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[摘 要]随着我国城市化进程的不断推进，经济实力的进一步增强和技术水平的不断提高，钢结构框架体系必将越来越广泛地应用，成为我国主要结构体系之一。本文对建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点的相关内容进行了探讨，旨在提供一定的参考与借鉴。
[关键词]建筑工程 钢结构 稳定性 设计
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0074-02
1 工程概况
某15层钢框架结构住宅标准层建筑平面图，建筑平面尺寸为34×11.7m，层高均为3.0m，室内外高差均为0.3m，建筑总高度为45.3m。下图1为工程结构平面图。
该建筑场地为II类。设计年限按n=50年考虑，基本风压为0.40kN/㎡，抗震设防烈度为7度（0.1g），设计地震分组为第一组。楼板采用压型钢板混凝土组合楼盖。模型横向抗侧力结构选用框架结构，横向框架梁与柱刚接。框架柱、梁承受的荷载都比较大，故在材料选用时应优先考虑强度较高的钢材，本工程柱子和主梁采用Q345钢材，查《热轧H型钢和部分T型钢》（GB/T11263），材料性能应满足《低合金高强度结构钢》（GB/T1591）的要求。
2 建筑工程中钢结构设计方案分析
2.1 结构布置方案
根据建筑方案进行了结构布置，结构体系选型为钢框架结构。且水平和竖向规则，没有大的刚度突变，可以采用横向承重方案，时结合建筑的使用功能要求进行次梁的布置；此外，楼板的跨度本建筑平面为狭长形，即主梁沿横向布置，同（次梁间距）不宜过大且宜尽量保持跨内弯矩的传递平衡、均匀。
2.2 荷载及工况
结构体系中的恒活荷载取值按照《建筑结构荷载规范GB50009-2001规定，计算如下表1：
該建筑的外墙墙面板采用胶合板加石膏板的组合墙面，其余墙体的墙面板均采用石膏板墙面。
风荷载取值按照《建筑结构荷载规范》GB50009-2001规定：该地区地面粗糙度为C类，考虑50年一遇的基本风压。地震荷载按照《建筑抗震设计规范》GB50011-2001规定的抗震设防烈度7度、第一组、II类场地的地震影响系数计算，设计基本地震加速度值为O.1Og，水平地震影响系数取为，特征周期值，阻尼比取为。计算中考虑水平地震下结构的平扭耦合作用，但不考虑竖向地震作用。
2.3 结构设计结果
根据建筑方案的特点进行了结构设计，在初步拟定构件尺寸的前提下，计算了结构在竖向荷载、风荷载及水平地震作用下的内力、竖向、侧向位移和自振周期特性，并验算了结构的剪重比、位移比、周期比、整体稳定性、抗倾覆性等。在考虑到结构安全性和经济性的同时，经过不断调整，最后确定的结构的梁柱构件截面尺寸见表2。
3 建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点
针对上述钢结构设计方案，先采用ANSYS建模对稳定性影响因素与设计要点进行讨论。
3.1 框架柱尺寸对结构整体稳定性的影响
建筑结构的梁柱构件塑性区主要集中在柱子中，且底部柱子尤为明显，因而可增加柱子的截面尺寸研究框架柱对结构整体稳定性的影响。建立结构模型M1（截面尺寸350×300×10×10mm），M2（截面尺寸350×250×10×10mm）， M3（截面尺寸400×400×10×10mm），对柱子的截面进行调整，结构布置以及其余构件截面均与M1相同。
从荷载位移曲线斜率可知，增加框架柱的截面尺寸，提高了结构X， Y方向的抗侧移刚度，减小了结构在相同荷载水平作用下的侧移。M2在极限荷载作用下，X方向最大位移为91.6mm，Y方向的最大位移为527.7mm，较M1 Y方向的位移有所减小，X方向位移变化不大。这是因为M2的框架柱截面略大于M1的截面尺寸，结构抗侧刚度提高幅度有限，因而结构侧移减小并不明显，但是结构的极限承载能力有一定的提高；M3在极限荷载作用下，X方向最大位移为96.9mm，Y方向最大位移为622.1mm，比M4分别增大了8%和15.8%，而极限荷载比M1增大了33%。可见，增加框架柱的截面尺寸，能有效的提高结构的极限承载力，且在极限荷载作用下，钢框架结构体系具有较好的延性。
3.2 高宽比对结构整体稳定性的影响
为了研究高宽比对高层钢框架结构体系整体稳定性能的影响，本节以基本模型为参照，分别建立12层（M4，高宽比3.5），18层（M5，高宽比4.5），20层（M6，高宽比5.0）钢框架结构模型，分别对这些模型进行全过程整体稳定性分析，研究高宽比对结构整体稳定性能的影响。
