梅浩棟 趙偉哲 秦宏偉 丁悅

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島 066001）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)是由鋼制材料組成的結(jié)構(gòu)，是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一。2008年奧運(yùn)會(huì)后我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑得到迅猛發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)作為一種主流的結(jié)構(gòu)形式，被廣泛應(yīng)用到廠房、鐵路、橋梁以及大型場(chǎng)館及住宅等方面，各種規(guī)模的鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)數(shù)以萬(wàn)計(jì)。通常鋼結(jié)構(gòu)建筑的多少，標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家或一個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度，鋼結(jié)構(gòu)既適合單層大跨度建筑，也可用于建造多層或高層建筑，用途廣泛。得益于煉鋼技術(shù)的提升以及奧運(yùn)會(huì)的推動(dòng)，很多新建廠房普遍采用鋼結(jié)構(gòu)形式。因此，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠房穩(wěn)定性問題進(jìn)行研究很有必要。

1 鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)原因分析

鋼結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性的原因主要有鋼結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)和構(gòu)件局部失穩(wěn)。

1.1 鋼結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)

（1）構(gòu)件整體穩(wěn)定不滿足要求。當(dāng)受壓部位或受彎部位桿件的長(zhǎng)細(xì)比超過允許值時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)失去穩(wěn)定。

（2）構(gòu)件有各類初始缺陷。鋼結(jié)構(gòu)材料存在的缺陷，導(dǎo)致計(jì)算出現(xiàn)一定的誤差。如：鋼結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形、初偏心力以及初彎曲，加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和殘余變形等沒有得到足夠的重視。

（3）構(gòu)件受力條件的改變。鋼結(jié)構(gòu)使用過程中荷載和使用條件的改變，如超載、節(jié)點(diǎn)的破壞、溫度的變化、基礎(chǔ)的不均勻沉降、意外的沖擊荷載等，引起受壓構(gòu)件應(yīng)力增加，或使受拉構(gòu)件轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌簶?gòu)件，從而導(dǎo)致構(gòu)件整體失穩(wěn)。

（4）支撐不夠。對(duì)于輕鋼廠房，設(shè)計(jì)時(shí)往往只重視鋼梁鋼柱，支撐系統(tǒng)被設(shè)計(jì)者或施工者所忽視。如支撐間距過大，系桿以及支撐未計(jì)算憑經(jīng)驗(yàn)選用導(dǎo)致長(zhǎng)細(xì)比超限等，也是造成整體失穩(wěn)的原因之一。

（5）施工臨時(shí)支撐不夠。在實(shí)際安裝過程中，由于結(jié)構(gòu)并未完全形成一個(gè)受力整體，需要對(duì)已安裝好的鋼構(gòu)件設(shè)置一些必要的臨時(shí)支撐來維持其整體穩(wěn)定。若臨時(shí)支撐未設(shè)置或設(shè)置不合理，輕則會(huì)使構(gòu)件喪失整體穩(wěn)定性，重則造成整個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌或傾覆。

1.2 構(gòu)件局部失穩(wěn)

（1）局部穩(wěn)定不滿足要求。構(gòu)件翼緣的寬厚比和腹板的高厚比大于限值時(shí)，易發(fā)生局部失穩(wěn)現(xiàn)象，此問題在大截面構(gòu)件及組合截面構(gòu)件中應(yīng)特別注意。

（2）受力部位加勁肋構(gòu)造措施不合理。構(gòu)件的局部受力部位，如支座、較大集中荷載作用點(diǎn)，應(yīng)設(shè)置支承加勁肋，如果沒有設(shè)支承加勁肋，使外力直接傳給較薄的腹板極易導(dǎo)致局部失穩(wěn)。對(duì)于較長(zhǎng)構(gòu)件，運(yùn)輸時(shí)構(gòu)件兩端以及中間如沒有設(shè)置橫隔，可能導(dǎo)致構(gòu)件截面的幾何形狀發(fā)生改變而引起構(gòu)件局部失穩(wěn)。

