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钢结构稳定性设计的原则与要点
浏览: 发布日期:2019-03-15
  钢结构自重轻、强度高、工业化程度高等优点,在建筑工程中得到了广泛的应用,同时钢结构建筑还符合国家的可持续发展战略、发展钢结构建筑对提高城市建设水平有很大作用。设计者应该注意对影响钢的稳定性因素进行分析,特别是当有组件缺陷,残余应力及其他不明朗因素时,设计者要小心处理。本文对钢结构稳定性设计进行了探讨。
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  钢结构的稳定性能是决定其承载力的重要因素,设计者如果对相关计算和技术上处理不当,可能会导致钢结构出现失稳,甚至坍塌。因此,设计者要注意分析造成钢结构失稳的原因,特别是当构件存在初始缺陷、残余应力等问题时,钢结构设计者更加应当小心细致地处理。
  
  一、钢结构设计的原则
  
  1、结构的整体布局需要综合考虑整个建筑的稳定性
  
  当前的建筑行业设计主要以平面设计的图形为主,比如一张工程设计图纸中的框架设计就是依靠这种设计理念。为了保证整体建筑结构不会发生坍塌的现象,在建筑钢结构设计中必须要合理布置一些基本支撑的体系。也就是说在钢结构的平面设计布置中设定的稳定性必须要和建筑过程中的空间布置相一致。不仅仅是局限于平面上的稳定性,还要考虑到作为立体建筑物需要达到的稳定基础等。
  
  2、结构计算的简图和实际手工计算图纸要保持一致
  
  在当今的多层或者高层建筑设计中,通常会直接用框架结构来进行数据计算,而不是从钢结构的稳定性出发来进行演算,在实际的计算中需要用到的框架柱结构计算,一般都会根据实际的框架柱的系数来得出,这样才能保证钢结构的整体稳定性。在具体的操作中,框架结构多种多样,为了能满足钢结构设计的稳定性,需要设定一些具体的计算模板。在后期的计算中,可以套用固定的模板得出最可靠的数据。
  
  3、钢结构构件的稳定计算要和内部细件的结构保持一样
  
  在进行具体的数据计算中,要让构造设计和构造计算的结果保持一致,除了一些主要的框架结构计算以外,对于钢结构中一些细节处理也需要认真对待,比如钢结构接头位置的弯曲承受度,还有钢结构杆件的偏心问题等。
  
  二、钢结构稳定性设计的要点
  
  1、钢结构节点连接的刚度设计要点
  
  在我国传统的钢结构设计中,很多设计人员为了省事和简化钢结构设计的过程,通常都会将钢结构梁柱等之间的节点忽略不计,直接视为无缝钢结构和完全刚接的状态。理想铰接表示的含义就是梁柱不能传递弯矩。完全刚接的含义主要指的是钢结构框架发生挤压变形以后,夹角是不变的形态。但是经过不断的建筑过程实验证明,并不是所有的钢结构节点都可以忽略不计,不能完全将其视为理想铰接或者完全刚接的状态,应该定义为半刚接的性质。
  
  半刚接的特点具有理想铰接和完全刚接的优势,但是如果将它直接应用到一些钢结构设计中,就会增加框架的侧移壁,低估梁柱的承重能力。比如在杭州的一些大型公共建筑中,钢结构设计的稳定性就显得非常重要,外国语学校的新教学楼就采用了大量的钢结构节点连接,才能形成目前扇形的完美结构外形。但是如果在设计中不考虑钢结构节点连接的刚度设计,统一忽略为半刚接特点,往往会导致整体建筑钢结构设计的不稳定性。
  
  2、同一个层柱的柱间距设计
  
  随着现代建筑行业对于美学欣赏角度的转变,越来越多的柱子机构的建筑形态诞生,很多人以前都觉得柱子就是一个单独存在的支撑体,其实这种想法是错误的。柱子在任何的建筑设计中都不能单独的存在,每一根柱子除了要承受自己能承受的重量以外,还要保持与周边一些相连接的框架结构之间的衔接度,要时刻保持柱子本身因为这些外在建筑构造影响下的弹性范围。一般情况下,如果一个建筑物发生倾斜的情况,并不是一根柱子会发生倒塌,而是所有的柱子都会发生倾斜或者倒塌的现象。所以在时间的测试过程中,设计师根据柱子之间的相互作用原理,改进了钢框架稳定性的承载力计算公式,保证建筑工程中钢结构设计的稳定性。
  
