建筑钢结构稳定性设计

建筑钢结构稳定性设计（精选十篇）

建筑钢结构稳定性设计 篇1

关键词：建筑钢结构,稳定性,建筑

在建筑领域, 钢结构因为有着自重轻和强度高等一些优点, 在建筑工程项目的建设过程中钢结构被广泛的进行应用, 也获得了比较好的应用效果。随着一些重点项目钢结构的示范应用, 钢结构在各个领域的土木建筑中都发挥出了很大的作用。但是近年来因为钢结构自身稳定性的问题所引发的事故越来越多, 给工程建设造成了很多负面影响, 人们越来越关心钢结构自身的稳定和设计问题。因此, 探讨和研究钢结构的稳定性就有着十分重要的意义, 以下就此问题进行探讨和分析, 以期能够为相关的从业人员提供必要的参考。

1 目前钢结构设计中所存在的缺陷探讨

钢结构自身的一些特点, 使得应用在土木建筑过程中可以获得比较好的收益。但是从长久的实践来分析, 钢结构也存在着一些不可避免的弊端, 给建筑安全造成了一定的影响。这主要表现在以下几个方面, 钢材本身就存在着各种不足, 比如在抗腐蚀性和耐火性方面, 钢材的耐受力并不高;在建筑工程施工过程中, 要应用钢结构, 就必须要进行较为严密的防护, 这样所需要花费的成本会更高;钢结构在施工过程中, 如果温度超过150℃, 就已经超过了钢结构的耐受力, 这很容易使得钢结构发生变形等, 给施工造成一定的安全威胁;因为钢结构自身的特点, 在开展施工的过程中会受到比较大的负荷, 稳定性就会受到一定的影响, 这些都是钢结构自身各种弊端中较为典型的一些问题。

2 钢结构的稳定性设计研究

2.1 稳定性设计分析

钢结构容易发生失稳的现象, 这会对钢结构的稳定性造成很大的破坏。钢结构的稳定性主要是指钢结构的变形问题, 钢结构的内部构建所承受的抵抗力和外部所承受的和在两者之间是不平衡的。因此, 稳定性的设计的关键是要在不平衡的受力当中, 寻找一个相对比较平衡的契合点, 以免钢结构产生出比较大的变形, 进而造成钢结构失稳, 对建筑结构造成很大的破坏。

2.2 钢结构稳定性设计所应当坚持的基本原则

在进行钢结构设计的过程中, 要综合的考虑建筑的实际情况以及在进行使用过程中的一些具体的要求, 以最大限度的确保所设计的钢结构可以很好的符合标准。在进行设计的过程中, 应当满足稳定性和强度的前提下, 最大可能的减少钢材的使用。减少钢材的主要目的是减少本身的自重, 以便可以在出现较大负荷的情况下, 使得钢结构具备良好的承载能力。在开展施工的过程中, 应当最大限度的减少不必要的安装实践和制造实践, 以便可以更好的运输和维护钢结构, 使得总的成本能够有效的降低。除此之外, 所设计的钢结构还应该具备一定的审美价值。

2.3 进行稳定性设计过程中所应当注意的问题探究

在住宅钢结构的设计过程中, 应当注意钢结构的设计应当区分为高层和低层住宅两种。为可能够满足抗震和抗压的需要, 钢结构类型的住宅应当确保控制在12层以下。实践中对钢结构规则性会对于住宅建成之后的抗震性造成比较大的影响。所以, 在进行钢结构的布置时, 应该尽力的做到规则和堆成, 以免在发生地震时, 产生比较大的破坏。

随着科学技术的不断发展, 计算机软件技术也得到了比较好的发展, 所以在进行钢结构的设计过程中, 可以引入计算机辅助系统, 通过计算机的帮助完成平面强度和钢结构稳定性的计算。因此, 钢结构稳定性的设计过程中, 可以发挥计算机的作用, 最大限度的提升工作效率。

3 小结

综上所述, 虽然钢结构在建筑领域的应用有着很好的前景, 但是在进行使用的过程中也存在着一些不足和缺陷, 要特别的注意。本文主要依据工作经验对钢结构所在建筑工程的应用中存在的问题进行了分析, 同时阐述了钢结构的稳定设计一些具体的思路, 以期能够为相关的从业人员工作中提供可借鉴的思路。

参考文献

[1]高英华, 席丰.受火作用单对称截面钢梁的侧向弯扭屈曲分析[J].应用力学学报, 2013 (01) .

[1]董建设.小议现代建筑钢结构的设计与安装[J].中小企业管理与科技 (下旬刊) , 2010, 14 (23) :903-904.

[3]陈怀志, 刘志川, 苏凯, 程新安.关于钢结构工程设计问题的分析[J].河南科技.2013 (06) .

[4]金晓飞, 孟永杰, 杨晓杰, 范峰, 曹正罡, 李景芳.内嵌围护墙板对钢框架抗侧力性能的影响效应[J].哈尔滨工业大学学报.2013 (04) .

结构的稳定性教学设计 篇2

四川省安岳中学 邓 斌

一、教材分析

本课题是粤教版《技术与设计2》第一单元第二节《探究结构》教学内容之一，“结构与稳定性”安排在 “常见结构的认识”之后，是在结构认识的基础上作进一步深入的学习，可使学生对结构的基本认识有一个更深入的认识与巩固，这样安排符合学生的认知规律。“结构与稳定性”是“结构与设计”本单元的一个重要组成部分，结构的稳定性也是结构设计中需要考虑的重要因素之一，同时也是后续进行简单结构设计实践的基础，因此本节内容有着承上启下的作用。

二、学情分析

教学对象是高中二年级的学生，他们有一定的生活经验，并且通过《技术与设计1》的学习，具备了一定的分析、探究和解决问题的能力。但实际动手能力相对较差，学生并不能很好地将理论与实践相结合。所以在教学过程中，通过创设情境，采取师生互动、引导学生自己动手探究、实践等方法来激发学生的学习兴趣和热情，挖掘学生的潜能，从而达到本课的教学目标。

三、教学目标

1)知识与技能：

使学生理解“结构的稳定性”，知道影响结构稳定性的因素。

培养学生的观察分析能力，运用本节知识分析解决实际问题的能力。2)过程与方法：

通过师生互动、课堂探究活动、小组分析和讨论等方法引导学生自主学习，掌握相关的理论知识，提高学生的知识迁移和动手实践的能力。

3)情感与价值：

培养学生自学和实验讨论的学习方法，能自觉把所学的知识和生活实际联系起来，真正的理解结构的稳定性。

四、教学重点难点

重点：影响结构稳定性的主要因素。

难点：运用影响结构稳定性的主要因素解决生活中的实际问题、解释生活中的现象。

五、课时安排：1课时

六、教学过程

(一)导入

教师通过PPT展示一组图片，通过简单讲解激发学生的学习兴趣。问题：如何解释上述图片中发生的现象？是什么原因造成不同的结果？

教师可根据学生的回答，总结阐述：由此可见，稳定对结构而言是非常重要的，保持稳定是结构存在的基础，结构不稳定会引发严重的后果。结构的稳定性是结构一个非常重要的性质。

今天这节课，我们一起来探究什么是结构的稳定性，影响结构稳定的因素是什么？

（二）新课教学

一、什么是结构的稳定性？

知识回顾：请同学们回忆什么是结构？（广义上和力学角度的概念分别请同学回答）演示实验（教师）：电吹风吹矿泉水瓶。

（教师进行演示实验）用空矿泉水瓶立放，此时提示学生对瓶子稳定性的关注。用吹风机对矿泉水吹风，当风力加大，靠近，矿泉水瓶被吹倒。

问题：空矿泉水瓶在没吹它时，它是稳定的，后来它为什么会翻倒呢？

教师阐述讲解：空矿泉水瓶放在水平桌面上时只受到重力和支持力保持平衡的状态，当矿泉水瓶在受到电吹风的外力作用时，原有的平衡状态被外力打破导致的，因此无法保持稳定而倾倒。

问题：同学们刚才看到了，矿泉水瓶在被风吹后，不能抵抗住外力影响的，发生了倾斜翻倒，那如何 保持在有风力情况下矿泉水瓶稳定？（让学生思考后回答，老师再做演示实验验证）

教师总结，提问：什么是结构的稳定性呢？

（请同学们思考用自己的语言描述，然后再翻看教材P12的描述）

PPT展示：结构的稳定性是指结构在荷载的作用下维持其原有平衡状态的能力。教师阐述：

⑴ “荷载”是指结构所受的力，包括结构本身的重力以及结构所受的外力。

⑵ 结构的平衡状态和物理学上平衡状态是有区别的，物理学中的平衡是指“静止”或“匀速直线运动”，而结构的稳定并不意味着的状态绝对不变，而是指结构受到外力作用时状态有所改变（如：适度倾斜，摇晃，形变等），但是当外力作用消失后结构又能恢复到原有的平衡状态，这就是稳定的。反之，就是不稳定的。