（3）吊點(diǎn)位置選擇不當(dāng)。在吊裝過程中由于現(xiàn)場(chǎng)吊點(diǎn)位置設(shè)置不合理，桁架或網(wǎng)架的桿件受力情況可能變化，造成局部失穩(wěn)，所以鋼結(jié)構(gòu)桁架以及網(wǎng)架施工圖紙應(yīng)明確構(gòu)件吊點(diǎn)位置。

鋼結(jié)構(gòu)建筑由多個(gè)鋼構(gòu)件組成，構(gòu)件的局部失穩(wěn)將導(dǎo)致構(gòu)件受力情況改變，從而導(dǎo)致構(gòu)件整體失穩(wěn)，因此必須重視局部失穩(wěn)問題。

2 鋼結(jié)構(gòu)體系保證穩(wěn)定性原則

2.1 整體穩(wěn)定原則

對(duì)于整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)體來說，橫向穩(wěn)定主要是由各個(gè)梁柱做支撐維持平穩(wěn)，而縱向的穩(wěn)定，一般是由縱向支撐構(gòu)件如系桿、支撐來達(dá)到平穩(wěn)的目的。在對(duì)整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性進(jìn)行核算時(shí)，應(yīng)該充分考慮橫向和縱向承載情況。計(jì)算時(shí)要保證受壓或壓彎構(gòu)件本身及其組成桿件在荷載作用下不發(fā)生屈曲而喪失穩(wěn)定。整體穩(wěn)定性的計(jì)算，需要結(jié)合梁柱構(gòu)件自身及其面外支撐系統(tǒng)進(jìn)行全面設(shè)計(jì)［1］。

2.2 局部穩(wěn)定原則

在設(shè)計(jì)階段，除了需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性有充分的考慮外，還應(yīng)結(jié)合建筑物所處的環(huán)境以及建筑物的形式來對(duì)圖紙進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)。局部穩(wěn)定設(shè)計(jì)最主要的部分就是對(duì)鋼結(jié)構(gòu)支座及節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，如支座處、吊點(diǎn)處、梁柱節(jié)點(diǎn)處、現(xiàn)場(chǎng)焊接部位、較大集中荷載作用點(diǎn)等應(yīng)設(shè)置縱向及橫向加勁肋，以免構(gòu)件在集中力作用下發(fā)生破壞。保證構(gòu)件局部穩(wěn)定的關(guān)鍵在于保證構(gòu)件各部位在外部集中力作用下不發(fā)生屈曲，從而維持自身穩(wěn)定性。只有保障各構(gòu)件本身的穩(wěn)定，才可以確保整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)體系不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的情況［1］。

3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)階段要點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)體系應(yīng)根據(jù)建筑的抗震烈度、建筑高度、場(chǎng)地條件、地基、材料及施工等因素，結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)和使用條件綜合比較確定，不同性能的鋼結(jié)構(gòu)建筑需要采用不同的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建筑，要明確整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)體的受力體系，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量采用一些相對(duì)合理的結(jié)構(gòu)樣式。另外，在進(jìn)行方案規(guī)劃時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)盡量能夠滿足規(guī)則性要求，建筑設(shè)計(jì)應(yīng)重視起平面、立面和豎向剖面的規(guī)則性對(duì)抗震性能及經(jīng)濟(jì)合理性的影響，宜選用規(guī)則的形體，其抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置宜規(guī)則對(duì)稱、側(cè)向剛度沿豎向宜均勻變化、豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸較小、避免側(cè)向剛度和承載力突變，這樣可以使鋼結(jié)構(gòu)體系受力均衡。方案設(shè)計(jì)中盡量滿足以下三點(diǎn)原則：

（1）平面的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單且對(duì)稱，盡量避免平面凹凸，減少平面不規(guī)則，同時(shí)應(yīng)具有合理的剛度和承載力分布，使鋼結(jié)構(gòu)體系整體的重心以及結(jié)構(gòu)的中心吻合，使結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性相近，避免應(yīng)力集中或塑性變形集中，平面規(guī)則結(jié)構(gòu)對(duì)于扭轉(zhuǎn)和形變的抵抗能力比較強(qiáng)。

