时间：2023-04-18 17:46:13
绪论：在寻找写作灵感吗？爱发表网为您精选了8篇钢结构设计论文，愿这些内容能够启迪您的思维，激发您的创作热情，欢迎您的阅读与分享！
关键词：钢结构现场施工
1．前言
《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》公布以来已经快三年。这几年，这类工程发展，《规程》起了很大推动作用，但也陆续听到一些令人不安的情况。今冬雨水较大，降雪较多，有些地方雪特别大，结构压坏恐怕很难避免，但有的地方雪不大房子也有垮的，漏水的更多。最近某厂屋顶漏水解决不了，找到钢结构委员会来了，不是雨水，是冷凝水，以前还没有碰到过。另外，也看到一些工程，有的框架梁太细，令人担心，遇到大雪很可能出问题。有的骨架立起来摇摇幌幌，没有支撑，说装上墙板就好了，好象有了墙板就可以不要支撑。现在排架多起来。用钢筋砼柱、轻钢梁，造价较低，但有的严重不合规定。现在是市场驱动，有些企业搞承包能省就省，尽量压低造价，管它是否符合规定。有的连规定也不清楚。利用开年会的机会，结合了解到的一些情况，就门式刚架房屋设计施工中的问题，作一个发言，抛砖引玉，希望和与会代表交流，取得一致看法。
2．设计方面
1）屋面活荷载取值
框架荷载取0.3kN/m2已经沿用多年，不打算修改。但屋面结构，包括屋面板和檩条，其活荷载要提高到0.5kN/m2。《钢结构设计规范》征求意见稿规定不上人屋面的活荷载为0.5kN/m2，但构件的荷载面积大于60m2的可乘折减系数0.6。门式刚架一般符合此条件，所以可用0.3kN/m2，与钢结构设计规范保持一致。国外这类，要考虑0.15-0.5N/m2的附加荷载，而我们无此规定，遇到超载情况，就要出安全问题。现在有的框架梁太细，檩条太小，明显有克扣荷载情况，今后应特别注意，决不允许在有限的活荷载中“挖潜”。
2）屋脊垂度要控制
框架斜梁的竖向挠度限值一般情况规定为1/180，除验算坡面斜梁挠度外，是否要验算跨中下垂度？过去不明确，它可能讲课时说过不包括屋脊点垂度。现在了解到，美国是计算的。他们作框架分析，一般是将构件分段，用等截面程序计算，每段都要计算水平和竖向位移，不能大于允许值，等于要验算跨中垂度。跨中垂度反映屋面竖向刚度，刚度太小竖向变形就大。要的度本来就小，脊点下垂后引起屋面漏水，是漏水的原因之一。有的工程由于屋面竖向刚度过小，第一榀刚架与山墙间的屋面出现斜坡，使屋面变形。现在打算做个规定，刚架侧移后，当山尖下垂对坡度影响较大时（例如使坡度小于1/20），要验算山尖垂度，以便对屋面刚度进行控制。
3）钢柱换砼柱
少数单位设计的门式刚架，采用钢筋混凝土柱和轻钢斜梁组成，斜梁用竖放式端板与砼柱中的预埋螺栓相连，形成刚接，目的是想节省钢材和降低造价。在厂房中，的确是有用砼柱和钢桁架组成的框架，但此时梁柱只能铰接，不能刚接。多高层建筑中，钢梁与墙的连接也是如此。因为混凝土是一种脆性材料，虽然构件可以通过配筋承受弯矩和剪力，但在连接部位，它的抗拉、抗冲切的性能很并，在外力作用下很容易松动和破坏。还有的单位，在门式刚架设计好之后，又根据业主要求将钢柱换成砼柱，而梁截面不变。应当指出，砼柱加钢梁作成排架是可以的，但将刚架的钢柱换成砼柱，而钢梁不变，是不行的。由于连接不同，构件内力也不同，要的工程斜梁很细，可能与此有关。建筑结构是一门科学，如果不按科学办事，是要吃苦头的。今后国家要执行建筑法，实行强制性条款，违反其中一项，出了工程事故，是要受罚的。
4）檩条计算不安全
檩条计算问题较大。檩要是冷弯薄壁构件，受压板件或压弯板件的宽厚比大，在受力时要屈曲，强度计算应采用有效宽度，对原有截面要减弱，不能象热轧型钢那样全截面有效。有效宽度理论是在《冷弯薄壁型钢构件技术规程》中讲的，有的设计人员恐怕还不了解，甚至有些设计软件也未考虑。但是，设计光靠软件不行，还要能判断。软件未考虑的，自己要考虑，否则就不需要高级工程师了。再有，设计人员往往忽略强度计算要用净断面，忽略钉孔减弱。这种减弱，一般达到6-15%，对小截面窄翼缘的梁影响较大。刚架整体分析采用的是全截面，如果强度计算不用净截面，实际应力将高于计算值。《规程》3.1.7条规定：“结构构件的受拉强度应按净截面计算，受压强度应按有效截面计算，稳定性应按有效截面计算，变形和各种稳定系数均可按毛截面计算”。曾有人问，这条规定是什么意思？如果有人再提这样的问题，我想问他，钢结构学过没有？因为这是钢结构的基本概念问题。如果这样的问题都签不出，说明他还不具备钢结构的设计资格的。有的单位看到国外资料中檩条很薄，也想用薄的。国外檩条普遍采用高强度低合金钢，但我国低合金钢Q345的冲压性能不行，只有用Q235的。人家是按有效截面计算承载力的。如果用Q235的，又想用得薄，计算时还不考虑有效截面，荷载稍大时檩条就要垮。
3．施工方面
1）柱子拔出
有的刚架在大风时柱子被拔起，这是实际中常出现的事故。主要原因不是刚架计算失误，而且设计柱间支撑时，未考虑支撑传给柱脚的拉力。尤其是房屋纵向尺度较小时，只设置少量柱间支撑来抵抗纵向风荷载，支撑传给柱脚的拉力很大，而柱脚又没有采取可靠的抗拔措施，很可能将柱子拔起。，因此，在风荷载较大的地区刚架柱受拉时，在柱脚应考虑抗拔构造，例如锚栓端部设锚板等。
2）没有柱间支撑
这种情况最近较多，需要大声疾呼，这样不行。蒙皮作用虽然各国都在研究，但没有任何一本规范允许不设支撑。蒙皮作用的影响因素太多，并非在任何情况多能发挥作用。特别是柱间支撑，受力较大，绝不能省略。蒙皮作用最多只能视为一种刚度储备。
3）端板合不上
端板连接是结构的重要部位。由于加工要求不严，而腹板与端板间夹角又，有的工程两块端板完全对不上，合不起来。强行用螺栓拉在一起，仍留下很宽缝隙，严惩影响工程质量。
4）锚栓不铅直
框架柱柱脚底板水平度差，锚栓不铅直，柱子安装后不在一条直线上，东倒西歪，使房屋外观很难着，这种情况不少。锚栓安装应坚持先将底板用下部调整螺栓调平，再用用无收缩砂浆二次灌浆填实，国外此法施工。最近在上海讨论轻钢施工验收规程，不少专家强调了这种方法。
5）保温材吸水超重
有些房屋雪不大就垮了，究其原因，是屋面防水施工太差，雪融化后水逐渐渗入，为保温村所吸收。今年冬季落雪多次，迁延时间较长。屋面的设计荷载很小时，当吸水量达至一定程序，超过了结构的承载能力，就要倒塌。
6）保温材料胡乱安装
保温材料一般采用玻璃棉，其厚度根据热功计算确定。正规做法是采用背面带铝箔隔汽层的玻璃棉，有的不用铝箔，用牛皮纸，我不清楚牛皮纸是否可作隔汽层，如果可以，也比不用任何隔汽层好。防止冷凝水向室内滴水，是房屋的使用要求之一。有人以为铝箔只是为了美观，或承受拉力，实际上它的主要作用是作隔汽层。承受悬挂时的拉力还可以用玻璃纤维布或钢丝网。现在看到有些工程，玻璃棉不用任何隔汽层。另外，当采用内层钢板吊顶时，不是将保温卷材压在檩条上，而是为了施工方便，将保温材剪断，放在檩条之间的吊顶上，形成冷桥。某工程在这样处理的同时，又将吊顶钢板搭接方向弄反。加之，冬季混凝土地坪施工作业时，将周边门窗关闭，由于室内外温差大，大量水汽在屋顶凝集，由吊顶钢板搭接处流下，形成了“外面不下里面下”的状况，使工程不能交工。经验告诉我们，当保温卷材有隔汽层并保持接缝处密封时，卷材是干燥的，无隔汽层时卷材是湿的。在水份的长期浸泡下，随着时间的推移，保温棉将被逐渐压实，最终失去应有的保温作用，因此安装方法是否对头，关系很大。
4．其它
关键词：建筑钢结构经济性能工程造价优化设计
1、引言
由于国家政策、钢材生产、构件制作、设计研发、标准规范修订等方面的有利因素，近几年我国的建筑钢结构进入了一个全新的发展时期。新材料、新部品、新结构体系不断出现，钢结构设计研发、制作安装能力日益强大，建筑钢结构向多样性、适用性、经济性方向发展。
建筑钢结构的经济性能一直是大家最为关注的一个问题。如何控制工程造价，充分发挥钢结构建筑技术经济上的综合优势，工程设计阶段是关键阶段。据权威资料统计分析，在初步设计阶段，影响工程造价的可能性为75%-95%；在技术设计阶段，影响工程造价的可能性为35%-75%；在施工图设计阶段，影响工程造价的可能性为5%-35%。因此设计质量的好坏、设计是否优化对工程造价将产生直接的影响。下面以门式刚架轻钢结构厂房和多、高层钢结构建筑的设计为例，在材料选用、结构体系等方面进行简要分析，探讨在设计阶段控制工程造价，提高建筑经济性能的可行性。
2、材料选用方面工程造价控制
由于我国钢产量已经突破两亿吨，钢材品种更趋于多样化。各种新型建材，如轻质保温墙板、彩涂压型钢板、楼承板等不断开发出来并推广应用。建筑钢结构在设计阶段材料的选择上有了更大的空间。材料选择不同，工程直接费不同，总造价不同。设计阶段合理选择建筑材料，控制材料单价或工程量，是控制工程造价的有效途径。试举例如下：