比较分析结果可知，随着高宽比的增加，结构的极限承载能力降低，且X，Y方向的最大位移明显增大，这是因为随着建筑物的层数增加，结构在水平荷载作用下的二阶效应也相继增大，这使得结构构件的“软化”进程加快，降低结构的极限承载力；且随着建筑高度的增加，结构的稳定性下降，抗倾覆能力也变弱。结构在失稳之前都具有较大位移及变形，说明结构在极限荷载作用下具有很好的延性。
3.3 不同抗侧力体系对结构整体稳定性的影响
本节研究横向、纵向支撑对结构整体稳定性的影响，另建立两个模型M7（TIME0.82745，6.62倍基本荷载）， M8（TIME0.72943，5.84倍基本荷载）。模型M7是在结构横向AB，CD跨设置支撑，模型M8是在结构纵向设置支撑，支撑均为H型钢。
高层钢框架结构设置横向支撑后，结构极限承载力有较大幅度提高的同时，Y方向的最大位移也显著减小，仅为基本模型M1的69%。X方向与Z方向的位移变化较小；结构设置纵向支撑，未对极限承载力产生明显影响，结构X方向的最大位移有所减小，但由于结构X方向的整体刚度本身就很大，侧移也较小，增加支撑后未明显提高结构整体刚度，因而该结构设置纵向支撑意义不大；横向支撑的设置，能提高结构整体横向刚度，提高结构的极限承载力，且能很好的控制横向侧移。
3.4 楼层高度对结构整体稳定性的影响
为研究层高对结构整体稳定性能的影响，建立模型M9（层高2.8m，高度45m）， M10（层高3.3m，高度50m），对其进行整体稳定性分析。建筑方案与基本模型M1布置相同。
分析结构荷载位移曲线图结果，M9与基本模型M1相比，层高减小6.7 %，极限承载力提高7.0%。极限荷载作用下，各方向最大位移有所减小；M10与基本模型M1相比，层高增加0.3m，极限承载力降低14.8%。
层高是影响结构楼层刚度的重要因素，随着层高的改变，结构楼层刚度相应改变。因而M9极限承载力较基本模型M1有一定提高，极限荷载下结构水平方向最大位移减小；M10层高较M1增加10%，故其结构刚度降低，X，Y方向最大位移增加，极限承载能力也显著降低。
参考文献
[1]高超.钢结构稳定性的数值分析研究[D].武汉理工大学，2011.
[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，2014，03：142-144.
[关键词]建筑工程 钢结构 稳定性 设计
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0074-02
1 工程概况
某15层钢框架结构住宅标准层建筑平面图，建筑平面尺寸为34×11.7m，层高均为3.0m，室内外高差均为0.3m，建筑总高度为45.3m。下图1为工程结构平面图。
该建筑场地为II类。设计年限按n=50年考虑，基本风压为0.40kN/㎡，抗震设防烈度为7度（0.1g），设计地震分组为第一组。楼板采用压型钢板混凝土组合楼盖。模型横向抗侧力结构选用框架结构，横向框架梁与柱刚接。框架柱、梁承受的荷载都比较大，故在材料选用时应优先考虑强度较高的钢材，本工程柱子和主梁采用Q345钢材，查《热轧H型钢和部分T型钢》（GB/T11263），材料性能应满足《低合金高强度结构钢》（GB/T1591）的要求。
2 建筑工程中钢结构设计方案分析
2.1 结构布置方案
根据建筑方案进行了结构布置，结构体系选型为钢框架结构。且水平和竖向规则，没有大的刚度突变，可以采用横向承重方案，时结合建筑的使用功能要求进行次梁的布置；此外，楼板的跨度本建筑平面为狭长形，即主梁沿横向布置，同（次梁间距）不宜过大且宜尽量保持跨内弯矩的传递平衡、均匀。
2.2 荷载及工况
结构体系中的恒活荷载取值按照《建筑结构荷载规范GB50009-2001规定，计算如下表1：
該建筑的外墙墙面板采用胶合板加石膏板的组合墙面，其余墙体的墙面板均采用石膏板墙面。
风荷载取值按照《建筑结构荷载规范》GB50009-2001规定：该地区地面粗糙度为C类，考虑50年一遇的基本风压。地震荷载按照《建筑抗震设计规范》GB50011-2001规定的抗震设防烈度7度、第一组、II类场地的地震影响系数计算，设计基本地震加速度值为O.1Og，水平地震影响系数取为，特征周期值，阻尼比取为。计算中考虑水平地震下结构的平扭耦合作用，但不考虑竖向地震作用。
2.3 结构设计结果