二、影响结构稳定的因素

接下来，老师将和同学们一起通过几个小试验，来分析、探究哪些因素影响了结构的稳定性。

请同学们回忆刚才的演示实验，两个矿泉水瓶在受到相同外力的作用下为什么稳定性有如此差别，是什么影响了他们各自的稳定性？（请同学们思考回答，老师总结：重心，并通过PPT展示图片）

探究活动一：重心与结构的稳定性

请同学们把准备好的规格相同的A，B，C三瓶矿泉水瓶放在木板上，摆成一条直线，然后轻轻抬起木板的一侧，请同学们仔细观察，随着木板倾斜的角度增加，会出现什么结果？

提示：为防止瓶子滑动，可以用教材边沿顶住瓶底。A瓶：1/3瓶水； B瓶：2/3瓶水； C瓶：满瓶水； 试验结论1：

重心的高低影响结构的稳定性。

重心越低，稳定性越好；重心越高，稳定性越差。

思考：不倒翁为什么能保持稳定而不倒？（学生一般都会给出重心低的答案，答案不够准确，老师可以反问学生光是重心低就一定保证结构稳定不倒？此时，老师可顺势提出下个思考）

人站立时保持稳定，当身体倾斜到一定程度的时候会变的不稳定，为什么重心下降了，反而不稳定了呢？

课堂活动：请同学们用“稳定性演示仪”模拟人体倾斜，看会出现什么结果。

教师：PPT展示不倒翁不倒的原理分析，在结合“稳定性演示仪”和PPT讲解重心降低后结构为什么无法保持稳定而倾倒的原因，再给出结论并解释比萨斜塔和瑞州古塔斜而不倒的原因）

结论2：重心垂点落在结构的支撑面范围内是结构保持稳定的基本条件。PPT展示：生活中的应用案例。

探究活动二：几何形状与结构的稳定性 PPT展示：普通木梯和A字梯。（教师讲解，然后进行演示试验）

演示试验：框架承载演示，请学生注意观察结果，思考造成不同试验结果的原因。

老师根据学生的回答进行总结，提出“三角形”在结构设计中的应用，并展示生活案例图片。试验结论3：

结构的几何形状会影响结构的稳定性。

三角形的应用使结构更容易稳定。

PPT展示：生活中的应用案例。

探究活动三：支撑面与结构的稳定性 演示试验：

老师把埃菲尔铁塔的塔座模型分别：正立和倒立在水平桌面上，以相同的角度对塔座模型施以相同的外力，请同学们观察结果。（怎样放塔座结构的稳定性好？）

课堂活动：

请各小组的同学们将准备好的两个矿泉水瓶分别“正立和倒立”在桌面上，按老师的方法试验两个瓶子的稳定性谁好。试验结果：两种结构正立时的稳定性比倒立的好很多。

思考：为什么？（此时学生一般能回答出结构与桌面的接触面大小发生了变化）教师根据学生的回答，总结阐述，同时提出“接触面”和“支撑面”，并加以区分（PPT展示），并且明确指出“支撑面”才是影响结构稳定性的因素，而非“接触面”。

课堂活动：

请同学们把小木块分别放在自己做的三棱立柱上，并对该结构施加相同的外力作用，比较三种不同规格的三棱立柱在支撑木块时的稳定性有何不同？

试验结果：三棱立柱横截面越大，支撑木块的稳定性更好。试验结论4：

结构和支撑面接触形成的支撑面大小影响结构的稳定性。

结构和支撑面接触形成的支撑面越大，结构更容易稳定。

PPT展示：生活中的应用案例。

课堂引申探究：静止状态的自行车是如何保持稳定的? 探究结论：在考虑结构的稳定性时，应综合考虑上述三方面的因素，而不能只片面考虑某个因素而忽略其他因素。

三、课堂小结（PPT展示）

1、结构的稳定性

2、影响结构稳定性的因素

四、课后作业、探究（PPT展示）

1、作业：完成学案

2、探究：

 仔细观察生活中的常见结构，思考其在设计时是如何保持结构稳定的？（举例说明） 思考：人们利用稳定的结构抵抗外力、承受负载那么，不稳定的结构对人类生活是否有用？（举例说明）

五、板书设计

一、结构的稳定性

二、影响结构稳定性的因素

1、重心

2、几何形状

试论建筑钢结构的稳定设计 篇3

关键词 刚结构 稳定性 设计

工业建筑钢结构的稳定问题在设计中，设计人员应该注重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；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，就这个问题阐述了新型结构现存的问题，并且针对问题论述了产生的原因。

一、建筑钢结构的稳定性设计

钢结构的稳定性设计、在各种类型的钢结构中，由于结构失稳造成的伤亡事故时有发生、为了更好地保证钢结构稳定设计中构件不失稳定，保证工程质量及使用安全，有必要对钢结构的稳定性设计进行详细探讨。

1.钢结构稳定性的概念。钢结构强度小或失稳都会造成结构破坏，但是强度与稳定的概念并不相同、钢结构的强度是一个应力问题，指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载引起的最大应力（或内力）是否超过建筑材料的极限强度、钢材以其屈服点作为极限强度、而稳定是一个变形问题，构件所受外部荷载与结构内部抵抗力间是不稳定的，关键是找出这一不稳定的平衡状态，避免变形急剧增长而发生失稳破坏。

2.钢结构稳定性设计要点。在符合钢结构设计的一般原则前提下，要保证钢结构的稳定性还需满足以下条件：

（1）钢结构布置必须从体系和各组成部分的稳定性要求整体考虑，目前钢结构大多是按照平面体系进行设计，如桁架和框架、保证平面结构不出现平面外失稳，要求平面结构构件的平面稳定计算需与结构布置相一致，如增加必要的支撑构件等。

（2）实用计算方法所依据的简图与结构计算简图保持一致中层或多层框架结构设计框架稳定分析通常是省略的，只进行框架柱的稳定计算、由于框架各柱的杆件稳定计算的常用力法、稳定参数等是依据一定的简化典型情况或假设者得出的，因此设计者要能保证所有的条件符合假设时才能应用。

二、建筑钢结构设计

1.基本原则。建筑钢结构的设计必须符合一定的原则，确保所设计的结构合理，安全可靠。（1）所做结构设计应符合建筑物的使用要求，有足够的强度、刚度和稳定性，有良好的耐久性；（2）所设计结构应尽可能节约钢材，减轻钢结构重量；尽可能缩短制造、安装时间，应便于运输、便于维护，减少成本；（3）尽量注意美观，对于外露结构有一定建筑美学要求。

2.设计过程。（1）收集资料：钢结构设计过程的前期准备工作首要的就是要收集相关资料，包括各种环境资料、相关规范和标准等、目前我国实行的是《钢结构设计规范》GB50017-2003其次，还需要了解结构设计的习惯做法，根据以往的设计经验找出最优设计方案。（2）确定结构体系、柱网：钢结构体系的确定主要考虑两个方面：横向结构系统和纵向结构系统。横向系统需要综合考虑建筑使用要求、刚度要求、结构受力情况、材料选用等具体情况来确定；纵向系统一般由相关构件如柱及其支撑、压架、车梁及制动梁或桁架、墙梁等组成、柱网则需要依据建筑使用要求、经济柱距及跨度、建筑美观等方面要求来设计、其它方面的考虑还包括造价、跨度、制作安装难度等。

三、建筑钢结构的优势与不足

1.钢结构的材料优势。钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的，和混凝土等其它材料的结构相比，钢结构具有诸多优势：首先，钢材的强度高，塑性和韧性好、强度高使其适用于跨度大或荷载很大的构件和结构，而塑性和韧性好对动力荷载的适应性较强，不会轻易因超载而突然断裂、钢结构还具有良好的吸能能力和延性，这赋予了钢结构优越的抗震性能。其次，钢材内部组织接近于匀质和各向同性，在一定的应力幅度内钢材的反应几乎是完全弹性的，加之冶炼和轧制过程中材质波动的范围小，因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合，有助于提供设计施工的精确性。

2.钢结构在建筑上的应用优势。钢结构所具备的上述特点使其在建筑应用上具有砖混结构、混凝土结构所没有的独特优势。首先，钢结构自重轻，且延性好，因此所建建筑的抗震性能优良，因其总质量小，地震力效应相应也小，而其良好的延性也能对地震效应起到缓冲作用、混凝土施工时管道般需要在梁底通过，这样会占用较大空间，使楼层净高减少、而使用钢结构可在梁腹板处开孔走管道，因此建造相同的楼层高度，采用钢结构可达到提高层间净高的效果。此外，与传统结构需要“肥梁胖柱”才能建造较大开间相比，由于钢结构轻质高强，因此可以简中实现大跨与复杂几何结构，创造开放式住宅。

3.钢结构的不足。钢结构因其优势而得到广泛应用，近年来产生的钢结构住宅也促进了住宅产业化的发展进程，尤其钢结构使用过程的环保性还符合社会可持续发展的需要，带来了良好的综合效益、但钢材也存在其固有不足、比如钢材的耐腐蚀性和耐火性较差，因此钢结构使用时需要进行较严格的防护，其防护时费用高于钢筋混凝土结构、钢材虽有一定的耐热性，但在温度达150 ℃以上时，钢结构需要加隔热层加以保护、钢材不耐火，重要的结构必须注意采取防火措施、钢材的强度高，所做构件多数壁薄且截面较小，受压时为了在强度与稳定之间取得最优，往往满足了稳定的要求，而使得强度不能充分发挥等。