（1）彩涂钢板：彩涂钢板一般用于轻钢厂房屋面板和墙面板，有不同板型、不同基板厚度和钢号、不同镀锌板类别和镀锌层厚度以及不同的彩涂层类别，在形式上又可选用单板、保温复合板、单板加内保温层等，其中保温层又有超细玻璃丝棉、硬质岩棉、聚苯乙烯等类别及厚度的不同，这些不同都造成单方材料价格的差异，从而影响厂房工程总造价。所以设计时要根据厂房性质、大气环境等因素综合考虑，合理选用板材，控制工程造价。
（2）多、高层住宅钢结构体系的墙体材料：墙体材料造价一般占土建工程造价的15%-25%。对于多、高层住宅钢结构体系来说，选用配套、经济、节能的墙体材料至关重要。目前，设计选用的外墙材料主要有水泥保温外墙板、轻质加气混凝土砌块、NALC板等；内墙材料主要有改性石膏板、GRC内墙板、水泥保温复合板等。莱钢集团自主研发的LCC-A系列、LCC-B系列和LCC-C系列轻质保温复合墙板也已应用于在建钢结构节能住宅工程中，逐步使钢结构住宅体系走向标准化、定型化和工业化，为降低综合造价创造了基础条件。
（3）多、高层钢结构建筑楼（屋）面的楼承板：设计时，根据在楼（屋）盖结构体系中的作用，楼承板可采用两种形式，即①楼承板只作为永久性模板，一般采用普通镀锌压型钢板即可，对最小镀锌量和耐火时间要求较低，价格较便宜；②施工时作为模板，在使用阶段则替代受拉钢筋，即组合楼板。由于在设计中考虑楼承板作为受拉筋，其使用寿命必须与主钢结构的使用寿命保持一致，所以对其最小镀锌量和耐火时间要求较高，单方价格相对较高。
（4）钢材规格及材质：由于钢材品种的增多，结构设计时可选择的构件形式也多了。比如框架柱，可采用热轧H型钢、焊接H型钢、螺旋焊接圆钢管、焊接方钢管以及组合截面等形式，钢梁可采用等截面、变截面等形式。材质可采用Q235普碳钢，也可采用Q345低合金钢。设计时应尽可能采用高强度等级的材料，比如采用Q345钢比采用Q235钢就可节约钢材15%-25%，用于受拉或受弯构件节约比例较大。设计时要选用经济截面型材，比如热轧H型钢、T型钢等。在某些情况下，采用热轧H型钢柱、梁可能比采用焊接H型钢用钢量稍多，但从加工成本、施工进度等方面综合考虑，其造价可能更有优势。
3、结构体系方面工程造价控制
不同的结构体系和平、立面布置对工程造价的影响较明显。在设计阶段只有根据建筑物的使用功能要求，确定合理的平、立面布置和结构体系，才能有效控制工程造价，做到经济适用。列举如下：
（1）根据有关资料测算分析，对于多层建筑，不同层数对土建工程造价的影响为10%-25%；不同层高对土建工程造价的影响为1.5%-12%。
（2）门式刚架轻钢结构厂房设计，同样存在经济跨度和刚架最优间距。在工艺要求允许的情况下，尽量选择小跨度的门式刚架较为经济。一般情况下，门式刚架的最优间距为6m-9m，当设有大吨位吊车时，经济柱距一般为7m-9m,不宜超过9m，超过9m时，屋面檩条、吊车梁与墙架体系的用钢量也会相应增加，造价并不经济。下表（表3.3）是按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:98）进行设计的厂房主钢用钢量，通过横向、纵向比较，可以看出各影响因素在设计阶段合理确定的意义。设计荷载取值：恒载0.3KN/m2、活载0.5KN/m2、基本风压0.55KN/m2、不考虑吊车及悬挂荷载。
柱距7.5m
檐高6.0m
用钢量
（kg/m2）
柱距7.5m
檐高6.0m
用钢量
（kg/m2）
柱距7.5m
檐高6.0m
用钢量
（kg/m2）
跨度
Q345
Q235
跨度
Q345
Q235
跨度
Q345
Q235
1×18.0m
7.20
8.72
2×18.0m
7.16
8.92
3×18.0m
7.38
8.95
1×21.0m
8.41
9.90
2×21.0m
8.45
10.28
3×21.0m
8.43
10.12
1×24.0m
9.22
11.43
2×24.0m
9.68
11.75
3×24.0m
9.29
11.36
1×27.0m
10.54
12.72
2×27.0m
10.86
13.12
3×27.0m
10.35
12.96
1×30.0m
11.57
13.95
2×30.0m
11.92
14.53
3×30.0m
11.35
13.54
1×33.0m
12.86
15.10
2×33.0m
13.21
16.58
3×33.0m
12.46
15.61
（3）在多、高层钢结构中，楼板结构体系的工程量占有较大比重，对结构的工作性能、造价都有重要影响。在确定楼板结构方案时，主要考虑要保证楼板有足够的平面整体刚度，能减轻结构的自重及减小结构层的高度，有利于现场安装方便及快速施工，还要有较好的防火、隔音性能，并便于管线的敷设。常用楼板做法有：压型钢板组合楼板、预制楼板、叠合楼板和普通现浇钢筋混凝土楼板等。目前最常用的做法为压型钢板组合楼板和普通现浇钢筋混凝土板。当采用这两种做法时，考虑现浇板与钢梁组合成为共同受力的组合梁，能有效降低钢梁高度，较多地节约钢材。
（4）在高层钢结构中，框架柱采用圆形钢管混凝土柱，梁、板采用钢-砼组合结构，总用钢量比普通钢结构用钢量有大幅度减小，能有效降低工程造价。
4、结束语
钢结构建筑所具有的优点决定其必将具有强大的生命力。设计阶段技术创新、选材配套、设计优化是控制造价、促进建筑钢结构走向产业化的关键阶段。为此，强调以下几点：
（1）提高设计人员的素质，重视设计人员的继续教育和业务知识的更新培训。同时，要强调技术与经济相结合，设计中注重价值工程的运用，要做多方案比较，把控制工程造价放到重要位置。
关键词：钢结构结构稳定结构设计
1、引言
稳定性是钢结构的一个突出问题。在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题。对于这个问题处理不好，将会造成不应有的损失。现代工程史上不乏因失稳而造成的钢结构事故，其中影响最大的是1907年加拿大魁北克一座大桥在施工中破坏，9000吨钢结构全部坠入河中，桥上施工的人员75人遇难。破坏是由于悬臂的受压下弦失稳造成的。而美国哈特福特城的体育馆网架结构，平面92m×110m,突然于1978年破坏而落地，破坏起因可能是压杆屈曲。以及1988年加拿大一停车场的屋盖结构塌落，1985年土耳其某体育场看台屋盖塌落，这两次事故都和没有设置适当的文撑有关[1]。在我国1988年也曾发生l3.2×l7.99m网架因腹杆稳定位不足而在施工过程中塌落的事故。从上可以看出，钢结构中的稳定问题是钢结构设计中以待解决的主要问题，一旦出现了钢结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡，所以我们在钢结构设计中，一定要把握好这一关。目前，钢结构中出现过的失稳事故都是由于设计者的经验不足，对结构及构件的稳定性能不够清楚，对如何保证结构稳定缺少明确概念，造成一般性结构设计中不应有的薄弱环节。另一方面是由于新型结构的出现，如空间网架，网壳结构等，设计者对其如何设计还没有完全的了解。本文针对这些问题提出了在设计中应该明确在钢结构稳定设计中的一些基本概念，以及对新型钢结构稳定性研究应该了解的一些问题并且应该懂得如何解决这些问题。只有这样我们在设计中才能更好处理钢结构稳定问题。
2、钢结构稳定设计的基本概念
2.1强度与稳定的区别[2]
强度问题是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起地最大应力（或内力）是否超过建筑材料的极限强度，因此是一个应力问题。极限强度的取值取决于材料的特性，对混凝土等脆性材料，可取它的最大强度，对钢材则常取它的屈服点。稳定问题则与强度问题不同，它主要是找出外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，从而设法避免进入该状态，因此，它是一个变形问题。如轴压柱，由于失稳，侧向挠度使柱中增加数量很大的弯矩，因而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度。显然，轴压强度不是柱子破坏的主要原因。
2.2钢结构失稳的分类[1]
(1)第一类稳定问题或者具有平衡分岔的稳定问题（也叫分支点失稳）。完善直杆轴心受压时的屈曲和完善平板中面受压时的屈曲都属于这一类。
(2)第二类稳定问题或无平衡分岔的稳定问题（也叫极值点失稳）。由建筑钢材做成的偏心受压构件，在塑性发展到一定程度时丧失稳定的能力，属于这一类。