（2）對(duì)于豎向的設(shè)計(jì)，也要盡可能減少不規(guī)則性，同時(shí)盡量避免豎向抗側(cè)立構(gòu)件不連續(xù)和樓層承載力突變的情況。結(jié)構(gòu)豎向的規(guī)則和對(duì)稱能夠最大程度地滿足結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

（3）對(duì)于一個(gè)建筑物來說，鋼柱的布置以及基礎(chǔ)形式的合理選擇也很重要。在滿足工藝生產(chǎn)要求下，應(yīng)盡量減少非必要的抽柱，使其盡可能滿足對(duì)稱以及結(jié)構(gòu)規(guī)則性要求。對(duì)于不規(guī)則的建筑應(yīng)按規(guī)定采取加強(qiáng)措施，按相應(yīng)要求進(jìn)行地震作用計(jì)算和內(nèi)力調(diào)整，并對(duì)薄弱部位采取有效的抗震構(gòu)造措施，特別不規(guī)則的建筑應(yīng)進(jìn)行專門研究論證，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的建筑。

3.2 將綠色發(fā)展理念納入設(shè)計(jì)

近兩年，光伏太陽(yáng)能行業(yè)發(fā)展迅速，以玻璃行業(yè)為例，業(yè)主常常要求設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)廠房時(shí)考慮屋頂布置太陽(yáng)能板。筆者認(rèn)為工業(yè)廠房屋頂適當(dāng)布置太陽(yáng)能板或是大勢(shì)所趨，今后鋼結(jié)構(gòu)廠房在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，可結(jié)合太陽(yáng)能板系統(tǒng)，考慮在鋼結(jié)構(gòu)廠房屋面或外圍墻上布置太陽(yáng)能板。設(shè)計(jì)太陽(yáng)能板方案需要結(jié)合廠房的維護(hù)結(jié)構(gòu)，使兩者相輔相成。玻璃廠一般大面積小坡度屋面廠房，如切裁、裝箱、深加工以及庫(kù)房等工段屋面常采用此技術(shù)。此技術(shù)在節(jié)約后期生產(chǎn)成本的同時(shí)也能在一定程度上提高廠房整體的穩(wěn)定性及美觀度。值得一提的是，進(jìn)行該項(xiàng)設(shè)計(jì)符合循環(huán)發(fā)展的理念，能滿足國(guó)家對(duì)新建工業(yè)廠房的環(huán)保要求。光伏太陽(yáng)能板系統(tǒng)對(duì)廠房整體的穩(wěn)定性有一定的提高，但對(duì)于采用光伏太陽(yáng)能系統(tǒng)的廠房，由于太陽(yáng)能面板自重10～20 kg/m2，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)廠房原有結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行核算。

3.3 工藝協(xié)調(diào)

現(xiàn)階段跨度不大于48 m的鋼結(jié)構(gòu)廠房，一般都是采用輕鋼門式剛架。廠房的建設(shè)都是為后續(xù)生產(chǎn)服務(wù)，所以鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)要充分滿足后期在廠房?jī)?nèi)進(jìn)行的各種生產(chǎn)需求，但是現(xiàn)實(shí)中設(shè)計(jì)圖與實(shí)際安裝不一致的情況也屢見不鮮。為了提高設(shè)計(jì)圖的合格率，在設(shè)計(jì)工作開展時(shí)，就要以實(shí)際生產(chǎn)工藝為出發(fā)點(diǎn)，使設(shè)計(jì)的方案能夠滿足生產(chǎn)的要求，如廠房的高度、變形縫的位置、抗風(fēng)柱位置、鋼架的柱距及結(jié)構(gòu)樓層等。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)廠房材料的選擇，一般都是根據(jù)實(shí)際需要選擇相應(yīng)的材料；對(duì)于有特殊要求的廠房，需要進(jìn)行構(gòu)件疲勞驗(yàn)算，寒冷地區(qū)，還需要選用相應(yīng)材質(zhì)的鋼材，其材質(zhì)必須符合國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計(jì)合理可靠。