四、建筑钢结构设计中应注意的问题

1.钢结构住宅的设计。钢结构住宅有低层和多层之分、低层一般用于别墅，而多层用于公寓、根据抗震规范GB50011对12层以下和以上房屋的不同要求，建造钢结构住宅一般不宜超过12层。钢结构住宅抗震性能受结构布置规则性影响、因此，其平面布置应力求规则、对称、不规则布置在地震时容易遭到损坏。

2.钢结构稳定性设计的经验。（1）借助于计算机技术和相关软件的发展，目前钢结构设计中结构和构件的平面内强度及整体稳定计算可由计算机辅助完成，而由设计者对结构和构件的平面外强度及稳定计算，进行分析、计算和设计、为了提高效率和提供方便，在设计时可将整个结构按标高进行分解，简化成不同水平荷载作用下的多个布置形式的结构体系来进行强度和稳定的计算。（2）受弯钢构件的板件局部稳定可以通过几种方式实现：①限制板件宽厚比，使之达到屈曲的极限承载能力，不在构件整体失效前屈曲；②允许板件在构件整体失效前屈曲，然后利用其屈曲后强度达到构件的承载能力；③对梁设置横向或纵向加劲肋，以解决不考虑屈曲后强度的梁的局部稳定问题。（3）轴心受压构件和压弯构件局部稳定也可通过两种方式实现，分别是控制翼缘板自由外伸宽度与其厚度之比和控制腹板计算高度与其厚度之比，如果受压构件为圆管截面，则应控制外径与壁厚之比。

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、在钢结构设计中要充分考虑材料的优缺点，综合考虑各方面的因素加强对结构的整体稳定、局部稳定以及平面外稳定的设计，克服结构设计缺陷，避免出现失稳事故，加快钢结构应用领域的发展。

参考文献

[1]黄友江.钢结构的稳定设计分析[J].黑龙江科技信息，2009.

建筑工程钢结构设计的稳定性分析 篇4

1 钢结构稳定性设计的重要性分析

目前钢结构的钢结构、稳定性问题普遍存在,此类问题主要是对设计人员的稳定性设计缺乏相关概念,对材料的力学性能和钢结构的理解,也在施工过程中一些为了降低成本,没有严格按照施工规范、质量低劣的工作,没有保证施工质量的关键部位,从而出现钢结构的不稳定现象,造成重大的人员伤亡和经济损失。从这一点看,做好钢结构稳定设计工作在施工中具有重要意义,它不仅与工程质量密切相关,而且关系到人们的生命安全,钢结构的不稳定现象一旦出现,更轻可能会导致某方面的问题,严重时会造成人员伤亡和工程坍塌。在今天的阶段,只有对钢结构的稳定设计问题采取相应的措施,从而使建筑钢结构的快速发展。

2 建筑钢结构的稳定性设计分析

2.1 关于稳定性设计

由于钢结构的强度不能满足标准,容易出现不稳定,从而破坏建筑物的结构。稳定性和强度是不一样的强度的概念,该问题的强度是应力。具体而言,在稳定平衡,单个部件或整个钢和的状态承受最大应力是最大的建筑材料的强度,屈服点钢极限强度;稳定性是指变形。经受内部和外部电阻以承受负载不平衡钢构件,稳定的设计是在不平衡力的情况下的关键,在相对平衡的协议,以避免钢的急剧变形,造成结构损坏不稳定的结构。

2.2 稳定性设计应坚持的原则及设计要点

在钢结构设计中,应考虑施工的实际情况和施工过程中的使用要求,钢结构刚度、强度和稳定性的设计符合标准。设计应符合要求的稳定和强度的前提下应与稳定性和强度要求尽可能节省钢材一致。减少使用的钢结构本身具有的重量,使得当负荷较大时,可有效地进行的;在建筑,制造时间和减少安装时间,便于维修和钢材的运输,使总成本降低。另外,钢结构设计应具有一定的美学价值,特别是在设计中的暴露结构,应注重建筑审美标准的结合。在钢结构设计中,要使其具有足够的稳定性,注意以下几个关键点的设计:(1)在钢结构形式的形式,应考虑钢结构的稳定性和整体性能。目前,在我国的钢结构设计中,通常以平面系统设计为出发点,如框架结构;所以在计算平面钢结构稳定性设计值时应确保其对结构构件布置的计算方法相同,如在计算中应考虑是否增加计算支护强度。(2)在实际计算方法的基础上,计算出稳定的设计图和结构图的结构稳定性的基础上和计算一致。一般而言,分析框架的稳定性和结构分析框架的工作是相当粗糙的。部分的施工工作,即使没有工作,是唯一稳定的框架柱的设计和计算。由于对构件的稳定值计算在模型的基础上,对模型的假设或简化模型进行了计算,从而保证了钢结构的计算值满足要求,进行了计算方法的基础上的稳定设计草图和保持相同水平的结构稳定的基础上的图计算。

2.3 稳定性设计的过程中不应忽视的问题

在住宅设计中应注意钢结构住宅的类型分为多层住宅和住宅两层低层住宅,别墅,小区多层住宅。拟议的标准和房屋类型应该低于12钢层进行控制,以满足压缩和抗震要求。钢铁布置在住宅影响很大的抗震性能,因此钢结构和规则的布局应尽可能对称,避免了很多在地震中受损。目前,计算机软件技术得到了快速发展,因此,可以在钢结构设计,计算机应用,计算机的换算完成整体稳定性和强度的计算。因此,计算干涉使得设计过程的稳定性更为方便,提高工作效率。为使钢板经弯曲成形,可以使用以下方法。控制的厚度和宽度之比,从而使该板弯曲的承载能力的限制,以避免在整个钢结构失败的面板屈曲现象发生之前出现,而其他如钢结构整体故障之前发生,屈曲现象与屈曲强度,提高了轴承组件的能力。

3 钢结构稳定性设计问题的解决措施

3.1 建立完善的预张拉结构理论体系

对于钢结构的稳定性设计,预拉力结构分析是非常重要的,需要在相关工作中做一个好工作,有一套比较完整的预拉伸结构体系理论在分析预张力结构,然后根据理论分析结果,为了得到的结果将是比较准确的,然后使钢结构设计的稳定的目的和要求有保证。

3.2 重视整体稳定与局部稳定之间的关系

整体稳定性与局部稳定性有着非常重要的关系,一些单位为了尽可能减少故障,简单地根据以前的经验对安全系数进行了确定,这样的相关问题在分析中可能会导致较大误差,从而影响精度的结构设计,不能满足稳定性要求,因此两者之间的距离应给予充分重视。

3.3 尽量减小不确定性因素造成的影响

钢结构稳定性设计的不确定因素是不可避免的。因此,我们应该尽可能地让相关性和力学性能的分析,对钢结构设计的不确定因素尽可能减少,并更多的实验基础上选择一个科学的程序,以确定之间的相关性,以满足设计目标和要求。

4 结束语

近年来,钢结构的应用范围越来越广泛,不仅局限于轻钢结构和大跨度结构,更适用于高层建筑、钢结构和混凝土结构的应用,使得结构的抗震性能和空间应用效果更好,船舶和管道以及高耸结构在中国蓬勃发展。在总结国内外经验的同时,积极借鉴国外同类行业的先进经验。

摘要：在当今社会,随着经济的发展和科学技术的飞速进步,建筑业也得到了迅猛的发展。在建筑业中,钢结构具有抗震强度高、施工速度快、结构性能好、工程造价低等优点,因此得到了广泛应用。虽然钢结构发展较快,且逐步普及,但是在使用过程中,也暴露出一些问题,如稳定性的问题便是其中较为突出的问题,文章对此进行了分析。

关键词：建筑工程,钢结构设计,稳定性

参考文献

[1]张银龙,苟明康,梁川.钢结构稳定性设计方法的发展综述及分析[J].钢结构,2008,(7):1-6.

[2]王多祥,靳同良.钢结构设计中稳定性分析探讨[J].甘肃冶金,2014,(3):142-144.

建筑钢结构稳定性设计 篇5

水泥稳定砂砾(碎石)基层骨架密实结构配合比设计

通过对水泥稳定砂砾(碎石)底基层混合料原材料控制,骨架密实结构配合比设计方法,以具体配合比在工程实践中的应用为基础,提出工程合理建议级配,在保证质量的前提下,提出了降低水泥用量的一些途径和方法.