(3)跃越失稳是一种不同于以上两种类型，它既无平衡分岔点，又无极值点，它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态。
区分结构失稳类型的性质十分重要，这样才有可能正确估量结构的稳定承载力。随着稳定问题研究的逐步深入，上述分类看起来已经不够了。设计为轴心受压的构件，实际上总不免有一点初弯曲，荷载的作用点也难免有偏心。因此，我们要真正掌握这种构件的性能，就必须了解缺陷对它的影响，其他构件也都有个缺陷影响问题。另一方面就是深入对构件屈曲后性能的研究。
2.3钢结构设计的原则
根据稳定问题在实际设计中的特点提出了以下三项原则并具体阐明了这些原则，以更好地保证钢结构稳定设计中构件不会丧失稳定。
(1)结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求
目前结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此。保证这些平面结构不致出平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致。就如上述的1988年加拿大一停车场的屋盖结构塌落，1985年土耳其某体育场看台屋盖塌落，这两次事故都和没有设置适当的文撑而造成出平面失稳。
由平面桁架组成的塔架，基于同样原因，需要注意杆件的稳定和横隔设置之间的关系。
(2)结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要[3]。
目前任设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分折而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时，计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，自应通过框架整体稳定分析得出，才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而，实际框架多种多样，而设计中为了简化计算工作，需要设定一些典型条件。GBJl7—88规范对单层或多层框架给出的计算长度系数采用了五条基本假定，其中包括：“框架中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，往往是依据一定的简化假设或者典型情况得出的，设计者必须确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。在实际工程中，框架计算简图和实用方法所依据的简图不一致的情况还可举出以下两种，即附有摇摆拄的框架和横梁受有较大压力的框架。这两种情况若按规范的系数计算，都会导致不安全的后果。所以所用的计算方法与前提假设和具体计算对象应该相一致。
(3)设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者有一致性。
结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中大家都注意的问题。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这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。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。然而在处理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，同时允许梁在水平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。
2.4钢结构稳定设计特点
（1）失稳和整体刚度:现行规范通用的轴心压杆的稳定计算法是临界压力求解法和折减系数法。
（2）稳定性整体分析：杆件能否保持稳定牵涉到结构的整体。稳定分析必须从整体着眼。
（3）稳定计算的其它特点：在弹性稳定计算中，除了需要考虑结构的整体性外，还有一些其他特点需要引起重视，首先要做的就是二阶分析，这种分析对柔性构件尤为重要，这是因为柔性构件的大变形量对结构内力产生了不能忽视的影响，其次，普遍用于应力问题的迭加原理[4]．在弹性稳定计算中不能应用。这是因为迭加原理的应用应以满足以下条件为前提：
1）材料服从虎克定律变成正比；
2）结构的变形很小。
而弹性稳定计算一般均不能满足第2）个条件，非弹性稳定计算则两个前提都不符合。
了解了一些在钢结构设计中应该明确的一些基本概念，有助于我们在设计中更好地处理稳定方面的问题，随着新型钢结构体系地不断发展，我们对稳定问题的研究要求也不断地提高，之所以在设计中出现结构失稳问题，另一个重要原因就是我们对新型结构稳定知之甚少，也就是目前钢结构稳定研究中存在的问题。
3、钢结构稳定性研究中存在的问题
钢结构体系稳定性研究虽然取得了一定的进展，但也存在一些不容忽视的问题[5]：
(1)目前在网壳结构稳定性的研究中，梁-柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁-柱单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还很难说，虽然有学者对梁-柱单元进行过修正[3]。主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。
(2)在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题，目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数，未反映整体稳定与局部稳定的关联性。
(3)预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善，目前还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的稳定性。
(4)钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响，目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围，而在实际工程中，由于结构参数的不确定性，会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究。
从上面可以看出，我们的钢结构稳定理论还是不够完善，我们在设计中一般都是把钢结构看成是完善的结构体系，针对上述问题（4），我们可以看出在设计中我们没有考虑一些随机因素的影响。但是我们在考虑这些因素之前，应该弄清楚这些随机因素的来源，一般情况下把影响钢结构稳定性随机因素分为三类：
(1)物理、几何不确定性：如材料（弹性模量，屈服应力，泊松比等）、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等。
(2)统计的不确定性：在统计与稳定性有关的物理量和几何量时，总是根据有限样本来选择概率密度分布函数,因此带来一定的经验性。这种不确定性称为统计的不确定性，是由于缺乏信息造成的。
(3)模型的不确定性：为了对结构进行分析，所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素，所导致的理论值与实际承载力的差异，都归结为模型的不确定性。
以上都是钢结构稳定设计中存在的问题，只有我们进一步地深入研究这些稳定，钢结构稳定理论将会进一步完善，如对于钢结构稳定设计中涉及到随机因素的影响，国外已经引入了钢结构稳定的可靠度设计，这也表明了钢结构稳定设计理论也在不断的完善。
4、结束语
钢结构稳定问题区别于强度问题。在实际设计中，设计人员应该明确知道结构构件的稳定性能，以免在设计过程中发生不必要的失稳损失。针对上述问题，本文提出了在设计过程中设计人员应该明确的一些基本概念；其次，随着新型结构的出现，设计人员对其性能认识的不足，从而导致构件的失稳,本文就这个问题阐述了新型结构现存的一些问题，并且针对一些问题论述了产生的原因。总之，只有深入了解这些问题，才会使得钢结构稳定理论设计不断地完善。
参考文献
[1]陈绍蕃.钢结构设计原理.科学出版社，2000.23-25.