  3、轻型钢的基础和柱脚节点的设计分析
  
  基础形式的选择一般根据建筑物要修建的当地的地质情况和该建筑的建筑机构来综合考虑。对于轻钢结构的建筑来说,因为柱网的尺寸结构比较大,所以建筑物上层建筑的重力传到柱脚节点的可能性比较小,一般都是独立结构为主。如果要修建建筑物当地的地址情况比较不好,可以选用条形基础或者柱基础的形式,但是不会直接采用箱型基础或者片筏基础的模式。对于轻钢结构基础除了发生冲切或者剪切的破坏以外,因为还有较大水平方向的作用力,所以想要固定柱脚还需要较大的弯矩力,容易导致基础建筑发生倾斜或者滑移的破坏现象。除此之外,对于一些半敞开式的建筑物来说,如果风载荷的作用力常年比较大,由于轻钢结构的重力比较低,很容易发生因为风载荷力发生建筑物顶部被上拔破坏的现象。
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  为了阻止这些破坏现象的发生,最有利的措施就是加重基础的深埋工作,对于一些轻钢结构建筑来说,除了深埋的基础措施以外,还需要加固建筑物主体和基础之前的链接,即我们通常所说的地脚螺栓。在实施过程中,如果加固螺栓的位置离混凝土的边缘位置太近,很容易发生劈裂或者没有固定作用的结果,所以通常来说,加固地脚螺栓的位置一般都要和混凝土的边缘保持150毫米的距离。同时如果锚栓长度太短,也不能起到固定作用,会因为外力加大导致锚栓被直接拔出,所以在实践的操作中可以适当的增加锚栓的埋藏深度,保证基础柱脚节点的稳定性。
  
  在实际的建筑过程中,柱脚也根据是否抵抗弯矩可以划分为刚接柱脚和铰接柱脚两种方式。在每一个建筑工程中想要保证完全的一种柱脚模式是不太可能的,一般都会采用一半刚接一半铰接柱脚的模式来进行。刚接和铰接柱脚的主要区分在于锚栓的数量,对于刚接柱脚来说,一般使用两个锚栓,对于铰接柱脚来说,一般使用四个或者四个以上的锚栓。主要对于柱脚的区别在于侧移的控制,如果建筑物对于侧移要求比较严格,一般采用刚接柱脚的模式。比如在建筑过程中需要用到吊车的情况,一般都要使用刚接柱脚的方法,其余的情况中,一般都采用铰接柱脚的方式。   4、稳定承载力的计算方法
  
  钢结构框架的承载力拥有很多种计算方法,但是目前使用最广泛的还是假想荷载法,而且这种计算方法不但在国内流行,对于欧洲和其他一些发达国家的建筑领域同样适用,使用的范围越来越广泛。
  
  一般来说,假想水平力的计算原理主要为:初始的倾斜率让钢结构的框架遭受到力矩的作用,同时将这种作用转化为等效水平力对无初始化倾斜框架的作用,这种从整体等价效应出发引发的水平力称之为假想水平力。
  
  如果在建筑工程中可以假想合适的水平力,可以反映出建筑钢结构中集合缺陷和塑性变形的综合影响力,并在此基础上利用假想水平力和实际负载的作用将钢结构的框架当作理想的框架进行二度计算,并且根据二度计算和分析的内力对钢结构的构件进行设计,从而免去了确定计算长度的复杂过程,还能更好的反映框架结构的承载力度。这种假想水平力对理想钢框架进行弹性二度分析的方法,是介于现有的计算方法和比较明确的计算方法之间的一种模式,弹性二度计算方法比较简单,和传统的计算方法对比,也显得更为经济实用。
  
  总之,钢结构的稳定性能是决定其承载力的重要因素,设计者如果对相关计算和技术上处理不当,可能会导致钢结构出现失稳,甚至坍塌。因此,设计者要注意分析造成钢结构失稳的原因,特别是当构件存在初始缺陷、残余应力等问题时,设计者更加应当小心细致地处理,需要更多的考虑稳定性设计的问题,更好的来防范钢结构失稳现象的发生,因此,钢结构稳定性设计是当前需要重点研究的课题。

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