作 者：杨冬冬 作者单位：宁夏路桥工程股份有限公司路面公司刊 名：中小企业管理与科技英文刊名：MANAGEMENT & TECHNOLOGY OF SME年，卷(期)：2010“”(19)分类号：关键词：水泥 砂砾(碎石) 基层 骨架密实结构 配合比设计

浅谈钢结构稳定性设计 篇6

摘 要：钢结构因具有自重轻、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，另一方面，因其结构失稳破坏造成的人员伤亡、财产损失的事故案例也常有耳闻，而失稳破坏的原因通常是结构设计缺陷所致。论文通过对钢结构稳定性设计的概念、原则及分析方法的总结，结合工程设计实践谈谈对钢结构稳定性设计的体会。

关键词：钢结构；稳定性设计；细部构造

稳定性是钢结构工程设计中需要重点考虑的内容之一，现实生活中因钢结构失稳造成的工程事故案例也较多，如美国哈特福特城的体育馆平面92m×110m的网架结构，突然于1978年坠落地面，原因是由于压杆屈曲失稳； 1988年我国也曾发生13.2m×18.0m钢网架因腹杆稳定不足在施工过程中塌落的事故； 2010年1月3日下午，昆明新机场38m钢结构桥跨突然垮塌，造成7人死亡、8人重伤、26人轻伤，原因是桥下钢结构支撑体系突然失稳， 8m高的桥面随即垮塌下来。从上述案例可以看出，钢结构失稳破坏的原因通常是其结构设计不合理，存在结构设计缺陷所致，要从根本上杜绝此类事故的发生，钢结构稳定性设计是关键。

一、钢结构稳定性设计的概念

（一）强度与稳定的区别强度是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力（或内力）是否超过建筑材料的极限强度，因此它是一个应力问题。极限强度的取值因材料的特性不同而异，对钢材是取它的屈服点。稳定主要是找出外部荷载与结构内部抵抗力间不稳定的平衡状态，即变形开始急剧增长而需设法避免进入的状态，因此它是一个变形问题。例如轴压柱，当失稳时柱的侧向挠度使柱中增加很大的附加弯矩，从而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度，此时，失稳是柱子破坏的主要原因。

（二）钢结构失稳的分类1）有平衡分岔的稳定问题（分支点失稳）。完善直杆轴心受压时的屈曲和平板中面受压时的屈曲均属于这一类。2）无平衡分岔的稳定问题（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）跳跃失稳是一种不同于以上两种类型的稳定问题，它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态。

二、钢结构稳定性设计的原则

（一）钢结构布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求目前钢结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架。保证这些平面结构不出现平面外失稳，需要从结构整体布置来解决，如增加必要的支撑构件等。要求平面结构构件的平面稳定计算需与结构布置相一致。

（二）结构计算简图需与实用计算方法所依据的简图一致当设计单层或多层框架结构时，通常不做框架稳定分析而只做框架柱的稳定计算。采用这种方法计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，应通过框架整体稳定分析得出，使柱稳定计算等效于框架稳定计算。《钢结构设计规范》（GB50017-2003）对单层或多层框架给出的柱计算长度系数采用了5条基本假定，其中包括：“框架中的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，是依据一定的简化假设或者典型情况得出的，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。

（三）钢结构的细部构造设计与构件的稳定计算应一致保证钢结构的细部构造设计与构件的稳定计算相符合，是钢结构设计中需要高度注意的问题。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。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。然而在解决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。

三、钢结构稳定性的分析方法

钢结构稳定问题的分析都是针对在外荷载作用下结构存在变形的条件下进行的，此变形应该与所研究的结构或构件失稳时出现的变形相对应。结构变形与荷载之间呈非线性关系，稳定计算属于非线性几何问题，采用的是二阶分析方法。稳定计算所确定的不论是屈曲荷载还是极限荷载，都可视为所计算的结构或构件的稳定承载力。

（一）静力法即静力平衡法，是根据已发生了微小变形后结构的受力条件建立平衡微分方程，然后解出临界荷载。在建立平衡微分方程时遵循如下基本假定：1）构件是等截面直杆。2）压力始终沿构件原来轴线作用。3）材料符合胡克定律，即应力与应变成线性关系。4）构件符合平截面假定，即构件变形前的平截面在变形后仍为平截面。5）构件的弯曲变形是微小的，曲率可以近似地用挠度函数的二阶导数表示。根据以上假定条件可建立平衡微分方程，代入相应的边界条件，即可解得两端铰支的轴压构件的临界荷载。

（二）能量法是求解稳定承载力的一种近似方法，通过能量守恒原理和势能驻值原理求解临界荷载。1）能量守恒原理求解临界荷载。保守体系处在平衡状态时，贮存在结构体系中的应变能等于外力所做的功，即能量守恒原理。其临界状态的能量关系为：ΔU =ΔW式中ΔU—指应变能的增量；ΔW—指外力功的增量。由能量守恒原理可建立平衡微分方程。2）势能驻值原理求解临界荷载。势能驻值原理指：受外力作用的结构，当位移有微小变化而总势能不变，即总势能有驻值时，结构处于平衡状态。表达式为：dΠ=dU-dW =0式中dU—指虚位移引起的结构内应变能的变化，它总是正值；dW—指外力在虚位移上作的功。

（三）动力法处于平衡状态的结构体系，如果施加微小干扰使其发生振动，这时结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关。当荷载小于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相反，因此干扰撤去后，运动趋于静止，结构的平衡状态是稳定的；当荷载大于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相同，即使撤去干扰，运动仍是发散的，因此结构的平衡状态是不稳定的。临界状态的荷载即为结构的屈曲荷载，可由结构的振动频率为零的条件解得。

四、结语

相信通过加强对结构的整体稳定、局部稳定以及平面外稳定的设计，克服结构设计缺陷，其应用的领域会越来越广泛。

参考文献：

[1] GB50017-2003，钢结构设计规范，[S].

多层建筑结构的稳定性设计 篇7

我国人口基数大, 而农村人口的比例更是庞大, 农村住房条件亟须得到妥善处理, 这关系到社会的安定, 国家的长治久安。在众多类型的居民建筑中, 多层房屋结构因其施工相对容易, 住户量笑的特点更适合在农村、中小城市使用。因此其建筑量在中小城市中占到百分之九十。

而这种建筑的广泛使用也随之带来新的问题, 如多层房屋结构稳定性, 价格合理性, 设施齐全性, 其中第一个问题首当其冲, 如果不妥善处理将会带来安全问题。

1 多层建筑结构概念的阐释

住宅建筑按其层数分为:低层 (l~3层) 、多层 (4~6层) 、中高层 (7~9层) 、高层 (l0层以上) 四类。

在我国, 多层房屋建筑于80年代到至今快速发展, 其设计与使用结构理念如:框架、砖木、砖混、加筋砌体等在农村, 中小城市房屋建设中迅速蔓延发展。

所谓多层住宅是指四层到六层建筑, 主要使用楼梯上下通行, 它具有如下特点:第一, 比底层建筑容纳更多人口, 占地面积较小;比高层面积则工程量小, 一年左右即可完成建造。第二, 维护投资较少, 相对于高层建筑省略了电梯, 高压水泵等公摊设施, 物业费用减少, 性价比总体较高。第三, 结构设计简单但实用度高, 建筑用料由于规格相同来源广泛, 造价低, 售价适中, 易于大众接受。

2 设计对多层建筑结构稳定性的影响

2.1 多层建筑的基础

多层房屋建造有其自身的规章制度, 不能凭有关单位马虎依据周围建筑情况就随意开始施工, 它需要当地地质勘探报告。此外进行地基处理时不能仅凭借笼统的经验之谈, 而要注意垫层书面图纸计算其厚薄和宽窄。这些是影响多层房屋稳定性的重要基础。

2.2 多层建筑的砖混结构房屋中构造柱兼作承重柱用

在砖混结构中, 构造柱不但能够提高墙体的坑剪能力, 而且构造柱与圈梁联结在一起, 形成对砌体的约束, 这对于限制墙体裂缝的开展, 维持竖向承载力, 提高结构的抗震性能有着重要的作用。

在当前结构设计中, 构造柱经常被作为承重柱使用, 这种做法使得构造柱提前受力, 柱底基础的抗冲切、抗弯曲及局部承压强度必然不能满足要求, 降低了构造柱的拉结和约束作用, 一旦遭遇地震, 构造柱位置因应力集中首先破坏。

2.3 多层建筑在框架结构设计中, 只注意横向框架而忽视纵向框架

现行建筑抗震设计规范要求水平地震作用应按两个主轴方向分别计算, 纵向框架与横向框架同等重要。一些结构设计者对于非抗震设计, 没有考虑地震的纵向作用, 在实际设计中经常出现梁的支座负筋, 跨中纵筋及箍筋的配筋置均不足的现象。

2.4 多层建筑的悬挑梁的梁高选用过小

设计者往往只注意了对梁的强度和倾覆进行验算, 而忽略了对梁挠度的验算。梁高选用过小, 引起梁截面的受压区应力过高, 梁的延性减小, 在竖向地震作用下易发生脆性破坏, 失去承载力。设计人员。

2.5 多层建筑的连续梁按单梁进行设计

此问题在阳台建筑中发生频率较大。因为阳台边梁的承重能力弱, 设计人员常常忽视这点, 在设计图纸时简化设计, 设计者把实际应为连续梁的边梁按简支梁进行设计, 致使边梁在支座处上部负筋配置量过少, 加载后梁支座上部受拉区出现竖向裂缝。