[2]夏志斌,潘有昌结构稳定理论.高等教育出版社.1988.11-12.
[3]陈绍蕃.钢结构稳定设计指南.中国建筑工业出版社，1995.
[4]朱步范,罗建华.钢结构稳定性设计计算要点.新疆石油科技.l998年第3期(第8卷)－69－.
[5]卢家森,张其林.钢结构稳定问题的可靠性研究评述同济大学学报.
[6]吴剑国.网壳结构稳定性的可靠性研究.博士论文，同济大学，2001.
尽管结构形式的选择通常是结构工程师的工作，建筑师也必须对影响结构和连接设计的因素有一定的了解；即使国内绝大多数钢连接构件的设计由制造商完成，建筑师也必须对于现代钢结构建筑结构构件的连接方法、控制性原则和导致因素有一个清醒的认识。
一、钢结构构件及特点
钢结构构件的另外一个特点是截面多样性：一方面，钢材的各向匀质性使得它可以被加工成各种形状，这与木材的各向非匀质性区别显著：同为线性结构构件，钢结构的截面多样性是木结构所无法比拟的，这也是有工字钢而没有“工字木”的原因，杆件结构中连接构件几乎全部是钢也说明了这一点；另一方面，钢结构构件的截面形状也对连接设计也产生强烈的影响。在受力范围允许的情况下，不同型钢的选择可以导致不同形式的连接。
二、连接设计受到的约束
钢材种类繁多，耐受力也不尽相同，连接设计通常受到以下因素的制约：
1．构件的来源：理论上钢结构构件或是连接构件具有任意加工性，但在各具体项目中，结构构件与连接构件总会受到现实条件的制约。有经验的设计师通常选择容易获得，方便安装的型钢，并设计出简单有效的连接方式与连接构件。
2．连接手段的限制：钢结构的施工特点之一是采用工厂加工、现场装配。这是区别于传统砌筑方式而产生大量节点的原因。各种型钢之间的连接，主要有三种手段：铆接、焊接和栓接。钢结构建筑的早期多采用铆接，施工简单但需要在构件上挖出洞口而降低了断面性能，容易在节点处产生集中应力，近来较少采用。采用焊接的节点，外观简洁而荷载传递效率连续，但施工作业要求较高。后期出现的高强度螺栓连接，同样可以达到类似焊接的强度要求，在现代钢结构中大量采用。
3．连接构件具有层级性：钢结构建筑结构体系之间存在复杂而逻辑的层级关系，在连接层面，这种层级关系反映为构件尺寸与安装先后的差异。连接的目的是实现层级转换，也是实现力由三维向二维转化、最终传递到一维构件的关键。复杂的连接通常由立体连接构件、平面连接构件组合完成。
4．连接构件所处的平面：两个线性结构构件总是处在一个平面内，该平面为构件应力的发生平面，连接构件为了有效抵抗这个平面内的应力、弯矩或剪力，常常设计在此平面内，如钢管与拉索的焊片总处在这两者构成的平面中；在多个构件的连接情况下，组合的平面构件可以与立体的受力情况相对应。
三、连接对象的原型与连接的分类
钢结构建筑的结构构建包括杆件与索两种基本类型，由此产生的连接方式可分作索与索的连接，杆件与杆件的连接，索与杆件的连接。无论平面结构或是空间结构，由于构件单体的线性特质，结构体系的复杂与否并不会导致更多类型的连接，而复杂的连接可看作由这三种基本类型组合而成。
1．索与索的连接
索在结构体系中只承受拉力，内力沿索的轴线不变，索的截面不会因长度变化而变化。其连接特点如下：
a.位于端部的连接必须通过索套来实现。（图1）
b.位于索中部的连接可由各类夹具来完成。
c.多根索的连接需要设计新的节点，根据索与索结合方式的不同而各有差异：如常见的单层或双层索结构，根据布置方式的不同又可以出现平行或辐射等形式。索网的轻质有效，迎合了人们对轻巧与透明的普遍追求。皮亚诺设计的位于意大利的BancaPopolarediLodi总部室外广场的玻璃顶（图2），受力结构由上下两组索网相互拉接而成，玻璃夹在结构中间，并由水平向的联系索加强稳定，固定于四周混凝土墙体之上，所有节点均为索－索连接，轻盈而透明的屋顶表现了索在特定场合的优势。
2．杆件与杆件的连接
杆件较索更早出现，应用也更广泛，由于杆件既可受拉也可受压，这使得杆件之间的连接设计也较索更为复杂多变。决定杆件连接设计的因素主要有以下两个方面：a．杆件之间的交角，b．杆件各自的截面形式。前者由结构体系决定，后者可以在连接设计阶段选择不同型钢或进行组合，以方便连接构件的设计。
在交角非垂直的情况下应该谨慎选择构件截面，降低节点设计难度。在柏林某信息中心（图3）的梁柱连接中，圆钢管柱被突兀地截断，然后与多块钢板焊接于工字钢梁，交接显得十分机械而僵硬。与之形成对比，赫佐格设计的汉诺威展览大厅（图4）屋顶处梁柱连接设计中，一方面，选择拉索避免了杆件间的非垂直交接；另一方面，方形钢管柱在连接处的分解与圆形变化，使其与圆形钢管梁之间的连接过渡的自然合理。
在贝聿铭设计的美秀博物馆（图5）屋顶构架中，多根杆件的立体交接没有采用常规球形节点做法，而是设计了一个多方向板式铸钢节点构件，横向钢管贯穿其间且保持截面不变，其余构件在节点处转化为钢板与节点构件用螺栓连接，从而保证了结构面与屋顶面平行，取得简洁平整的效果。如若用普通球形节点，那么庞大的节点势必使屋顶构架显得沉重，也无法反映传统木构建筑中榫卯连接的简洁，更难以取得这样的艺术效果。
3．索与杆件的连接
虽然索最符合钢材的材料性能，但由于它是只具备单向抗拉性能的柔性构件，所以索与杆件结合组成的结构体系可以取得轻盈与稳定的双重优势，如近年来在大跨领域十分流行的张拉弦结构。即使在较小跨度建筑中，索与杆件组合的方式也相当普遍。
连接设计根据索的连续与否，须采用不同的连接件以对应：位于索端部的连接，需要通过索套、螺栓、焊片一系列构件与杆件固定，此种连接程序构造简单合理，应用也十分普遍，同时可以选择索套夹焊片或是焊片夹索套两种不同的方式。如意大利热那亚旧海港的重新开发项目中（图6），索膜与杆件的连接在分别涂以灰色和白色的不同的层级中采用了上述两种方式。但也可以通过索套的特殊设计与杆件直接结合，需要注意的是焊片的省略意味着索套必须承担转化索与杆件所成角度的功能，如吉芭欧文化中心（图7）拉索与基座的连接：尺度夸张有力且旋转了一定角度的索套整合了焊片的功能，使得这一节点在此类连接中独树一帜。位于索中部的连接，可以采用索夹，索卡（少数情况下也可采用焊接的办法）来固定索与杆件的位置。汉诺威贸易交易大厅（图8）鱼腹梁中，上弦杆与下弦索的连接设计采用了索卡固定。
四、连接设计的方法
在相当一部分的钢结构建筑中，结构对于构件形式与尺寸的要求并不十分苛刻，这就给构件与连接设计带来相当大的设计余地。建筑师对于构件形式与尺寸的选择与连接设计或者说连接形式息息相关。对国内设计师而言，实际情况常常是有限的型钢选择与为数不多的成型连接构件，所以设计方法就显得尤为重要，即使这些方法或手段常常带有纯粹表现的色彩。
