上海比优建筑结构设计有限公司 200433
摘要：在建筑工程中，钢结构以其自身所具备的诸多优点，强度高、塑性韧性好、材质均匀、质量轻、制造简便、施工工期短等，因此获得了广泛应用。然而钢结构体系的稳定性与其他材料结构体系相比有其特殊性，一直是国内外学者们关注的研究领域，是钢结构设计中的关键环节之一，在具体设计时，必须对地震作用力下钢结构的稳定性予以充分考虑。基于此点，本文以某工程项目为例，对钢结构设计的稳定性展开探究。
关键词：钢结构；抗震；设计；屈曲模态；稳定性
1工程概况
某工程项目为试验中心楼，如图1所示。为满足使用功能，要求建筑具有足够大净空间，建设单位提出建筑净空间的长宽高分别为340×100×100（m）。库门布置在中心楼的一端，在全开启状态下，需要达到100×100（m），并且在风速不超过15m/s的情况下，能够确保库门正常开启。大门设置在建筑的另一端，尺寸为20×10（m），居中设置。该建筑采用的是拱形结构，大量工程实践表明，此类结构形式，符合一般力学原理的要求。根据建设单位提出的对净空间的要求，并结合结构力学，得出该建筑的结构跨度为180m，长和高分别为409m和138m，建筑平面为矩形。从空间结构上看，该建筑属于超大体量，其中部分尺寸超出了现行设计规范标准中给出的范围，因此，必须确保结构的整体稳定性，这是整个工程项目设计的最终目标。
通过表1中三个结构方案关键指标的对比可以清楚看出，方案2的各项指标显然与结构的性能要求不符，而方案1虽然各项指标可以满足结构性能要求，但是总体钢材的用量较大，与节约工程造价的初衷相违背，因此也不符合要求。经过比选，只有方案3为三者中最优的方案，故此决定采用该结构方案。
2.2结构抗震分析
本工程的钢结构跨度大，在发生地震的情况下，受竖向地震作用较为强烈，所以需对钢结构进行抗震性能分析，根据分析结果调整钢结构的竖向刚度与平面刚度，保证建筑抗震性能满足规范要求。在进行抗震性能分析之前，要考虑到风对大跨度结构的作用，先模拟分析风洞数值，确定结构表面风压，再分析风对结构振动的影响，计算风振系数。在地震发生时，建筑外形简单、平面布置对称、竖向承载力连续均匀的规则建筑不易受到地震作用力的破坏。若建筑属于不规则建筑，则要对建筑结构进行抗震性能分析，采用非线性分析软件计算相关的指标，确保结构抗震满足要求。针对本项目实际情况，在满足国家、地方规范的同时，根据性能化抗震设计的概念，确定抗震性能目标选用？？。
2.2.1地震作用。建筑为乙类抗震设防，设计使用年限为100年，设防烈度为7度，加速度为0.1g，场地为Ⅲ类，结构阻尼比：弹性分析时取0.02，弹塑性分析时取0.05。由于本工程所在地区发生罕遇地震的可能性极小，所以只考虑多遇地震和中震，其水平地震影响系数最大值分别为0.08和0.23。
2.2.2荷载效应组合。建筑屋面的恒荷载和活荷载分别为0.3、0.5kN/㎡。在小震情况下，无需考虑与风荷载相关的组合。在中震情况下，需要考虑的荷载效应组合包括：所有工况分项系数、材料分项系数、恒载组合系数、抗震承载力调整系数、水平与竖向地震作用组合系数以及单独系数均取1.0。
2.2.3结构变形指标。在未发生地震情况下，将桁架拱顶部挠度控制在结构空间跨度的1/600范围内；小震情况下控制在1/300范围内；风荷载作用下控制在1/300范围内。
2.2.4结构分析模型。本工程力学稳定性分析采用有限元法分析模型，共有26229个梁单元，4个受拉单元，采用铰接方式处理拱脚。利用有限元软件进行自由振动计算，由于本工程采用均匀结构形式，可保证纵横刚度均匀，所以根据计算结果显示并未出现纵横向刚度差异过大的情况，结构三维模型如图3所示。
2.2.5小震结构弹性分析。根据现行规范规定，建筑在遭受多遇地震的情况下若未受到损坏，则可继续使用。在进行小震结构弹性分析时，可假定结构处于弹性状态，根据设计特征周期为0.45s，阻尼比为0.02等数据，分析本建筑结构在小震情况下可能发生的最大水平位移为42mm（如图4所示），满足规范规定，表明本建筑的刚度分配十分合理；对小震下的建筑结构强度进行分析，各杆件应力均在0.75以下，符合现行规范规定。