2.6 关于多层建筑的楼板设计的几个常见问题

施工建筑中, 楼板是重要原材料之一, 它的作用是分担楼面, 屋面的重量于墙壁, 梁木等地方, 以保证房屋的稳固。所以说对楼板的制造和使用至关重要, 而设计楼板是制造和使用的大前提, 需要注意下列问题:

无法全面掌握楼板的受力情况, 双向与单向板各部分数据混淆, 与实际建筑情况不符, 产生例如配筋方向、重量等出现差异, 过大或缺失, 致使楼板出现裂纹, 手里薄弱点等状况。

计算板承受线荷载的弯矩时, 常常将该部分线荷载换算成等效的均布荷载后, 进行板的配筋计算。但有些设计人员错误地将隔墙的总荷载附以板的总面积。另外, 在板的设计中没考虑板上砌墙的影响, 在板支承点上部出现了负弯矩, 致使板顶出现裂缝。

双向板有效高度取值偏大。双向板计算时应考虑两个方向的弯矩, 取各自的有效高度, 一般长向的有效高度比短向的有效高度小。有的设计者为图省事或对板受力认识不足, 取两方向的有效高度一致进行配筋计算, 致使长跨有效高度偏大, 配筋降低, 使结构构件存在的质量隐患。

总的说来就是设计工作者要按照建筑设计的相关标准来设计执行, 这是完成后续工作, 施工及使用的前提条件, 这一步做好才能保证施工质量, 从而保证整个行业的生存能力。

3 抗震设计对稳定性的影响

3.1 抗震措施

当前, 在抗震设计中, 从概念设计、抗震验算及构造措施等三方面入手, 在将抗震与消震 (结构延性) 结合的基础上, 建立设计地震力与结构延性要求相互影响的双重设计指标和方法, 直至进一步通过一些结构措施 (隔震措施, 消能减震措施) 来减震, 即减小结构上的地震作用使得建筑在地震中有良好而经济的抗震性能是当代抗震设计规范发展的方向。而且, 强柱弱梁、强剪弱弯和强节点弱构件在提高结构延性方面的作用己得到普遍的认可。

3.2 多层建筑的抗震设计理念

我国《建筑抗震规范》 (GB50011-2001) 对建筑的抗震设防提出“三水准、两阶段”的要求。“三水准”即“小震不坏, 中震可修, 大震不倒”。对建筑抗震的三个水准设防要求, 是通过“两阶段”设计来实现的。第一阶段:第一步采用与第一水准烈度相应的地震动参数, 先计算出结构在弹性状态下的地震作用效应, 与风、重力荷载效应组合, 并引入承载力抗震调整系数, 进行构件截面设计, 从而满足第一水准的强度要求;第二步是采用同一地震动参数计算出结构的层间位移角, 使其不超过抗震规范所规定的限值;同时采用相应的抗震构造措施, 保证结构具有足够的延性、变形能力和塑性耗能, 从而自动满足第二水准的变形要求。第二阶段:采用与第三水准相对应的地震动参数, 计算出结构 (特别是柔弱楼层和抗震薄弱环节) 的弹塑性层间位移角, 使之小于抗震规范的限值, 并采用必要的抗震构造措施, 从而满足第三水准的防倒塌要求。

参考文献

[1]建筑施工手册编写组, 建筑施工手册, 3版[M].北京:中国建筑工业出版社.

[2]方先和.建筑施工[M].武汉:武汉大学出版社.

建筑工程中钢结构设计的稳定性分析 篇8

一、钢结构稳定设计具体原则

结合钢结构稳定性的问题, 在具体的设计过程中, 需要从以下三个方面来确保钢结构稳定性设计过程中其构件不会发生失稳状况。

1. 确保各个组成部分以及整个体系

当前, 钢结构的优质性能决定了前期设计工艺是非常复杂的, 需要设计师先利用专业的数据统计软件对钢结构的各项技术指标进行严格精密的测试。只有通过了质量检测的钢结构, 才能真正投入大量生产再应用于施工中。具体的技术参数指标主要有水平荷载系数、抗震强度系数和结构的阻尼比等。以水平荷载为例, 建筑处于理想环境下, 只有竖向荷载, 水平荷载才为零。但在正常生活环境中, 一般都会存在不同程度的风荷载, 在水平方向上将会对建筑的稳定性有所影响。如此一来, 设计师就需要根据当地环境可能的最大风荷载进行钢结构水平荷载系数的设计, 以免出现因建筑稳定性不佳而导致坍塌的事故。

2. 剪力调整问题

我国目前的高层建筑, 在建筑形式上越来越复杂。其中, 不对称设计也渐渐成为了设计潮流。所以, 建筑中采用斜柱的现象非常常见。而且与垂直构件相比, 它的倾角非常明显, 这也无形中对建筑构件的剪力有了更加严格的要求。国内的建筑设计师在进行钢结构的设计时, 为了简便处理常常将垂直构件简化为柱子, 相应的斜柱也视为斜杆。一般来说, 对建筑整体的稳固性影响不大。但在调整框架柱的剪力时, 就会有严重影响。因为斜柱是用来作为水平方向的支撑柱的, 但是在竖直方向也需要支撑一定的荷载, 而忽略这一部分就会使剪力的计算有不小的差别。所以, 设计人员应严格注意剪力的调整。根据建筑施工的具体需要, 进行不同程度剪力的设计, 使钢结构的稳定性充分发挥出来。

3. 强柱弱梁的设计

在钢结构的具体设计中, 需要考虑到柱和梁的整体性。合理安全的钢结构设计, 需要在面临强震或者水平荷载较大的情况时, 钢结构中的塑性铰出现在梁上而不是柱子上, 这样能保证钢结构的整体性不至于瞬间被破坏, 具有较强的抗压性, 而且较为容易恢复初始形态。根据国家有关标准, 对强柱弱梁的设计需要进行弹塑性的分析和计算。只有使分析的结果表明塑性铰出现在梁上, 才能满足设计要求。

二、钢结构稳定性设计的具体特点

1. 失稳与整体刚度

由于钢结构的稳定承载能力主要与它的刚度有着密切联系, 而钢结构是否具有较好的刚度取决于它的整体构成。因此, 稳定是关于结构整体的重要问题。

2. 钢结构稳定性的整体分析

由于钢结构的各个组成部分能够保证稳定性对于整个结构整体产生影响, 因此在实际生活中, 具体进行稳定问题处理时, 要坚持整体观点。钢结构内部构建出现了细部的变形, 也会对整个内力的分布带来影响, 从而使局部发生弱化, 而受到弱化的局部又反过来影响整体的承载能力。

3. 钢结构稳定具有相关性

这主要是由于在对钢结构整体进行布置的过程中, 需要考虑整个体系和其组成部分的具体稳定性。

三、钢结构稳定性的具体分析方法

由于研究钢结构稳定性问题的分析均是在外荷载作用的前提下进行的, 因此关于这种变形的研究应该与结构或者构件的失稳性保持同步, 我们可以采用以下两种方法进行有效研究。

1. 静力法

所谓的静力法, 具体而言是指静力平衡方法, 主要结合已经发生了微小变形之后的钢结构受力条件, 从而建立平衡微分方程, 之后再得出临界荷载。

2. 动力法

这主要是因为处于平衡状态的结构体系, 若在其上施加微小的干扰, 从而使其发生振动, 在这种条件下的结构变形以及振动的加速度都与结构荷载有着密切关系。当荷载低于稳定的极限荷载值时, 则加速度同变形的方向相反。因此, 当除去干扰后, 会使运动达到静止, 从而保证结构的平衡状态。临界的状态荷载主要为钢结构的屈曲荷载, 在钢结构振动频率为零的前提下获得。

四、结语

随着社会经济的迅猛发展, 我国的建筑行业也是在不断发展中飞速前进。建筑的安全性能也更应该引起建筑师的注意。建筑中钢结构的稳定性设计不是简单的将建筑付诸于施工阶段即可, 它是一项责任十分重大的工作, 直接关系到人民群众的生命安全和建筑工程的经济收益。总而言之, 钢结构稳定性设计在建筑工程中有着不可或缺的重要作用。随着时代的变化, 有关设计单位和技术人员也需要采用新的理念和方法, 保障钢结构在建筑工程中的安全性和稳定性, 使得我国的建筑事业在孜孜不倦的摸索中稳定前进。

参考文献

[1]孙俊伟, 陆品茗.高层建筑物钢筋混凝土钢结构的设计技术管控[J].建筑科学, 2009.

[2]孙成明.国内高层建筑钢结构设计路线的优化[J].四川建筑科学, 2008.

[3]刘晓宁, 张兰, 朱祥顶.浅谈钢结构深化设计与工程成本节约控制[J].福建建筑, 2009.