1.分解分解的对象是结构概念中抽象的单一构件，在实际连接中常表现为构件数量的分解或截面形式的分解。这一手法在包括了钢结构的杆件体系的连接设计中颇为常见，如悬挂结构中的受压杆常分解成几根杆的组合；柱子常分解为束柱等等。这些分解有的是出于结构受力的需要，有的仅仅是为了在构件中制造间隙，方便连接。复杂节点采用分解设计有利于提炼出连接的基本形式，从而达到简化连接概念，整合节点设计的目的。
位于美国休斯敦名为CyTwombly画廊（图9，图10）的钢结构屋顶连接设计中，大量运用了分解的概念，巧妙地将多层的屋顶结构与遮阳系统结合起来。首先是由工字钢组成的网格状遮阳结构，天窗结构悬挂在遮阳结构之下。由于受拉构件更符合钢材力学性质而尺寸较小，因此悬挂的拉杆没有分解，而钢梁受力较为复杂（受弯、剪），故尺寸较大且由一根分解作两根。整个屋顶设计逻辑清晰，与屋顶功能上的分层概念相得益彰。
2.转化截面形式的考量与尺寸的转化也是连接设计的主要问题。转化的目的是为了缩小构件截面，方便连接设计。构件截面一般可分为两大类：管状类截面（如圆钢管）及非管状类截面（如工字钢）。前者之间的连接往往需要缩小截面，如网架球节点处的缩小了的实心钢管。后者之间的连接通常对构件做简化处理，如去掉宽翼，只保留型钢的高度部分，而且常与分解设计相结合。除了改变构件截面形状外，沿垂直于构件轴线的面将构件切断后，再设计新的节点去连接也是经常使用的方法。如前面讨论过的美秀博物馆（图2）屋顶构架节点中，钢管截面的转化不仅带来连接的便利，也使得节点设计的灵活性得以体现，在表达传力的同时，利用雕塑似的造型设计将力的流动视觉化、艺术化。
3.整合整合设计立足于减少构件种类及数量，简化连接方式，强调结构形式方面的整体性，使得这类设计作品往往具有优雅的形象。这种方法有两个前提：1）各节点受力方式相同。2）结构构件截面形状类似、尺度近似。受力方式相同保证了选择相似截面的科学性，截面形式相似、尺度近似则保证了视觉的整体性。
福斯特设计的由钢和玻璃组成的英国剑桥法律系楼（图11）的外表皮，模糊了窗、墙、屋顶之间的概念，构件间的连接采用整合设计正好表达了这一思想。编织状的表皮是由许多高度极小的拱型空腹梁交织而成的结构，所有构件皆为圆形钢管焊接，整个结构显得匀质而典雅。无独有偶，OMA设计的西雅图中央图书馆（图12）的表皮设计运用了同样原理。为了达到整合的效果，整个建筑的所有表面完全由相交成菱形的工字钢组成，工字钢截面形状、尺度大小完全一致，联结方式也统一采用铆接，经过受力分析计算，在受力较大、需要加大截面高度的地方采用了两根或三根工字钢叠加完成，手法理性而又浪漫，成就了图书馆安静祥和的气氛。
结语
尽管类型可以分析归纳，方法可以分类总结，但这并不意味着设计成了教条，也不意味着获得优秀设计有了方程式。由于对钢材性能的挖掘与对形式极致的追求，导致连接设计包含了大量的技术性因素，即使这样，连接构件的设计也不应成为工程师或构件商的责任，因为技术的扎实储备始终是建筑师获得优秀连接设计的无法超越的渐进步骤。虽然符合钢材性质的连接方式（铆接、焊接、拴接）必须要遵循这些定律并在钢材的允许范围内进行设计，但是优秀的设计仍然能够找到优美的连接的形式而不会因为受到约束而产生刻板的机械产品。即使美观在各个时代的评价标准存在差异，但一种内在的、符合材料逻辑的吸引力必然会突破风格或理论的限定而达到美的真谛。
主要参考书目及文献：
[1]PeterTrebilcock,MarkLawson，ArchitecturalDesigninSteel，2003
[2]Sutherland,MasterofStructure:EngineeringToday''''sBuildings,LaurenceKing,2002
[3]CateerineSlessor,Eco-TechSustainableArchitectureandHighTechnology,Thames&Hudson,1997
[4]［芬兰］伊萨·皮罗宁，钢的建筑造型，高辉、陈治国、王虹译，天津大学，2004
[5]［日本］日本钢结构协会，钢结构技术总览，陈以一，傅功义译，中国建筑工业出版社，2003
[6]［德国］舒立茨等，钢及结构手册，殷福新等译，大连理工大学出版社，2004
本项目型钢混凝土梁（以下简称钢骨梁）内钢骨采用焊接H型钢，钢材材质为Q345B。根据构造图集规定，钢骨梁与钢骨梁的连接应保证主梁贯通。当主梁与次梁为刚接时，连接节点处，主梁上下翼缘连接板应根据次梁角度做好扩散角以避免应力集中。梁翼缘的连接采用全熔透坡口焊，焊缝质量等级为二级；腹板的连接可根据腹板所承受的剪力进行螺栓等强连接计算，以确定所需高强螺栓的数量。钢梁的翼缘或腹板处，应按照施工图要求焊好剪力钉，绑扎钢筋时次梁的纵向钢筋应深入主梁内并弯起，弯起高度符合钢筋的锚固长度。
2不等高梁与柱的刚性连接
不等高梁与柱刚性连接时，如图2所示，当两端梁的高差不大于150mm，根据《多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》规定，截面高度度较小一侧的钢梁，其与柱的连接牛腿应按1:3进行放坡，并在转折处设置加劲板。当两端梁的高差大于150mm时，如图3所示，对应于每个梁翼缘的位置，均应设置水平加劲板。截面高度较小一侧的梁还应在牛腿腹板下方设置竖直加劲板。
3梁上起柱
根据结构需要，钢桁架的部分钢柱需在主梁上生根，也就是所谓的梁上起柱。这种节点在深化设计之前应先建立三维模型或进行桁架放样，以便确立钢柱的准确定位。钢柱的柱脚应做靴梁，将柱脚应力均匀扩散至钢梁上翼缘。钢梁上对应钢柱靴梁的位置处也应设置加劲板，使力的传递均匀扩散。
4三维建模在深化设计阶段的应用
本工程由于建筑造型复杂，其结构杆件大多高低起伏，各连接节点均为三个方向连接构件且角度不一。因此，在钢结构部分深化设计的同时，应根据施工图首先建立三维模型。模型中，应将各构件及连接节点按照1:1的比例输入模型。待模型建立完毕后，整个工程的结构杆件便全部呈现于模型当中。三维模型除了能直观的反映各构件之间的连接关系外，还能校核深化设计的准确性。若节点设计出现问题，能立刻从模型中反映出来，避免了传统的二维放样出现错误只能在构件现场安装时才发现的失误，从而大大提高了深化设计的准确性。
5结束语
关键词: 钢结构设计；问题；建议
Abstract: this article is the author of the work experience in recent years, mainly discusses the design of the steel structure in the choice of the form of structure, section design, the support design, node design problems, and put forward some reference and Suggestions.
