鋼結構建筑設計中穩定性的設計方法探討

袁石鋼

摘?要：鋼結構作為建筑設計中一種主要的建造形式，目前，在大型廠房、橋梁、高層建筑物設計中被廣泛應用。鋼結構所采用的建筑鋼材具有防變形、耐腐蝕、抗震以及符合環保要求等眾多優點，因此能夠在建筑設計領域得到廣泛的應用。建筑工程采用鋼結構時，其結構穩定性作為一個至關重要的指標，直接決定了建筑物的質量和使用壽命。因此文章結合實例，就屈曲分析法在鋼結構穩定性設計中的應用展開分析。

關鍵詞：鋼結構建筑;穩定性;設計方法

高層結構的穩定性設計主要包括風或地震作用下的剛重比驗算、整體傾覆驗算、整體屈曲分析、大跨度水平構件及躍層豎向構件的穩定分析等。屈曲分析作為高層結構穩定性設計中的重要分析方法可用于評估結構的穩定安全度，并可從屈曲模態判斷結構的薄弱環節，對結構布置進行優化;另外，屈曲分析也可用于構件長度系數的分析，其結果可直接用于結構豎向構件的設計與驗算。

1?屈曲分析的基本概念

根據孫訓方等所著《材料力學》壓桿穩定理論，軸心壓桿完全挺直，荷載沿桿件形心軸作用，在壓力P較小時，桿軸保持平直，如有干擾使之微彎，干擾撤去后，桿件就恢復原來的直線狀態，直線狀態的平衡是穩定的，當P逐漸加大到某一數值時，如出現干擾，在撤去此干擾后，桿件仍然保持微彎狀態，不再恢復其原有的直線狀態，這時除直線形式的平衡外，還存在微彎狀態下的平衡位置，這種現象稱為平衡的“分枝”，此時的外力和內力平衡是隨遇的，叫做隨遇平衡或中性平衡，當外力P超過此數值時，微小的干擾將使桿件產生很大的彎曲變形而破壞，此時的平衡是不穩定的，即桿件的“屈曲”，中性平衡狀態是從穩定平衡過渡到不穩定狀態的一個臨界狀態，所以稱此時的外力P值為臨界力。分支點屈曲的基本特征是：結構在失穩前后的變形產生了性質上的改變，即原來的平衡形式不穩定后，可能出現與原來平衡形式有本質區別的新平衡形式。分支點是平衡狀態從穩定轉變為不穩定的分界點。在分支點處所對應的荷載稱為屈曲荷載或臨界荷載。在極值點屈曲過程中無分支點出現，在變形過程中存在一個最大荷載值。達到最大荷載后，變形迅速增大而承載能力卻下降，這種現象稱為極值點屈曲，該荷載稱為極限荷載或壓潰荷載。

2?屈曲分析在結構穩定分析中應用

對整體結構的屈曲分析，主要先對其進行線性屈曲分析，得到結構整體的理論屈曲模態，及各構件的屈曲失穩模態及相應的屈曲理論荷載值，結構非線性失穩形態以及結構位移 –荷載發展曲線。因為分析中考慮了幾何非線性和材料非線性，最后實際上求解的是結構的整體極限承載力，在實踐中一般建議其安全度控制在初始標準重力荷載的2倍以上。同時，也可以通過結構整體屈曲穩定分析來確定高層建筑豎向構件的計算長度系數，把屈曲分析應用于結構的承載力設計，這對于超限超高結構中的關鍵性豎向構件更有必要，可保證結構整體性能目標的實現?；谝陨戏治?，本文將通過一個具體的工程項目，采用SAP2000 分析軟件，通過建立局部模型，考慮躍層柱及其周圍構件的相互約束影響，對柱頂施加靜力荷載工況，求得結構各階的屈曲模態和屈曲臨界荷載系數，檢查各階屈曲模態形狀，確定躍層柱發生失穩時的臨界荷載系數和屈曲臨界荷載Pcr，最后通過歐拉臨界荷載公式反算出該柱在屈曲方向的計算系數。

3?工程實例分析

3.1?工程概況

某酒店式公寓主樓結構總高度99.24 m，標準層長52.2 m，寬19.85 m，地下3層，地上29層。5層以下為商業，層高分別為6.0 m 和5.5 m，6層為設備層，層高2.19 m，7～29層為公寓，層高3.0 m。地上5層為結構轉換層，樓板厚度取180 mm，框支梁、框支柱均采用勁性鋼筋混凝土以增加結構延性。地上第6， 7 層合并為一個結構層，計算層高取 5.19 m，根據需要，部分連梁采用了交叉暗撐以提高其抗剪承載力。該項目工程設計使用年限為50年，結構安全等級為二級，項目所在地抗震設防烈度為7度（第二組），設計基本地震加速度值為0.10 g，建筑場地類別為Ⅱ類，特征周期值為0.40 s，為抗震一般地段。底部加強區框支柱、剪力墻抗震等級為特一級，框支梁為一級，非底部加強區構件抗震等級為二級。該樓基礎采用柱（墻）下獨立承臺、條形承臺、局部筏形基礎，基樁采用直徑1 m 樁側后注漿嵌巖灌注樁，以中等風化泥巖作持力層，基樁進入持力層不小于1.5 m，單樁承載力特征值按7 500 kN。地下室不設變形縫，在主樓與裙房之間將設置施工后澆帶，后澆帶在主樓樓結構封頂后澆筑。該項目存在結構扭轉不規則，樓板不連續（2層南向樓板缺失嚴重）、豎向構件間斷、局部穿層柱等不規則項，根據建質 [2010]109號令《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》中表二的規定，屬于特別不規則結構，需要做超限論證，對結構做性能化設計。按其中第3.11節，考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構的特殊性、建造費用、震后損失和修復難易程度等各項因素，確定結構抗震性能目標為 D 級。在設定的性能目標中，在設防烈度地震下，框支梁、框支柱的受剪承載力提高至中震彈性進行設計 ;在預估的罕遇地震下，框支梁、框支柱的受剪承載力應滿足大震不屈服。其中結構南向的所有框支柱均為躍層柱，在滿足其強度承載力的同時，其穩定性的設計更加重要，需要通過軟件分析來驗證。

3.2?計算模型及參數

3.3?加載工況

首先給結構施加靜力荷載工況，然后進行屈曲分析：求解出屈曲因子，利用屈曲因子乘以工況荷載即得到臨界荷載。

3.3.1 工況1，施加靜力荷載工況 D+L。

3.3.2 工況2，屈曲分析工況。

3.4?分析結果

SAP2000 中建立分析模型，進行屈曲模態分析，分析結果匯總見表2。

4?結語

分析表明：構件實際作用力 P 均在臨界荷載 Pcr的10% 以下，各柱的計算長度系數均小于1.0，因此國內傳統計算分析軟件如SATWE、YJK根據GB 50010—2010 《混凝土結構設計規范》表6.2，20-2將底層柱長度系數取為1.0是安全和可行的，但中柱富余量并不是很大。

總之，盡管線性屈曲分析的對象完美理想體在現實中并不存在，實際上所有的結構或構件都存在著原始的幾何缺陷和材料的非線性。根據以上的工程實例分析，可知對于長細比較大的躍層柱或者承擔荷載較大的超高結構，對其關鍵構件進行穩定性分析，通過屈曲模態判斷結構的薄弱環節，杜絕局部構件的失穩破壞，從而為提高結構整體的安全度提供了保證。此外，以上的工程實例分析也同時驗證了結構設計時直接采用規范方法確定豎向構件的長度系數并不是任何時候都是可行和安全的，需謹慎對待，具體情況具體分析。

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