2.2.6中震弹性反应谱分析。本工程综合采用中震弹性设计和不屈服设计，要求对主要受力构件进行弹性设计，对次要构件进行不屈服设计。在分析中震下的结构主要杆件强度应力时，采用反应谱法进行分析，分析数据选取荷载组合中的恒载、活载、地震力数据，通过分析结果显示，杆件强度应力均在1.0之内，符合规范要求。
2.3钢结构稳定性分析
钢结构失稳主要包括杆件局部、杆件以及整体失稳三种情况。在对钢结构稳定性进行分析时，杆件局部和杆件稳定性分析均可根据现行钢结构设计规范进行分析，但是整体稳定性分析尚未出台详细的参与依据，只能根据网壳结构设计规程进行分析。由于钢结构整体稳定性设计不当是导致工程事故的重要因素之一，所以必须以整个钢结构为分析视角，对其承载过程中的稳定性进行分析，而不是只分析结构中部分节点或构件的稳定性。钢结构整体稳定性分析要从以下两方面进行：一是分析分支性稳定性态，即分析钢结构的特征模态；二是分析结构极值性稳定性态，即分析钢结构的非线性应力情况。在进行钢结构整体弹性分析时要进行结构大位移非线性与结构线性整体分析。
2.3.1线性屈曲分析。主要用于计算桁架、梁单元构成的临界荷载系数，以及临界荷载系数对应的屈曲模态，根据分析结果对结构整体稳定性进行判断。由于大跨度钢结构在不均匀荷载作用下极易出现失稳性状，所以必须对大跨度钢结构进行线性屈曲分析。在分析过程中采用有限元软件，先简化结构有限元模型，对主体斜交拱网壳进行保留，以避免因局部构件发生屈曲而影响分析结果。屈曲 模态图形结果如图5所示。第一阶屈曲模态在恒荷载、活荷载满跨布置的情况下进行确定，第二阶屈曲模态在恒荷载满跨且活荷载半跨的情况下进行确定。第一阶与第二阶屈曲模态的荷载临界系数分别为39.3和52.6。本建筑主要集中在结构中部发生屈曲，根据分析结果显示，本工程结构的整体稳定性良好，只要结构承受的实际荷载在设计范围内，就不会出现整体屈曲。
2.3.2几何非线性分析。对于钢结构而言，如果出现较大的几何变形，则应从非线性的角度考虑位移与应变之间的关系。任何结构在初始设计中都会存在一定的缺陷，如节点位置偏差、杆件弯曲、偏心等等。由于结构中选用的杆件在强度设计阶段，均确保其具备良好的稳定性，所以可将杆件缺陷对结构稳定性的影响限定在一个范围当中。对此，可以采取非线性有限元分析方法进行分析，在分析前，应假设初始缺陷的大小，并对这个可能存在的偏差进行分析，从而确保结果的正确性。通过有限元软件对结构进行几何非线性分析后，得出如下结果：在活荷载的作用下，结构的稳定系数为6.13，而现行规范标准中给出的限值为5，6.13>5，由此表明，结构本身具有足够的安全储备，不会出现失稳现象，也不会对钢结构的整体稳定性造成影响。
结论：
综上所述，本文以某工程项目实例为依托，研究了该项目中钢结构设计的稳定性问题。在钢结构设计中，结构抗震是必须予以充分考虑的一个重要因素，只有确保设计出来的钢结构在地震荷载的作用下不会失稳，才能保证钢结构的整体稳定性。经过有限元分析，本工程中选用的钢结构体系稳定性良好，满足抗震性能的要求。
参考文献
[1]陈丹阳.中美欧钢结构规范受弯构件局部稳定性计算方法对比研究[D].西南石油大学，2017.
[2]吕清海.建筑结构设计中钢结构设计的重要性与策略探讨[D].江西建材，2017.
[3]陈晓晴.BIM技术在钢结构设计中的应用及子结构分析方法研究[D].天津大学，2015.
[4]刘启.工业厂房结构设计中钢结构设计的应用研究[J].建材与装饰，2016（1）：53-54.
[5]王威.我国建筑钢结构设计发展现状及趋势研究[J].建材与装饰，2016（12）：163-165.
[6]张俊.香格里拉镇游客集散中心和谐塔钢结构优化设计研究[D].成都理工大学，2016.
论文作者:孟曙
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第6期
论文发表时间:2018/7/17
标签：结构论文; 钢结构论文; 荷载论文; 稳定性论文; 屈曲论文; 建筑论文; 系数论文; 《建筑学研究前沿》2018年第6期论文;