Keywords: steel structure design; Problem; suggest
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
近几年随着建筑物越来越向着大跨度、大空间方向发展，传统的钢筋混凝土结构已不能完全满足建筑结构的多样化，钢结构弥补了混凝土结构的种种不足之处，且受到广泛的重视。与混凝土结构相比，钢结构一般具有如下的特点:
1) 结构构件自重轻。钢结构与钢筋混凝土结构相比要30% ～ 50% ，结构构件自重轻，因此相应的基础、地基处理费用也较低。此外，在相同地震烈度下结构的地震反应较小。2) 结构布置灵活。钢材结构组织均匀，而且强度、弹性模量高，可采用大开间布置，使建筑平面能够合理分隔，灵活方便。如单层工业厂房，传统钢筋混凝土结构形式由于受屋面板、墙板尺寸的限制，柱距多为 6 m，而钢结构的围护体系可采用金属压型板，所以柱网不受模数限制，柱距大小主要根据使用要求和经济合理的原则考虑。3) 施工周期短。钢结构的主要构件和配件多为工厂制作，易于保证质量，除基础施工外，基本没有湿作业; 构件之间的连接多采用高强度螺栓连接，安装迅速，施工周期短。4) 经济效益高。钢结构构件采用先进自动化设备制造，运输方便，因此工程周期短，资金回报快，投资效益相对较高。5) 由于钢材本身的材质问题，钢结构耐候性、耐火性、耐腐蚀性，还存在着一些缺陷。6) 构件及结构的稳定性是钢结构的突出问题。钢结构的构件截面相对较小，造成了结构容易失稳。因此我们在钢结构设计和施工时，应采取相应的提高稳定的措施。
1 结构布置
钢结构的结构体系包括框架结构、框架—支撑结构、筒体结构、平面桁架结构、网架( 壳) 结构、索膜结构、轻钢结构、塔桅结构等。选择结构体系时，应考虑它们不同的特点，如在轻型钢结构工业厂房中，当有较大悬挂荷载时，可考虑放弃门式刚架结构而采用网架结构; 建筑设计允许的情况下，可在框架中布置支撑来提高结构刚度，一般能取得比简单的刚性连接节点框架更好的经济性; 对屋面覆盖跨度较大的建筑，可选择悬索或索膜结构体系，其构件以受拉为主; 高层钢结构设计中，常采用钢—混凝土组合结构，来弥补钢结构本身的缺陷，提高结构性能。
结构的布置应根据结构体系的特征、建筑物荷载分布的情况及性质等因素综合考虑。一般说来，结构布置应刚度均匀，力学模型清晰，使荷载以最直接的路径传递到基础。此外，结构布置应根据具体情况灵活多变。如框架结构中次梁的布置，一般为减小截面而沿短向布置次梁，但会使主梁截面加大，因此减小了楼层净高。为避免这一问题，可根据需要调整其荷载传递方向，以满足不同的设计要求。应特别注意的是结构的抗侧应有多道防线，如有框架—支撑结构体系，框架柱至少应能单独承受 1/4 的总侧向荷载。
2 截面设计
构件截面设计是否合理直接关系到结构的安全性，工程的造价及施工是否方便。结构形式确定后，可根据经验对构件截面作初步估算。主要包括梁、柱和支撑等构件截面形状与尺寸的假设，一般钢梁可选择槽钢、轧制或焊接 H 型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的 1/20 ～1/50 之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按我国现行钢结构规范限值确定，尽量回避钢梁整体稳定的计算。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造来初步确定。柱截面根据长细比来估计，通常 50≤λ≤80，然后考虑不同的受力情况，选择钢管或 H 型钢等截面形式。
在进行钢结构设计时，应在确保结构安全，满足使用要求的前提下，使结构用钢量最省、造价最低。因此，如何选择合理截面的杆件，使其在满足强度、刚度、稳定性等要求的前提下，用钢量最小就是优化设计的最终目标。
在进行截面优化时，必须综合考虑以下几点: 1) 构件强度、稳定验算。截面尺寸的优化必须满足强度、稳定性的要求，从而满足结构设计的安全性要求。2) 刚度要求。截面尺寸在优化时，结构的整体刚度必须满足有关规范规定的变形控制要求，即横梁的最大挠度、柱顶的最大水平位移、吊车轨顶处柱的最大水平位移必须满足有关规范规定的变形限值。3) 构造要求。优化截面尺寸必须满足有关规范的构造要求及使用要求。如柱翼缘的宽厚比、腹板的高厚比等截面尺寸都必须满足有关规定。4) 制作、安装控制条件。优化构件截面尺寸必须满足常规的制作、安装要求。
3 支撑设计
在钢结构中通常利用支撑提高结构或构件的稳定性。合理布置支撑体系可有效优化主要承重构件内力分布情况，可有效改善整体刚度分布，加强结构薄弱环节，使结构整体共同抵御水平荷载，尤其是地震作用。支撑体系的设计一般遵从以下原则:
1) 明确、合理地传递纵向荷载。2) 保证结构体系平面外的稳定，对结构和构件的整体稳定提供侧向支点。3) 结构安装方便。4) 满足必要的强度、刚度要求，具有可靠的连接。
柱间支撑通常采用十字交叉式。在柱间有运输、通行域、放置设备等要求时，可采用门架式柱间支撑和单斜式柱间支撑。此外，还有人字形、K 形、L 形等支撑形式，对于常用的支撑体系，在相同用钢量下，十字支撑体系和人字支撑体系对提高结构侧向刚度的作用相对显著。
4 节点设计
连接节点的设计是整个设计过程中极其重要的环节，节点设计得当与否，对保证结构的整体性、可靠度以及建设周期和成本有着直接影响。在进行结构设计时，在结构分析过程中就应该想好用哪种节点形式，根据结构构件的选用，传力特性不同判断是选用刚节点、铰节点还是半刚节点。
对于焊接节点，焊缝的尺寸及形式应符合我国现行规范的有关规定。如焊条的选用应和被连接金属材质强度相适应，E43 对应 Q235，E50 对应 Q345。此外，焊接设计中应考虑焊缝的重心尽量与被连接构件重心接近。对于栓接节点，普通螺栓由于其抗剪性能差，只能在结构次要部位使用。高强螺栓的使用相对广泛，常用 S8． 8 和 S10． 9 两个强度等级，高强螺栓连接根据受力特点分承压型和摩擦型两种连接，在设计时应注意两者计算方法的差别。连接板可简单取其厚度为梁腹板厚度加 4 mm，然后按我国现行规范进行相应验算。
此外，节点设计应考虑制造厂的工艺水平、施工空间及构件吊装顺序等，尽可能让工人方便进行现场定位与临时固定。
关键词： 轻钢结构 工业厂房 材料选择 设计 注意事项