建筑钢结构及其施工稳定性 篇9

1 缆索吊装的最佳吊点选择

桥梁工程施工中,当上部构件(如梁节段或拱肋等)需跨越深水、深谷、通航河道或者限于工期必须在洪汛期内架设时,常采用无支架施工,其中更多采用缆索分段吊装。预制构件在吊移、搁置和拼装过程中,构件的受力状态往往与成桥使用状态不同,构件的吊点(吊环)位置与数量,应在设计中确定或在施工前验算。梁段和拱肋通常采用两点吊,当构件分段或曲率较大时,宜采用四点吊(见图1)。最佳吊点位置主要按构件吊运时的稳定与合理受力来确定,尽管有时还需要综合各种次要因素的影响。这里,以最大拉应力为控制目标,选择缆索吊装中的最佳吊点,得出等截面四吊点的位置。对于两点吊和四点吊的变截面构件超静定问题,用寻优迭代的方法和总和试算法[2],可得出吊点的变化规律和实用的计算结果。

分段构件均近似按直梁验算。当构件截面上下配置相等钢筋并采用两吊点时,构件受力特点如双伸臂简支梁,吊点宜对称布置,控制目标为两吊点处最大正弯矩M1 与跨中最大正弯矩M2 绝对值相等(亦即最大拉应力相等),由此可得知吊点位置距拱肋端0.207L处(L为拱肋构件长度)。考虑斜索产生偏心拉压、上下缘配筋数量、端头接口及弯拱肋重心位置等因素后,实际吊点位置选在距拱肋端0.22L左右(L为拱肋构件长度)[3]。

当桥梁跨径较大,吊装设备吨位许可时,可按较长的分段预制拱肋(特别是拱顶段),以减少空中操作;当拱段曲率较大时,也采用四点吊,并使用转向滑轮。四吊点构件受力是超静定问题。利用对称性取半结构后,按一次超静定梁分析。选择如图2所示的基本体系,多余未知力X1即为构件中部的正弯矩M3,力法方程为δ11X1+Δ1P=0(δ11为主系数,X1为多余未知力,Δ1P为自由项)。设外侧吊点距杆端距离为x,考虑施工方便,一般取内外侧吊点间距为0.2L(小于0.27L时,其跨间弯矩均较小),半结构设计见图2。用图乘法计算主系数δ11和自由项Δ1P后,可求得

若以undefined为控制目标,则不必分析超静定问题。由(0.3L-x)2/4=x2/2,直接解得:x=0.124L。

为适应内力的变化,连续梁、伸臂梁以及桁架拱和刚架拱的拱顶实腹段,经常采用纵向变截面,截面变化规律多为直线或二次抛物线,并常用两点吊或四点吊。变截面构件吊点的确定,即使是两点吊,也是一个超静定问题。这里,最优控制目标是使吊点截面及跨内截面上下缘的最大拉应力尽可能小且均等,这对于少筋混凝土构件尤为重要。

以抛物线变截面构件两点吊为例(见图3),取厚度B=1,容重γ=1计算。

重心位置:undefined;

undefined

其中:undefined

对于少筋或素混凝土,抗弯截面模量:undefined

优化目标为3个截面的应力相等:σ1=σ2=σ3,即undefined

这里,中段最大弯矩用中截面弯矩代替,以避免逐次求弯矩极值,误差不大于2%。为了计算稳定和易于控制计算精度,在输入L、H、h常数后,作无量纲处理,H=0即为等截面情况,用合理的步长在计算机上试算a,b值。首先在0～0.5L或更小的给定区间内,取a初值并计算σ1,用0.618法(黄金分割法)逐次迭代,缩短区间;每取一个a值,就以σ2=σ3为目标,用进退法寻找合适的b值,并以∣σ1-σ3∣<ε(ε为给定精度)控制迭代,以尽可能少的迭代次数求得符合满意精度的两个吊点位置后,再由重心位置确定两根缆索的竖向索力分量。对于变截面构件,无法同时满足两吊索的索力相等[4]。

确定变截面构件四点吊的最佳吊点,应以合理的截面应力(若干吊点截面和构件薄弱及敏感截面)为控制目标。拱顶实腹段的吊装常用四点吊,用总和法试算能得到满足工程精度的结果[5]。

2 双人字扒杆吊装与膺架横移

某高架桥除了第一联5孔为挂篮悬浇变截面箱梁外,其余15孔均为膺架现浇等截面箱梁,长615 m(墩间净距41 m),桥面宽32 m,分左右幅(单向桥面宽为15.75 m,中间留有0.5 m空隙),墩高超过40 m。该桥位于闽江口,风大且淤泥软土层厚,因此选择全跨度桁架法施工。现浇膺架利用高墩和现有简易拆装梁构件作纵梁,拆装梁每组重60 t,在宽仅1.8 m的高墩顶上吊装和安装是件相当困难的事,塔式起重机或汽车吊等起重机械均无能为力,最后却由简单的双人字扒杆来完成,靠的就是力学原理和起重工的经验。

所谓双人字扒杆吊装设备是在墩顶装两副相同的人字扒杆,底座均锚固于墩中心(图5)。在受力上,起重杆称主杆,另一固定杆称副杆,安装一次可主、副杆互换来吊装前后两孔拆装梁。两扒杆顶部用滑轮组变幅时,能使主杆转动以改变主杆仰角,达到使梁少许纵移的目的,不仅操作方便,也易于协调[5]。

双人字扒杆两腿高度和夹角根据拆装梁的尺寸和起吊时高端进入墩顶长度而确定,副杆仰角按主杆最小和最大仰角(45°～75°)之平均值设定。扒杆底座只要顺桥方向前后卡在墩顶就能固定。扒杆结构的受力情况较为复杂,通常假定扒杆的节点铰接,扒杆的绑扎紧密,除了求长细比λ时乘以松弛系数1.1以外,不考虑其它影响,计算中只考虑风缆自重对扒杆产生的轴压力。作为一般空间力系分析,杆顶轴要承受起吊滑轮和前变幅滑轮的力,副杆顶轴要承受后锚固绳和后变幅滑轮的力,即顶轴要承受两个力的组合。双人字扒杆对墩顶的作用力包括竖直压力和水平推力。副杆后锚固绳锚固在相邻墩底承台上,比锚固在相邻墩顶,可获得更大的副杆轴压力,从而对墩顶底座产生更大的反向水平分力,抵消主杆在最不利情况下产生水平力的35%左右,故双人字扒杆在减小墩顶水平力方面极为有利。由于高架桥墩高,墩顶扒杆底座较小的水平力就会对墩底产生很大的弯矩,而桥墩厚度只有1.8 m,顺桥向承受弯矩的能力较弱,故需仔细验算扒杆水平力对墩身产生的弯矩以及桥墩本身的抗弯能力。双人字扒杆直接在运梁小车上起吊时,主杆单腿受力,故设计时以主杆单腿受力且仰角45°为最不利工况。由于只有提升、变幅两个步骤,因此吊装较平稳、安全;每个墩顶只需安装一次,就可吊装前后两孔,投入少、效率高[6]。

高速公路高架桥分左右幅单向桥,在施工中先右幅、后左幅现浇箱梁。如果使膺架在右幅浇筑完成后,纵梁不落地,浇左幅时也不必重新吊装,而是在高空中横移到位,则大大提高施工效率。实际上,如果将支承于托架上的横向桁架梁连成整体,使之成为两端伸臂多点支承的连续桁梁。作出跨中(左右两墩间)节点位移和弦杆内力影响线。横移时,膺架连同横楞和部分模架、模板原样不动(重约200 t),只需将右幅的两组膺架纵梁暂时连成整体,作为移动荷载从右向左横移。只要横向桁架强度、刚度允许,在上弦顶上铺设滑槽,同时给纵梁支座安装上滑板,然后下落纵梁,使滑板落到滑槽内就可以实现横移。

若滑槽铺四氟乙烯板,滑板表面焊不锈钢板,两者间摩阻系数为0.06,每端牵引力约6.0 t,故每端用一台10 t的链滑车,由人工倒链牵引。若槽内用油脂润滑,钢对钢的摩阻系数为0.12,则每端牵引力约12 t,宜用卷扬机牵引。横移时要适当考虑高空风荷载的作用。

应用力学原理可实现简易设备吊大梁,并创造膺架、模具整体横移新工艺。由于整体横移简化工序、节省工日、提高膺架的完好率和增加周转次数,不仅有利于施工安全,还取得明显的经济效益。

3 利用废桥现浇箱形拱

旧桥改建或重建时往往要考虑旧桥的拆除或新桥位的选定,并确定桥型及其施工方案。深入研究施工中的结构力学问题,优化施工方案,不仅保证工程顺利进行,还能取得很好的经济效益。曾有一座旧桥位于新建电站库区,为五跨石拱桥,竣工跨径分别为15.3 m,15.2 m,2×15.1 m和14.8 m,净矢跨比为f0/L0=1/5(计算矢高f0与计算跨径L0之比),拱圈厚度为60 cm,桥面总宽为5 m,两侧设安全带。该桥局部拱圈开裂,北岸桥台及第一个墩有局部沉降,桥面顶标高约为66.3 m。由于设计洄水位标高达65 m,已接近拱圈顶部,洪水季节桥面漫水,使旧桥无法正常使用,且存在安全隐患,需重建一座新桥[7]。

