建筑鋼結構適用性分析

黃志強

摘要：我國鋼結構在上世紀末快速崛起，經過長期發展，目前已經取得了一定的成績，在全世界范圍內，鋼結構用量、產業規模和制造加工能力等均占首位。伴隨著城市進程的不斷推進和工業化的全面實施，我國鋼結構行業擁有廣闊的應用前景。適用性是建筑鋼結構的主要性能之一，它在正常施工和常規使用中發揮著重要的作用。本文先簡單介紹建筑鋼結構的發展，然后對建筑鋼結構適用性進行概述，最后著重分析了建筑鋼結構的適用性，希望能為建筑鋼結構的穩步發展提供一定的參考。

關鍵詞：建筑；鋼結構；適應性；分析

中圖分類號： TS958 文獻標識碼： A

型鋼、鋼板、鋼管等通過焊接、螺栓、鉚釘等形式相互連接，形成建筑鋼結構，它具有重量較輕、強度較高、延展性良好、跨越度大、安裝方便、抗震性能較強的特點，這種結構被廣泛地應用在高層建筑、大規模廠房建設中。伴隨著國民經濟的快速發展，建筑鋼結構憑借自身的節省能源、保護環境、高效的優勢得到了越來越多工程建設人員的關注，在城市化發展和工業化推進中蓬勃發展。因此，本文對于建筑鋼結構適用性分析具有重要的現實意義。

一、建筑鋼結構發展

建筑鋼結構具有重量較輕、延展性良好、可塑性強、便于施工、抗震性能較高、容易修復、綠色環保等優點。我國建筑行業所用鋼材在總鋼材產量中達到半數以上，然而絕大部分鋼材均應用在了鋼筋混凝土結構中，鋼結構主要應用在輕鋼廠房建設和某些特殊建筑中，很少應用在其余建筑領域中，因此，造成了我國鋼鐵行業供過于求的現象。鋼結構建筑與土木建筑相比，具有顯著的優越性，我們應充分利用我國鋼材產量優勢，充分利用建筑鋼結構，進而推進城市化和工業化進程。

二、適用性概述

適用性、安全性、持久性是建筑鋼結構的基本功能，它們也被統稱為可靠性，通常在工程施工和常規使用過程中，可有效承受各種作用，工作性能良好，在定期維護的前提條件下具有較強的持久性。一旦結果或者局部結果超出某種特定狀態，就無法滿足預先設計規定的其中一種功能，此時將這種狀態稱為此功能下的極限狀態。負載能力極限狀態、常規使用極限狀態是極限狀態兩種最主要的形式。在具體的結構設計中，不僅要滿足結構在極限負載條件下具有一定的安全性能，還應確保結構在常規使用負載條件下具備相應的使用功能，也可將其理解為應滿足一定的適用性，此時的極限狀態被稱為常規使用極限狀態。參照國家相關規定，常規使用極限狀態的分析的內容主要包含形變、振動和局部地方損壞等內容。

雖然結構為與非常規使用極限狀態時不會引發巨大的損壞和災難性的損失，但是，有時嚴重可能影響結構的日常使用。伴隨著國民經濟的快速發展和生活水平的提高，人們對建筑功能的要求日益提高，近年來涌現出了大量的高層建筑、超高層建筑和大跨結構，世界范圍內正在積極探索，穩步推廣使用強度等級更高的鋼材，因此，某些結構或者其構件設計正在由安全性控制設計逐步向適用性轉變，在此種背景下，全面分析建筑鋼結構在常規使用狀態下的可靠性至關重要。

三、建筑鋼結構適用性分析

（一）建筑鋼結構常規使用極限狀態下的表達式

在建筑鋼結構的常規使用極限狀態下，影響常規使用、外觀形變和常規振動是主要研究對象。本文偏重前兩者的研究，對于振動，其使用范圍大部分局限于存在動力負載作用的特定工業建筑施工中。針對此點，相應的建筑鋼結構設計規程中沒有明確提出具體的控制振動位移的要求，主要通過制約建筑結構構件的尺寸比來控制存在一定影響效果的振動。實際施工過程中，如果能夠合理控制靜力位移，在某種程度上也能實現控制振動位移的目的。然而針對不同情況，符合“不干擾常規使用振動”要求的靜力位移極限值或者相應的振動位移極限值的問題，仍需進一步研究并補充說明，因此，筆者結合自身工作經驗，給出了相應的處理意見。