随着我国钢结构建筑的迅速发展，轻钢结构的发展也是如火如荼，特别在工业厂房的建设中则更为迅猛。其特点有：其整体刚度和抗震性能好、施工速度快、自重轻、承载力高，在大跨度及超高层建筑中代替了钢筋混凝土结构，本文拟就轻钢结构的优点、材料选择和设计中的注意点、在设计中根据其特点扬长避短才能更好地发挥钢结构的作用，就钢结构工业厂房在设计中的几个问题作简单阐述。
一、轻钢结构及其适用范围
所谓轻钢结构通常是指由下列钢材所构成的结构：①冷弯薄壁型钢结构；②热轧轻型钢结构；③焊接或高频焊接轻型钢结构；④轻型钢管结构；⑤板壁较薄的焊接组合梁及焊接组合柱而构成的结构。
1. 适用范围
根据我国目前情况来看，这种结构由于其用度广、优势明显，已大量应用于单层工业厂房、多层工业厂房、办公楼以及高层建筑中的非承重构件等。对单层工业厂房而言，通常以H型钢，采用焊接连接作为梁柱，以C形或Z形轻钢板作檩条，屋盖系统或楼面系统用压型彩色钢板作面层，上面可浇混凝土，压型钢板既可作为钢筋，必要时也可以再配钢筋。墙面围护也可采用单层或夹层压型钢板，夹层板内部可充填各种保温层。
2. 主要优点
⑴施工周期短：轻钢结构的最大优点是所有构件均可以由工厂制作现场拼接安装，对一般规模较小的工业厂房仅需2个月左右。
⑵综合经济效益好：由于施工周期短，可以提前投入使用，提前获取投资效益；更由于采用色彩鲜艳的彩色压型钢板，美观华丽，改善了周边环境的动态感；因为建筑物本身的自重轻，一般情况下不需要做桩基，可以节省投资；由于采用了聚苯已烯泡沫夹心板或单板加保温棉等措施后，使保温、隔热和隔章等效果良好。彩色钢板是以镀锌为基板又用硅酮作为表面，经两除两烘加工而成，耐久性也较好，根据目前我国的市场价格，轻钢结构的造价已经低于钢筋混凝土结构，当厂房的跨度越大时，其优势更为明显，这也是它赖以竞争的一大优势。
⑶抗震性能好：由于钢结构属于柔性结构、自重轻，因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度，极有利于抗震。我国是一个多地震区国家，在地震区建筑中应多多推广应用钢结构，必可大大减少地震灾害和人员伤亡。唐山地震的惨痛教训应予记起。目前，天津市已正式启动轻钢结构住宅。
⑷宜于拆卸搬迁：一旦业主对所造厂址不满意或外界环境发生意想不到的变化，则整个建筑可在很短时间内拆迁，损失极小，而所有这些是钢筋混凝土建筑所无法具备的。
正是由于轻钢结构的诸多优点，而且随着近年来防火、防腐新产品的不断出现，已较好地解决了轻钢结构抗腐蚀性差的缺点，使得它在工业厂房以及民用设施中获得了广泛的应用。
二、材料选择和设计中的注意事项
轻钢结构作为普通钢结构的衍生结构，以提高构件的截面刚度和整体稳定承载力，为此，不得不突破钢结构设计规范中对板件宽厚比限值的规定，允许板件产生局部失稳，进而利用屈曲后强度的提高。
轻钢结构门式刚架是主要的承重结构，一般是采用实腹型变截面的柱和梁组成。门式刚架的形成可以单坡、双坡和多坡，多跨建筑的中间柱多采用较接的摇摆柱。门式刚架工字截面钢构件中腹板以受剪为主，抗弯作用不如翼缘有效，增大腹板的高度，可使翼缘抗弯能力发挥得更为充分。但是，在增大腹板高度的同时，如果厚度增之过大，则腹板耗钢量太多，也是不经济的。因此，先进的设计方法是采用高而薄的腹板，而是还有相当可观的屈曲后强度可以利用。在主要为均布荷载起控制作用的结构中，在允冲击、疲劳、振动等荷载的条件下，可充分利用结构受力板件的屈曲有效截面来分析压弯杆件腹板的稳定性，从而使其腹极高厚比限值可以大幅度提高。根据天津大学所作的试验证明，当荷载超过理论计算的屈曲临界载限多时腹板才呈现凸曲变形，且凸曲变形都不大，故适当利用屈曲后强度是可行的。
当前，我国钢结构（含轻钢结构）发展的形势很好， 21世纪是钢结构快速发展时期，长期以来，由混凝土结构、砌体结构一统天下的格局将被打破，从事钢结构制造、施工企业前景宽阔，建筑设计技术人员也面临着新的机遇和挑战。笔者认为，以下几点仍需我们加以重视。
1．钢材的保温隔热与防火
钢材具有很高的导热性能，其导热系数为50w(m.℃)，当受热达到100℃以上时，其抗拉强度就会降低，塑性增大；温度达到250℃时，钢材抗拉强度会稍提高，但塑性却降低，出现蓝脆现象；温度达到500℃时，钢材强度降至很低，会致使钢结构塌落。所以当钢结构所处环境温度达到150℃以上时，就必须做隔热防火设计。其做法一般为：钢结构外侧包耐火砖、混凝土或硬质防火板材。或者钢结构刷厚涂型防火涂料，厚度按《钢结构防火涂料技术规程》计算。
2．屋面支撑系统及屋面设计
屋盖支撑系统的布置应根据厂房跨度、高度、柱网布置、屋盖结构形式、吊车吨位和所在地区的抗震设防烈度等条件来决定。一般情况下无论有檩或无檩体系的屋盖结构均应设置垂直支撑；在无檩体系中，大型屋面板有三点和屋架焊接，可起到上弦支撑作用，但考虑到施工条件的限制和安装需要。无论有檩或无檩体系屋盖均应在屋架上弦和天窗架上弦设置上弦横向支撑。对于屋架间距不小于12m的厂房或厂房内设有特重级桥式吊车或厂房内有较大振动设备的均应设置纵向水平支撑。
屋面的排水及防水设计在屋面设计中需重点考虑，根据《屋面工程技术规范》的规定，屋面坡度最小为5％，在积雪较大的地区，坡度应适当加大。单坡屋面的长度主要取决于所在地区的温差以及降雨所形成的最大水头高度。根据工程设计经验，单坡屋面长度宜控制在70m以内。目前，市场上钢结构屋面的做法常用的有两种：①刚性屋面：双层彩色压型钢板内夹保温棉；②复合柔性屋面：由屋面彩钢板内板、隔气层、保温层、卷材防水层组成。
3．温度伸缩缝的设置
温度变化将引起钢结构厂房的变形，使结构产生温度应力，当厂房平面尺度较大时，为避免产生较大的温度应力，应在厂房纵横两个方向设置温度伸缩缝，区段的长度可以根据钢结构规范来执行。温度伸缩缝一般采用设置双柱的方法来处理，对纵向温度伸缩缝可在屋架支座处设置滚动支座。
4．防锈处理
钢结构表面直接暴露在大气中就会锈蚀，当钢结构厂房空气中有侵蚀性介质或钢结构处在潮湿环境中时，钢结构厂房锈蚀就会更加明显和严重。钢结构的锈蚀不仅会使构件截面减小，还会使钢构件表层局部产生锈坑，当构件受力时将引起应力集中现象，使结构过早破坏。因此，对钢结构厂房构件的防锈蚀问题应予以足够的重视，并应根据厂房侵蚀介质情况和环境条件在总图布置、工艺布置、材料选择等方面采取相应对策和措施，以确保厂房结构的安全。一般钢结构的防腐常采用防锈底漆和面漆，涂装层数及厚度常根据其使用环境和涂层性质来决定。一般室内钢结构在自然大气介质作用下，要求涂层厚度100μm，即底漆两道，面漆两道。露天钢结构或在工业大气介质作用下的钢结构，要求漆膜总厚度为150μm～200μm。且在酸环境中的钢结构要求使用氯磺化防酸漆。钢柱柱脚在地面以下部分要用不低于C20的混凝土包裹，其保护层厚度不小于50mm。
