穩(wěn)定計(jì)算的其它特點(diǎn)。在彈性穩(wěn)定計(jì)算中，除了需要考慮結(jié)構(gòu)的整體性外，還有一些其他特點(diǎn)需要引起重視，首先要做的就是二階分析，這種分析對柔性構(gòu)件尤為重要，這是因?yàn)槿嵝詷?gòu)件的大變形量對結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生了不能忽視的影響，其次，普遍用于應(yīng)力問題的迭加原理。在彈性穩(wěn)定計(jì)算中不能應(yīng)用。這是因?yàn)榈釉淼膽?yīng)用應(yīng)以滿足以下條件為前提：一是材料服從虎克定律應(yīng)變成正比；二是結(jié)構(gòu)的變形很小。

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