根据初勘选定的几个桥位的地质钻探和河床断面测量,不是发现断裂带就是必须采用深基础,只有旧桥原桥位地质状况最好,有浅埋的中风化基岩,而且河床窄,桥跨最短。几经比选后,提出在旧桥位重建新桥的设计方案。新桥桥面高,新桥台就选在旧桥台之后,采用浅挖施工,无需拆除旧桥,工程量较小。由于库区河床水深,推荐桥型方案选择单跨过河的大跨径空腹式钢筋混凝土箱形拱桥(图7),确定主拱净跨径为115 m,净矢跨比为1/7,下部构造桥台基础为明挖阶梯形扩大基础,实体式桥台基础座落在岩层上。原设计采用缆索吊装施工方案,分5段合龙。

考察现场,北岸桥头地势陡峭,施工场地狭窄,南岸则需拆迁楼房,不便设备进场和架立索塔。缆索吊装对施工条件和能力要求较高,该桥可用预制场距离又较远,要铺设从预制场到南岸桥头的专供平板车行驶的近百米临时车道,除耗资太大外,长25 m、重60 t的箱拱构件段装卸、运输、翻身、起吊也有难度。吊装施工方案不得不搁浅。架设拱架现浇施工的方案又因河床水深、支架不稳定不敢贸然实施。如果旧桥能够承受大跨度混凝土箱拱的恒载和施工活载,就可在旧桥面上搭设拱架,利用位于同一轴线上的旧桥现浇新桥。

经过对开裂拱圈处局部水箱加载试验证明其承载能力和结构分析后,提出在旧桥上分片分阶段现浇新拱桥的施工方案,即先纵向对称浇筑中箱底板,并使箱拱底板先行合龙,达到强度后形成薄圈板拱;再在底板上安装预制的腹板、支模浇筑顶板构成合龙的中箱拱圈。依此施工程序,从中箱对称扩展到边箱。待箱拱拱圈整体成型后(图8),再安装拱上建筑构件,浇注桥面。

4 结 论

实际上,由拱架立柱传给旧桥面的分布荷载很小。在底板成拱前,桥面承受拱架自重以及由拱架传递的单箱底板的恒载和部分施工活载;底板选择较低气温时合龙,生成强度后,产生对拱架的部分卸载。随着腹板的安装和合龙,以及底板的轴向弹性变形和徐变收缩,拱架又呈现承载和部分卸载的变化。在顶板浇筑成型后,单箱拱圈生成。随着边箱的施工和拱架的压缩变形,先成型的箱形拱圈对拱架逐渐卸载。由于分阶段成拱,集零为整减轻了旧桥承载。此外,旧拱桥在拱架分布荷载下的压力线比水箱荷载压力线更接近于旧桥拱轴线,因而也更能发挥石拱桥的承载能力。工程实践证明,这是一个成功的施工方案。

钢结构因自重轻、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。在钢结构设计中要充分考虑材料的优缺点,综合考虑各方面的因素,加强对结构的整体稳定、局部稳定以及平面外稳定的设计,克服结构设计缺陷,避免出现失稳破坏事故,加快钢结构应用领域的发展[8]。

参考文献

[1]陈燊,李正良.钻孔灌注桩容许承载力公式探讨[J].福州大学学报,1999(3):62-67.

[2]林志良.乌龙江二桥的主桥设计[J].公路,1997(6):6-12.

[3]王全凤.结构优化基本方法及其在高层建筑中的应用[M].厦门:厦门大学出版社,1995.

[4]陈燊.缆索吊装中的最佳吊点问题[J].浙江大学学报,1999,(增2).

[5]雷俊卿.桥梁悬臂施工与设计[M].北京:人民交通出版社,2000.

[6]向中富.桥梁施工控制技术[M].北京:人民交通出版社,2001.

[7]徐永明,李坚.大跨径预应力混凝土桥梁施工控制[C].95年预应力混凝土连续梁和连续刚构桥学术会议论文集,上海:同济大学出版社,1995年7月.

建筑钢结构稳定性设计 篇10

随着高层建筑的不断增加, 市政建设的大力发展和地下空间的开发利用, 产生了大量的深基坑支护设计与施工问题, 并使之成为当前基础工程的热点与难点。深基坑设计与施工既涉及土力学中典型的强度、稳定与变形问题, 同时还涉及土与支护结构的共同问题。对这些问题的认识及对策的研究, 是随着土力学理论、测试技术、计算技术以及施工机械、施工技术的发展而进步完善的。在大连沙河口区胜利路、白山路、高尔基路、成仁街围合地块A区、C区地块建筑工程采用的深基坑桩锚支护结构在稳定性方面取得了良好的质量效果, 可作为深基坑支护设计与施工的有效借鉴, 下面将对此进行阐述。

2 概况

2.1 工程概况

大连沙河口区胜利路、白山路、高尔基路、成仁街围合地块A区、C区地块建筑工程总建筑面积80506m2, 总占地面积约16300m2。A区地块建筑2栋, 其中A1#楼高26层、A2号楼高6层、地下室-3层, 地下深度-16.1m, 地下室面积7170m2;C区地块建筑4栋, 其中C1#楼高14层、C2#楼高37层、C3#楼高8层、C4#楼高8层, 地下室-3层, 地下深度-14.3m, 地下室面积17176m2。

A区、C区地块基坑四周采用钻孔桩结合锚索进行支护, 钻孔桩直径0.8~1.2m, 长度16.6~25m, 水下C30混凝土灌注, 桩间距1.6m, 桩顶设置1.4m×0.5m、1.2m×0.5m、1.0m×0.5m冠梁, 由于本场地地下水情况复杂, 应根据开挖后现场实际水量在基坑外围设置降水井降水。基坑竖向设置四道锚索, 锚索设置在钢腰梁上, 与围护桩形成共同作用。基坑安全等级为一级, 周边建筑物、道路、地下管线必须保证其安全。

2.2 地质条件

本基坑场地上部第四纪为杂填土、粉质粘土、碎石、强风化板岩、中风化板岩。地下水埋深5.9~9.0m, 地下水类型为第四系松散层孔隙水 (水量丰富) 、基岩裂隙水 (水量中等) 。强风化板岩、中风化板岩主要作为地基持力层, 其承载能力能满足设计要求。

3 基坑开挖前稳定性分析

根据地质勘测资料显示, 该段明挖基坑开挖, 主要位于粉质粘土层、碎石层、强风化板岩层, 部分土层自稳能力很差, 加上地下水位又较高且水量丰富, 在地下水的浸泡下很容易产生液化现象, 对基坑开挖和支护稳定造成很大的影响, 作为地基持力层, 会影响到其承载能力是否满足设计要求。

基坑开挖时, 由于应力的释放, 开挖层与基坑顶的高差必定会形成的侧压力和水平推力, 围护结构及土体极易受到这两种力的影响产生水平位移, 对周围的建筑物及管线保护造成不利, 因此开挖前需对基坑进行整体稳定性验算, 主要验算基坑开挖后支护体系的抗倾覆稳定性验算和坑底地基土抗隆起的稳定性。

3.1 基坑抗倾覆稳定性验算

抗倾覆安全系数:

Mp———被动土压力及支点力对桩底的弯矩, 对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定;对于锚杆或锚索, 支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值;

Ma———主动土压力对桩底的弯矩。

锚固力计算依据锚杆实际锚固长度计算。

Ks=1.757>1.200, 满足规范要求。

3.2 坑底地基土抗隆起验算

Prandtl (普朗德尔) 公式 (Ks≥1.1~1.2) , 注:安全系数取自《建筑基坑工程技术规范》YB9258-97:

Ks=2.097>=1.1, 满足规范要求。

经验算, 支护体系的抗倾覆稳定性验算和坑底地基土抗隆起的稳定性均满足一级基坑要求。

4 基坑稳定开挖方案与降水计算

由于该段是深基坑开挖, 基坑土层主要是粉质粘土、碎石、强风化板岩, 在没有受到水的浸泡时该土层强度会较高, 当在雨水或地下水浸湿后强度便降低, 因此为了确保施工安全, 基坑周围采取降水措施, 通过降水及时降低基坑开挖范围内土层的地下水, 满足基坑无水开挖的施工要求, 要尽量减少深基坑开挖暴露时间, 需要科学、合理、统筹安排开挖顺序。

开挖总流程为:施工前准备、降水、排水设施→第一层土开挖、锚索制安、喷浆→第二层土方开挖、锚索制安、喷浆→第三层土方开挖、锚索制安、喷浆→第四层土开挖、锚索制安、喷浆→开挖至基坑底标高喷浆, 基坑积排水设施、封底垫层施工。

4.1 A区降水计算

(1) 基坑总涌水量采用块状基坑出水量公式计算:

式中:Q-基坑总涌水量 (m3/d) ;k-渗透系数 (m/d) , 取k=22m/d;S-设计降深 (m) , S=15-6.9=8.1m;H-含水层厚度 (m) , 即静止水位至基岩面的距离, 取H=15-6.9=8.1m;R-影响半径 (m) , 取R=38m;r0-基坑等效半径 (m) , 矩形基坑;A-基坑面积 (m2) ;2944m2。