5．立面设计
轻钢结构的建筑主要有把握以下4个方面的特征：规模、线条、色彩、变化。钢结构厂房的立面主要由工艺布置来决定，在满足工艺的要求下力求立面简洁恢宏同时使节点尽量简单统一。彩色压型钢板使得轻钢厂房的建筑表现得体形轻盈色彩丰富，明显优于传统钢筋混凝土结构的沉重单一。在轻钢厂房的设计中常采用跳跃性色彩和冷色调，重点突出主要出入口、外天沟、收边泛水等地方，既体现了现代化厂房的恢宏气势，又丰富了立面效果。
关键词:钢结构 稳定性 设计
一、钢结构稳定性设计的原则
1、结构整体布置必须必须兼顾整个体系以及组成部分的稳定性要求
我国目前钢结构设计大多都是以平面体系设计为主,设计中的结构体系是结构各组成部分构件构成的。因此在大跨度结构稳定性设计中,结构局部稳定性是保证整体稳定性的关键前提。在设计中需要注意结构各组成部分构件的整体布置,设计有针对性的支撑构件,来保证平面结构构件的结构布置与平面稳定计算之间的一致性。
2、结构计算简图和实用计算方法所依据的简图保持一致
目前设计单层和多层框架结构时,一般以框架柱的稳定计算为准,而不作框架稳定分折。在采用这种方法时,必须通过框架整体稳定分析计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数,才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。但是在实际设计工程中,这种操作方法简便。GBJl7-88规范对单层或多层框架给出的计算长度系数采用了五条基本假定中包括:“框架中所有柱子是同时丧失稳定的,即各柱同时达到其临界荷载”。根据这条假定,当设计单层或多层框架结构时,框架各柱的杆件稳定和稳定参数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,保持结构参数计算方法与前提假设和具体计算对象一致,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。
3、设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合
设计者处理构造细部时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。然而在处理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,同时允许梁在水平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。
二、钢结构稳定性设计的特点
钢结构稳定性设计的重点在于找出结构内部抵抗力与外荷载间的不稳定平衡状态。主要从下面几个特点进行设计:
1、计算临界荷载:临界荷载是理想构件平衡路径分支点所对应的载荷。钢结构稳定问题中有一类分支点失稳问题,即完善平板中面受压时的屈曲以及完善直杆轴心受压时的屈曲。这一问题是由建筑钢材做成的偏心受压构件在弹缩性变形时丧失稳定的能力造成的。因此在钢结构稳定性设计中要求得钢结构的临界荷载,避免分支点失稳。根据临界荷载的定义,通常按以下两个基本原理求得临界荷载:①建立构件在微曲状态下屈曲位移与荷载间的微分方程,求其在满足边界条件下的临界载荷解。②在构件微曲状态下建立以屈曲位移和载荷的总势能式:E=U+V(U为变形体应变能;V为外力势能,它等于外力功的负值),然后根据能量法原原理,由总势能一次微分为零,即E0=0的条件可求得临界荷载。
2、失稳和整体刚度:现行规范通用的轴心压杆的稳定计算法是临界压力求解法,临界压力是由著名欧拉公式给出的:
,式中E为钢材料特性,I为截面特性,L 为杆的长度。它表明轴心受压的杆件,压力使杆件的弯曲度下降,而当压力达到临界值NE时,杆的弯曲度就会消失。
3、对稳定性进行整体分析:必须从整体着眼进行稳定分析,因为杆件的稳定性来自结构的整体稳定性。
4、二阶弹性分析:这种分析对柔性构件尤为重要,这是因为柔性构件的大变形量对结构内力产生了不能忽视的影响。可按照以下步骤完成:
(1)根据《规范》得,应在每层柱顶附加考虑由下式计算的假想水平力Hni:
其中,Qi为第i楼层的总重力荷载设计值; ns为框架总层数,当0.2+1/ns>1时,取此根号值为1.0;αy为钢材强度影响系数,Q235钢为1.0,Q345钢为1.1,Q390钢为1.2。
(2)①对有侧移的纯框架结构,当采用二阶弹性分析时,各杆杆端的弯矩MⅡ可按下式近似计算:其中MⅠb为假定框架无侧移时按一阶弹性分析求得的各杆端弯矩;MⅠs为各节点侧移时按一阶弹性分析求得的各杆端弯矩;
为考虑二阶效应第i层的侧移弯矩增大系数。
②对于有侧移的纯框架,当采用二阶弹性分析方法计算内力,且在每层柱顶附加假想水平力Hni时, P―Δ效应已在内力分析中计入,柱计算长度系数取1.0,因此柱稳定计算的计算长度就可取其几何长度。
(3) 在解决了以上问题的基础上,根据压弯构件稳定性验算公式进行稳定性设计验算:
三、钢结构稳定性设计中的难点
1、目前梁-柱单元理论已成为网壳结构稳定性的研究中的主要研究工具,但是梁-柱单元并不能确保真实反映网壳结构的受力状态,因此如何反映轴力和弯矩的耦合效应是目前网壳结构稳定性设计中的主要问题。
2、目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围,而在实际工程中,由于如材料(弹性模量,屈服应力,泊松比等)、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等不确定性会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、跳跃型失稳、干扰型屈曲等问题的研究。
3、在统计与稳定性有关的几何量和物理量时,一般只是根据有限样本来选择概率密度分布函数,带有很大程度上的统计信息局限性,造成对稳定性设计的数据依据不够准确。因此在统计时,要结合实践经验和相关规范确定统计信息的准确性。
四、总结
在实际设计中,设计人员应把握钢结构稳定性设计的原则,明确知道结构构件的稳定性能,完善设计方案,达到稳定性要求。同时针对结构构件的失稳的问题进行研究,不断完善钢结构稳定设计理论。
参考文献:
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