钢结构建筑稳定性设计的要点分析

钢结构建筑稳定性设计的要点分析

洪朋

身份证号码：210281198207162336

摘要：钢结构建筑建设中时常会因为设计不合理、材料质量不达标、技术操作不规范等诸多原因出现失稳现象，严重威胁建筑物的使用安全。因此，要想从根源上提高钢结构建筑的稳定性，就需要从设计入手，根据拟建项目实际使用需要及现场地质条件、气候条件等选择合适的钢材及结构形式，明确技术标准及质量要求，为钢结构建筑的长久稳定使用奠定基础。本文从设计角度入手，针对钢结构稳定性问题展开研究分析，以供参考。

关键词：钢结构建筑；稳定性设计；要点

1建筑工程中钢结构设计的稳定性原则

（1）强柱弱梁、这是钢结构设计中的一个基本原则，指的是在结构的承载体系中，柱子的稳定性要大于梁的稳定性。柱子通常承担垂直荷载，因此需要具备较高的抗压能力，而梁则主要承担水平荷载，需要具备较高的抗弯刚度。强化柱子的稳定性可以提高整个结构的整体稳定性。（2）结构稳定。结构稳定是指在受荷作用下，结构的形态和性能不会发生不稳定、失稳或破坏的情况。钢结构设计中，需要考虑结构的整体稳定性，包括考虑结构的整体刚度、抗倾覆能力、抗屈曲能力等。对于高层建筑或长跨度结构，还需要考虑风荷载或地震荷载对结构稳定性的影响。（3）剪力调整。在钢结构设计中，剪力是结构中的一个重要力学参数。为了保证结构的稳定性，需要对剪力进行调整。一般来说，钢结构设计中常采用剪力墙、剪力支撑、剪力板等方式来增加结构的剪力承载能力。通过合理的剪力调整，可以提高结构的整体稳定性。

2工程概况

案例项目是一个体育场项目，其看台屋盖采用大跨度悬挑钢结构形式，分东、西2个看台，屋盖长度为260m，宽度为37m。屋盖采用前锥形+后V型支撑的独特支撑结构，并且该屋盖是双曲空间结构，各榀结构并不共面，整体形成一个稳定的结构。

3钢结构建筑稳定性设计的要点

3.1空间结构设计要点

3.1.1结构体系及主支撑结构

该屋盖的主结构为大跨度悬挑钢桁架+支撑体系结构，主支撑结构为V型支撑。屋盖的中间位置在横向上设有大跨度的悬挑三角主桁架，纵向上对主桁架的前、后端部及支座位置加设了三榀联系桁架，以增强主桁架的侧向支撑，提高整体结构的稳定性。钢桁架的应用既能够将内力转化成杆件的轴力，也可以简化结构受力，便于整个结构及单杆件稳定性的设计及控制。同时，为了进一步优化屋盖钢结构的稳定性，使整体结构有足够的刚度承受各种荷载，还增设了横向的联系桁架、系杆、隅撑和屋面交叉支撑等。支座支撑结构布置：屋盖前支撑是用双V型支撑与看台的顶柱连接，形成四角锥型；后支撑是采用V型支撑与一层的平台楼面相连，并加设了刚性杆，从而增强屋盖钢结构的抗拉能力、抗压性及抗倾覆能力。

3.1.2横向悬挑桁架及支撑结构

在横向的主轴上设置了大跨度的悬挑三角主桁架，根部高度为4m，悬挑端为2m，桁架顶的宽度为2m。同时，对桁架根部设计有后支撑，该后支撑是用2根钢管柱和二层平台外侧的钢筋混凝土柱相连形成刚性杆V型支撑。而悬挑桁架中后部的支撑是用4根钢管柱制成的四角锥形支撑，并与看台外围柱列顶柱相连。

3.1.3飘带部分及支撑结构

该屋盖的尾端采取飘带造型设计，并设有正交平面桁架，下面使用V型立柱及抗侧力斜柱进行加固，这样可在竖向及水平向上提高飘带的承载能力，进而保障整个结构的稳定性。

3.1.4纵向桁架

为使各榀横向主桁架协调受力，在其前端增加了两榀截面为2m×2m纵向四角桁架，在后端增加两榀截面为3m×3m的纵向四角桁架，可增强钢结构的刚度，以防主悬挑桁架变形。同时，在尾部桁架上设置了V型支撑以便协调和承受主桁架上的拉力及压力，使各榀主桁架能协调共同工作，优化整个钢结构的稳定性。