3.4 抗震性能設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)廠房除了需要滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求之外，還需要具備必要的抗震承載力，應(yīng)具備良好的變形能力和消耗抗震能量的能力。結(jié)構(gòu)廠房抗震性能的強(qiáng)弱直接影響廠房在遭遇一定幅度震動(dòng)時(shí)的受損程度。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)建筑體所處的地區(qū)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑的受力情況以及抗震性能進(jìn)行分析，使所設(shè)計(jì)的廠房滿足抗震要求。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠房受力分析時(shí)，也可對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形狀及梁柱關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理優(yōu)化，使其充分滿足抗震要求，確保廠房?jī)?nèi)部生產(chǎn)工作的安全和穩(wěn)定。

3.5 結(jié)構(gòu)受力體系設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，承載力設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)所設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件大多采用T字型或箱型、H字型，盡量避免畸形構(gòu)件，這種對(duì)稱形狀構(gòu)件截面剛度較好，具有較好的承載能力。對(duì)于吊車噸位大的廠房設(shè)置制動(dòng)桁架或制動(dòng)梁來抵抗橫向水平荷載（圖1）。對(duì)于較大高度的鋼梁，在縱向布置支撐時(shí)，可在支撐柱距設(shè)置雙層系桿以抵抗梁平面外水平向荷載引起的扭轉(zhuǎn)（圖2）。對(duì)于同一鋼結(jié)構(gòu)建筑，不同位置的構(gòu)件其要求也不同，如在整個(gè)結(jié)構(gòu)中，鋼柱及柱腳一旦承載力超限或失穩(wěn)破壞，影響極為嚴(yán)重，因此務(wù)必充分保證其承載力及穩(wěn)定要求，建議設(shè)計(jì)時(shí)可預(yù)留適當(dāng)?shù)挠嗔俊３送?，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)也要進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算，盡量滿足強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件要求。

圖1 吊車制動(dòng)桁架

圖2 雙層系桿

4 鋼結(jié)構(gòu)加工及施工階段要點(diǎn)探究

除了設(shè)計(jì)之外，鋼結(jié)構(gòu)加工時(shí)要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行圖紙深化及加工，如有構(gòu)件結(jié)構(gòu)不合理處或施工有困難的地方，及時(shí)向設(shè)計(jì)單位反饋，鋼構(gòu)件嚴(yán)格按照工藝流程要求進(jìn)行加工制作。構(gòu)件運(yùn)輸時(shí)構(gòu)件在運(yùn)輸車輛上的支點(diǎn)、兩端伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度及綁扎方法均應(yīng)保證構(gòu)件不產(chǎn)生永久變形、不損傷涂層，節(jié)點(diǎn)板、高強(qiáng)度螺栓連接面等重要部分要有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。現(xiàn)場(chǎng)施工單位應(yīng)做好構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)交接驗(yàn)收，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行妥善安置及防護(hù)。鋼結(jié)構(gòu)吊裝前應(yīng)做好應(yīng)急預(yù)案，在鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中采用合理施工方案，盡可能避免現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)孔，減少現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)，減小施工過程中的誤差，對(duì)安裝好的構(gòu)件采取臨時(shí)支撐措施以保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。對(duì)于危大工程，務(wù)必做好預(yù)案，制定應(yīng)對(duì)措施，加強(qiáng)安全管理，確保工程安全生產(chǎn)，防范安全生產(chǎn)事故。另外，施工過程中監(jiān)理也要做好現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管工作，確保每個(gè)施工環(huán)節(jié)能保質(zhì)保量的完成。

5 結(jié)語(yǔ)

在進(jìn)行工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中，鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)明顯，被廣泛應(yīng)用于各種大跨度工業(yè)廠房。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的顯著增長(zhǎng)，鋼構(gòu)件加工行業(yè)制作水平的提升以及裝配式建筑發(fā)展的大趨勢(shì)，今后國(guó)內(nèi)采用鋼結(jié)構(gòu)的廠房將會(huì)越來越多，設(shè)計(jì)及相關(guān)人員一定會(huì)造就更多經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的鋼結(jié)構(gòu)建筑。