根据建筑方案的特点进行了结构设计，在初步拟定构件尺寸的前提下，计算了结构在竖向荷载、风荷载及水平地震作用下的内力、竖向、侧向位移和自振周期特性，并验算了结构的剪重比、位移比、周期比、整体稳定性、抗倾覆性等。在考虑到结构安全性和经济性的同时，经过不断调整，最后确定的结构的梁柱构件截面尺寸见表2。
3 建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点
针对上述钢结构设计方案，先采用ANSYS建模对稳定性影响因素与设计要点进行讨论。
3.1 框架柱尺寸对结构整体稳定性的影响
建筑结构的梁柱构件塑性区主要集中在柱子中，且底部柱子尤为明显，因而可增加柱子的截面尺寸研究框架柱对结构整体稳定性的影响。建立结构模型M1（截面尺寸350×300×10×10mm），M2（截面尺寸350×250×10×10mm）， M3（截面尺寸400×400×10×10mm），对柱子的截面进行调整，结构布置以及其余构件截面均与M1相同。
从荷载位移曲线斜率可知，增加框架柱的截面尺寸，提高了结构X， Y方向的抗侧移刚度，减小了结构在相同荷载水平作用下的侧移。M2在极限荷载作用下，X方向最大位移为91.6mm，Y方向的最大位移为527.7mm，较M1 Y方向的位移有所减小，X方向位移变化不大。这是因为M2的框架柱截面略大于M1的截面尺寸，结构抗侧刚度提高幅度有限，因而结构侧移减小并不明显，但是结构的极限承载能力有一定的提高；M3在极限荷载作用下，X方向最大位移为96.9mm，Y方向最大位移为622.1mm，比M4分别增大了8%和15.8%，而极限荷载比M1增大了33%。可见，增加框架柱的截面尺寸，能有效的提高结构的极限承载力，且在极限荷载作用下，钢框架结构体系具有较好的延性。
3.2 高宽比对结构整体稳定性的影响
为了研究高宽比对高层钢框架结构体系整体稳定性能的影响，本节以基本模型为参照，分别建立12层（M4，高宽比3.5），18层（M5，高宽比4.5），20层（M6，高宽比5.0）钢框架结构模型，分别对这些模型进行全过程整体稳定性分析，研究高宽比对结构整体稳定性能的影响。
比较分析结果可知，随着高宽比的增加，结构的极限承载能力降低，且X，Y方向的最大位移明显增大，这是因为随着建筑物的层数增加，结构在水平荷载作用下的二阶效应也相继增大，这使得结构构件的“软化”进程加快，降低结构的极限承载力；且随着建筑高度的增加，结构的稳定性下降，抗倾覆能力也变弱。结构在失稳之前都具有较大位移及变形，说明结构在极限荷载作用下具有很好的延性。
3.3 不同抗侧力体系对结构整体稳定性的影响
本节研究横向、纵向支撑对结构整体稳定性的影响，另建立两个模型M7（TIME0.82745，6.62倍基本荷载）， M8（TIME0.72943，5.84倍基本荷载）。模型M7是在结构横向AB，CD跨设置支撑，模型M8是在结构纵向设置支撑，支撑均为H型钢。
高层钢框架结构设置横向支撑后，结构极限承载力有较大幅度提高的同时，Y方向的最大位移也显著减小，仅为基本模型M1的69%。X方向与Z方向的位移变化较小；结构设置纵向支撑，未对极限承载力产生明显影响，结构X方向的最大位移有所减小，但由于结构X方向的整体刚度本身就很大，侧移也较小，增加支撑后未明显提高结构整体刚度，因而该结构设置纵向支撑意义不大；横向支撑的设置，能提高结构整体横向刚度，提高结构的极限承载力，且能很好的控制横向侧移。
3.4 楼层高度对结构整体稳定性的影响
为研究层高对结构整体稳定性能的影响，建立模型M9（层高2.8m，高度45m）， M10（层高3.3m，高度50m），对其进行整体稳定性分析。建筑方案与基本模型M1布置相同。
分析结构荷载位移曲线图结果，M9与基本模型M1相比，层高减小6.7 %，极限承载力提高7.0%。极限荷载作用下，各方向最大位移有所减小；M10与基本模型M1相比，层高增加0.3m，极限承载力降低14.8%。
层高是影响结构楼层刚度的重要因素，随着层高的改变，结构楼层刚度相应改变。因而M9极限承载力较基本模型M1有一定提高，极限荷载下结构水平方向最大位移减小；M10层高较M1增加10%，故其结构刚度降低，X，Y方向最大位移增加，极限承载能力也显著降低。
参考文献
[1]高超.钢结构稳定性的数值分析研究[D].武汉理工大学，2011.
[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，2014，03：142-144.