(2) 单井理论出水量计算

单井的出水量q (m3/d) 按下述管井经验公式计算:

式中:rs-过滤器半径 (m) , 本工程管井管直径0.6m, rs=0.3;l-过滤器进水部分长度 (m) , 即长度为2.4m;

(3) 水泵选择

根据基坑涌水量、单井出水量的计算结果及设计降深, 选用NSQ30-30-7.5型潜水泥浆泵。水泵流量不小于36m3/h, 扬程不小于29m, 电机功率7.5k W, 日抽水量为36×24=864m3/d。抽水过程中, 每井一台潜水泥浆泵, 带吸水铸铁管或胶管, 配上一个控制井内水位的自动开关, 在井口安装75mm阀门以便调节流量的大小, 阀门用夹板固定, 井点系统并预留2~4台潜水泥浆泵备用。

(4) 降水井数量计算

计算公式为:

式中:Q-基坑总涌水量;q-单井出水量, 由于水泵出水量高于管井理论出水量, 以理论出水量为准计算, 取q=760.56m3/d;

即n取9>8.87时满足降水井数量要求。

(5) 降水井深度

其中:Hw1表示基坑深度, 取15.00m;Hw2表示降水位距离基坑底的深度, 取1.00m;Hw3表示降水期间地下水位变幅, 取2m;Hw4表示滤管长度, 取2.40m;Hw5表示沉沙管长度, 取2.50m。

4.2 C区降水计算

(1) 基坑总涌水量:

(2) 单井理论出水量:

(3) 水泵选择

根据基坑涌水量、单井出水量的计算结果及设计降深, 选用NSQ30-30-7.5型潜水泥浆泵。水泵流量不小于30m3/h, 扬程不小于30m, 电机功率7.5k W, 日抽水量为30×24=720m3/d。抽水过程中, 每井一台潜水泥浆泵, 带吸水铸铁管或胶管, 配上一个控制井内水位的自动开关, 在井口安装75mm阀门以便调节流量的大小, 阀门用夹板固定, 井点系统并预留2~4台潜水泥浆泵备用。

(4) 降水井数量计算

计算公式为:

即n取15>14.1时满足降水井数量要求。

(5) 降水井深度

5 施工工艺稳定性措施

5.1 基坑降、排水措施

开挖前, A区基坑采用9个大口径井点、C区基坑采用15个大口径井点降水至最终基坑面1m以下, 为了防止地表水流入基坑, 在靠围护桩外侧设置截水沟, 每隔20m左右设一集水井。

5.2 基坑挖土

基坑在右侧设一6m宽的出土便道, 便道坡道按15%设置, 由于开挖基坑达16m深, 便道总长约100m, 因受两侧场地限制, 靠近基坑50m长的便道需设置围护桩结合锚索加固支护, 为确保基坑安全, 必须控制每层开挖深度和暴露时间, 开挖16m深共分为4个层, 每层开挖垂直深度暂定为4.0m, 现场具体开挖深度以每道锚索位置为准, 以便于锚索的施工安装;每层开挖完成后立即进行网喷混凝土支护, 再进行锚索支护。

5.3 预应力锚索施工

锚索设计水平间距1.6m, 竖向间距4.0m, 长度12~32m;锚索施工流程见图4。

5.3.1 锚索钻孔

根据锚固地层的类别、锚孔孔径、锚孔深度、以及施工场地条件等选择采用潜孔冲击式钻机, 孔位误差不得超过±50mm, 钻孔孔径、孔深要求不得小于设计值;为确保锚孔直径和深度, 要求实际使用钻头直径不得小于设计孔径、实际钻孔深度大于设计深度0.5m以上;钻进达到设计深度后, 不能立即停钻, 要求稳钻1~2min, 防止孔底尖灭。

5.3.2 锚索制作及安装

钢绞线采用高强度低松弛无粘结预应力钢绞线, 安装前要确保每根钢绞线顺直, 不扭不叉、排列均匀, 除锈、除油污, 对有死弯、机械损伤及锈坑处剔出;钢绞线沿锚索体轴线方向每1.0~1.5m设置一架线环, 保证锚索体保护层厚度不小于20mm。

5.3.3 注浆

采用排气注浆, 注浆管插至孔底, 砂浆由孔底注入, 空气由锚索孔排出;锚索灌浆材料采用强度不低于25MPa的水泥浆, 注浆材料宜采用水灰比为0.4~0.45的纯水泥浆, 注浆压力宜为0.5~1.5MPa;二次高压注浆宜使用水灰比为0.45~0.50的纯水泥浆, 注浆压力宜为2.0~3.0MPa;注浆结束后, 将注浆管、注浆枪和注浆套管清洗干净, 同时做好注浆记录。

5.3.4 锚索钢腰梁制作安装

桩-锚体系防护是以钢围囹作为锚索梁, 钢垫垫板置在钢围囹腰梁上, 方向与锚孔方向一致, 垫板与腰梁间要紧密贴紧, 尺寸厚度要满足要求, 钢围囹腰梁采用2根32c型组合工字钢焊接而成, 与锚索的倾斜角度一致。

5.3.5 锚索的张拉

当注浆体达到设计强度80%后, 一般为7d, 进行锚索张拉, 锚索张拉采用OVM15-3锚具, 张拉锚索前需对张拉设备进行标定, 张拉应按设计要求的预加力进行张拉, 张拉前钢围囹应与围护桩密贴防止张拉后锚索预应力损失;张拉完并测定预应力无损失时可进行封锚, 否则, 必须进行补张拉;张拉后, 立即进行封孔注浆, 封孔注浆后, 从锚具量起留5Omm钢绞线, 其余的部分截去, 在其外部包覆厚度不小于50mm的C25细石混凝土。

5.3.6 挂网喷浆

在围护桩侧应及时喷浆, 以保持围护桩间土体的稳定, 在围护桩间土体如是砂层或土质较差部位应采用挂网喷浆, 应采用湿喷确保喷浆质量, 桩间如有渗水部位应及时安装PVC管引水。

6 监控量测

在深基坑开挖过程中监测是非常重要的项目, 根据监测资料能够及时发现问题, 调整施工进度和方法, 确保基坑围护的质量和安全;监测内容主要有:

(1) 水平垂直位移监测:主要用于观测围护桩桩顶及邻近建筑物的水平位移。C2区共有11个基坑水平位移监测点及11个基坑垂直位移监测点, C3区共有18个基坑水平移监测点及18个基坑垂直位移监测点。另外在C2、C3区之间的国税局大楼上设置了6个沉降观测点。

(2) 锚索拉力监测:锚索监测点纵横向每隔10m设一个监测点, 锚索张拉前, 在垫板处安装锚索应力传感器, 然后在锚索应力传感器外安装锚头进行张拉锁定, 用于观测基坑开挖过程中锚索拉力的变化, 以及时控制锚索的施工质量。

(3) 地下水位监测:在基坑外典型及重点部位布置地下水位观测井, 监测坑外地下水位的波动情况, 在整个基坑开挖期间定期观测井下水位。

(4) 测斜监测:观测基坑开挖过程中围护桩桩身和土体的位移, 该项目在基坑四周围护桩内预埋一定数量的测斜管。

7 结束语

通过对各个工序的有效控制, 确保深基坑在施工过程中的安全稳定, 经观测, 最终基坑顶最大位移量控制在20mm左右, 符合设计规范变化累计变化不超过48mm (0.3%H) 要求, 基坑周围建筑物、道路是稳定的, 监测点最大累计沉降量为4mm, 均在安全范围内。大连沙河口区胜利路、白山路、高尔基路、成仁街围合地块A区、C区地块建筑工程采用的深基坑桩锚支护结构施工质量受到建设单位和监理单位的一致肯定和好评, 取得了良好的技术经济效益和社会效益, 深基坑桩锚支护结构技术具有广泛的应用前景。

摘要：建筑深基坑钻孔灌注桩+锚索支护结构是将受拉杆件的一端固定在开挖基坑的稳定地层中, 另一端与围护桩相联的基坑支护体系, 它是在岩石锚杆理论研究比较成熟的基础上发展起来的一种挡土结构, 本文主要对大连沙河口区胜利路、白山路、高尔基路、成仁街围合地块A区、C区地建筑工程采用的深基坑桩锚支护结构进行稳定性研究。

关键词：桩锚支护结构,深基坑工程,稳定性研究

参考文献

[1]建设部.《建筑基坑支护技术规范》 (JGJ120-99) .中国建筑工业出版社, 1999, 9.

[2]《建筑基坑支护技术规程》 (JGJ120-99) .

[3]中冶集团建筑研究总院.《岩土锚杆 (索) 技术规程》 (CECS22:2005) .中国计划出版社, 2005, 8.

[4]刘建航, 侯学渊.《基坑工程手册》 (第一版) .中国建筑工业出版社, 1997, 4.

[5]龚晓南.《深基坑工程设计施工手册》 (第一版) .中国建筑工业出版社, 1998, 7.

[6]丁勇春, 王建华, 徐中华.上海软图地区某深基坑施工监测分析[J].西安建筑科技大学学报 (自然科学版) , 2007, 39 (3) :333~338.