3.2钢结构稳定性参数分析

3.2.1结构荷载作用

该钢结构屋盖稳定性计算考虑的荷载主要包括重力、地震、风、温度等，并且重力、地震、风荷载均是考察钢结构屋盖最不利端部上部节点的计算结果。比如，风荷载是取风洞实验风压值，基本风压取100a重现期的基本风压值0.75kN/m2，结构所处环境为B类地貌。经计算得出屋盖各分区的最不利等效负风荷载标准值和最不利等效正风荷载标准值。

3.2.2整体稳定性计算及结果分析

3.2.2.1计算方法

使用3d3s10软件建立钢结构屋盖的模型，以梁单元模拟各主要杆件，以便计算分析屋盖各荷载组合工况下的受力状态及截面设计等情况。并使用Sap2000-v11程序中的线性特征值屈曲计算功能对整体稳定性进行计算及复核。

3.2.2.2荷载工况及组合

根据规范要求按照恒载及活载标准组合计算出该钢屋盖的最大挠度、最大位移情况及各构件的最大内力值。风荷载作用下结构的位移值最大，其次是恒荷载及活荷载。同时，受风吸荷载作用，Z方上的位移是向上的，说明该钢屋盖抵抗向上风吸力的刚度弱于抵抗向下的刚度，这就要求在结构设计中增设抵抗风吸力的拉杆。该大跨度悬挑钢屋盖结构属于风敏感结构，受风荷载作用在竖向上的位移最大，而地震工况下位移并不大，且效应也不明显。这就要求设计中要重点加强对风荷载下钢结构屋盖的稳定性验收。东、西2个看台的前支撑和后V型支撑承受的轴力并不大，说明其强度储备是足够的。而悬挑桁架由于其本身是弯曲构件，所以悬挑桁架所受轴力比较大，而且也需承受一定的双向弯矩。但经计算得出，前后支撑所受的组合应力占比都未超过0.6，悬挑桁架所受组合应力占比也都未超过0.8。

3.2.2.3特征值屈曲分析

为确保特征值屈曲分析的准确性及全面性，采取“恒载+活载”“恒载+风吸力”“恒载+风压力”3种组合方式进行荷载计算分析。可知，西看台最小屈曲系数为11.2，出现于第一模态“恒载+风压力”作用下；东看台最小屈曲系数为11.3，出现于第一模态“恒载+风压力”作用下。因为上述特征值屈曲分析结果计算分析中并未考虑初始缺陷及非线性特征值屈曲，只能预测出屈曲荷载的上限，无法计算出期望的保护荷载（下限），所以以此作为钢结构屋盖的稳定安全系数是严谨的，还需对初始缺陷的几何非线性屈曲进行考虑及分析。

3.2.2.4初始缺陷的几何非线性屈曲分析

实际工程施工中必然会存在初始几何缺陷，且有初始偏差、初始偏心或者初始弯曲、结构支座的偏差等多种初始几何缺陷。因为案例钢结构屋盖为大悬挑桁架结构，也是风敏感结构，所以设计计算中选择恒荷载工况作用下结构的变形位移值当做初始缺陷，初始缺陷取钢结构屋盖最大位移节点的钢架计算跨度比，即1/400，对几何非线性屈曲进行分析。具体来说，西看台区取150mm（=60000/400），东看台取90mm（=36000/400），并综合考虑该钢结构屋盖的几何非线性特点，计算分析出其初始缺陷的几何非线性屈曲系数。西看台的几何非线性屈曲系数最小值为9.2，东看台的几何非线性屈曲系数最小值为9.8，即当屈曲系数达到9.2（9.8）@（恒载+压风）时，该钢结构屋盖才会整体失稳，满足规范《网壳结构技术规程》（JGJ61-2003）中最小稳定安全系数为5的规定，说明该钢结构屋盖有足够的安全储备。

4结语

综上所述，通过应用Sap2000-v11程序分析、总结钢结构屋盖各荷载组合工况下的最大位移、特征值屈曲系数等，确定了影响该钢结构屋盖稳定性的最大因素就是风荷载，因此，在实际设计中重点加强结构的抗风荷载能力，以增强整个屋盖结构的稳定性。由此可知，在钢结构建筑稳定性设计中必须要充分考虑各种荷载及工况下影响结构稳定性的因素，然后采取针对性措施确保钢结构的稳定性，为钢结构建筑长久稳定使用提供保障。

参考文献

[1]李峰，高硕，王阳.建筑钢结构设计中稳定性的设计策略[J].中国建筑金属结构，2021（9）：66-67.

[2]莫磊.建筑钢结构设计中稳定性的设计方法研究[J].大众标准化，2022（8）：98-100.