1.構建極限設計狀態表達式

梁、柱構成了建筑鋼結構構件，設梁構件的相對變形值為C1/L，柱構件的相對變形值為C2/H，依據變形極限狀態將其整理為：梁C1/L=S/(A1MI1)=[C1/L]；柱C2/H=S/(A2MI2)=[C2/H]，在這兩個公式中，其中S代表負載效應；M代表鋼材的彈性模量；A1、A2分別代表梁構件端部的條件和跨越度，柱構件端部條件和高度有聯系的系數；C1、C2代表形變值，對于梁而言表示極限豎向位移，對于柱而言表示極限層間位移；I1、I2代表截面慣性距，L代表跨越度,H代表高度；[C1/L]、[C2/H]代表相對形變臨界值。

2.分析方法闡述

利用CHECK-POINT方法進行分析，先求出建筑鋼結構的極限狀態方程，然后對其進行標準化轉換，方程中的參數均為非正態分布變量，為進一步求解應對其進行正態化處理，確定標準正態分布函數和概率密度函數，計算鋼構件抗力。

（二）計算結果的有效分析與合理化建議

1.由上述算例可知，建筑鋼結構構件常規使用極限狀態情況下的可靠性指標的計算范圍在1-1.5之間，這些數值和負載能力極限狀態情況下的指標相比較低。這主要是因為建筑結構構件滿足常規使用極限狀態條件時，只是不好使用，卻不會出現強度破壞、疲勞損壞和穩定性能散失等無法使用的現象，此類現象只出現在負載能力極限狀態中，通常后果比較嚴重，在常規使用極限狀態中配置較低的可靠性指標是較為合理的。因情況而異，常規使用極限狀態中可配置相應的可靠性能。通常主要包含可逆和不可逆這兩種類型，建筑構件在靜力負載條件下的彈性位移或者形變是可逆的，在常規動力負載條件下出現的振動位移或者形變也是可逆的，而在此種情況中出現的裂縫卻是不可逆的。據我國相關調查結果表明，只要設計符合相應規范中的使用極限狀態變形限制的條件的，其常規使用情況存在正常、良好和極度良好這三種狀態；反之則存在稍微晃動、晃動幅度較大、擺動幅度不大、擺動幅度較大和擺動幅度特別大、嚴重損壞等評價。這些均說明，對影響結構常規使用變形的控制在某種程度上也影響了常規使用振動。綜合來說，建筑鋼結構設計規范可有效控制使用極限狀態。

2.在以往的使用極限狀態的可靠性分析過程中，尚未統計分析相對變形差異值（理論相對形變臨界值和預期設計規范中的變形極限值這兩者之間的差異），因此，現階段不能準確研究相應的分布情況，且仍需進一步界定相對變形臨界值的設立。我們無法肯定建筑結構設計規范中的相對變形值是否完全準確，并不排除存在一定的偏離。該數值直接關乎著使用極限狀態條件下的失效概率的計算結果，也直接關乎著建筑剛結構的用鋼指標，因此，如何確定其統計規律仍需進一步努力。其中理論上的相對變形臨界值依賴于工作經驗，有時依賴于工程調查。例如，建筑屋面因形變嚴重而引發雨水蓄積或者在初始漏水階段，可以將檀條形變值看作理論相對變形的臨界值。

3.對于影響常規使用振動，因每個人對振動的感受存在一定的差異，也不能準確把握相應的標準。例如，在某外資發電廠中，待鋼結構廠房投入使用時，存在顯著的振動，具行車司機反映，在啟動車輛或者剎車時存在極其不適應的心理，工作壓力較大。據反復核對驗算，最終發現此廠房構件的尺寸比不符合相應的規范限制。在控制影響常規使用振動問題中，除進一步改進尺寸比外，還應考慮其它因素。

結語

伴隨著城市化進程的不斷推進和工業化生產的全面實施，建筑鋼結構被廣泛地應用在單層、多層、高層和超高層建筑中，并取得了一定的成績。我國的建筑鋼結構憑借自身經濟適用、質量良好、勞動力成本不高等優勢在世界范圍內擁有較強的綜合競爭力。同時社會的不斷發展，也對建筑鋼結構的性能提出了更為嚴格的要求，適用性是建筑鋼結構的主要功能，它在常規使用中發揮著重要的要求，我們應加大在這方面的研究，全面分析建筑鋼結構的適用性，進而生產制造更高強度的鋼材，更好地滿足現代建筑需求，推動建筑行業的穩步、健康發展。

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