淺談鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

李建哲　曹德勝

摘 要：目前，鋼結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)過的失穩(wěn)事故都是由于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的穩(wěn)定性能不夠清楚，對(duì)如何保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定缺少明確概念，造成一般性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不應(yīng)有的薄弱環(huán)節(jié)。另一方面是由于新型結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，如空間網(wǎng)架，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等，設(shè)計(jì)者對(duì)其如何設(shè)計(jì)還沒有完全的了解。本文針對(duì)這些問題提出了在設(shè)計(jì)中應(yīng)該明確在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)中的一些基本概念，以及對(duì)新型鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究應(yīng)該了解的一些問題并且應(yīng)該懂得如何解決這些問題。只有這樣我們?cè)谠O(shè)計(jì)中才能更好處理鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)的一個(gè)突出問題。在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)中，都會(huì)遇到穩(wěn)定問題。對(duì)于這個(gè)問題處理不好，將會(huì)造成不應(yīng)有的損失。

1 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的基本概念

1.1 強(qiáng)度與穩(wěn)定的區(qū)別[2]

強(qiáng)度問題是指結(jié)構(gòu)或者單個(gè)構(gòu)件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載所引起地最大應(yīng)力（或內(nèi)力）是否超過建筑材料的極限強(qiáng)度，因此是一個(gè)應(yīng)力問題。極限強(qiáng)度的取值取決于材料的特性，對(duì)混凝土等脆性材料，可取它的最大強(qiáng)度，對(duì)鋼材則常取它的屈服點(diǎn)。穩(wěn)定問題則與強(qiáng)度問題不同，它主要是找出外荷載與結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力間的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，即變形開始急劇增長(zhǎng)的狀態(tài)，從而設(shè)法避免進(jìn)入該狀態(tài)，因此，它是一個(gè)變形問題。如軸壓柱，由于失穩(wěn)，側(cè)向撓度使柱中增加數(shù)量很大的彎矩，因而柱子的破壞荷載可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它的軸壓強(qiáng)度。顯然，軸壓強(qiáng)度不是柱子破壞的主要原因。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的分類[1]

第一類穩(wěn)定問題或者具有平衡分岔的穩(wěn)定問題（也叫分支點(diǎn)失穩(wěn)）。完善直桿軸心受壓時(shí)的屈曲和完善平板中面受壓時(shí)的屈曲都屬于這一類。第二類穩(wěn)定問題或無平衡分岔的穩(wěn)定問題（也叫極值點(diǎn)失穩(wěn)）。由建筑鋼材做成的偏心受壓構(gòu)件，在塑性發(fā)展到一定程度時(shí)喪失穩(wěn)定的能力，屬于這一類。

躍越失穩(wěn)是一種不同于以上兩種類型，它既無平衡分岔點(diǎn)，又無極值點(diǎn)，它是在喪失穩(wěn)定平衡之后跳躍到另一個(gè)穩(wěn)定平衡狀態(tài)。區(qū)分結(jié)構(gòu)失穩(wěn)類型的性質(zhì)十分重要，這樣才有可能正確估量結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力。隨著穩(wěn)定問題研究的逐步深入，上述分類看起來已經(jīng)不夠了。設(shè)計(jì)為軸心受壓的構(gòu)件，實(shí)際上總不免有一點(diǎn)初彎曲，荷載的作用點(diǎn)也難免有偏心。因此，我們要真正掌握這種構(gòu)件的性能，就必須了解缺陷對(duì)它的影響，其他構(gòu)件也都有個(gè)缺陷影響問題。另一方面就是深入對(duì)構(gòu)件屈曲后性能的研究。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

根據(jù)穩(wěn)定問題在實(shí)際設(shè)計(jì)中的特點(diǎn)提出了以下三項(xiàng)原則并具體闡明了這些原則，以更好地保證鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)中構(gòu)件不會(huì)喪失穩(wěn)定。

結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個(gè)體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求。目前結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計(jì)的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決，亦即設(shè)計(jì)必要的支撐構(gòu)件。這就是說，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計(jì)算必須和結(jié)構(gòu)布置相一致。就如上述的1988年加拿大一停車場(chǎng)的屋蓋結(jié)構(gòu)塌落，1985年土耳其某體育場(chǎng)看臺(tái)屋蓋塌落，這兩次事故都和沒有設(shè)置適當(dāng)?shù)闹味斐沙銎矫媸Х€(wěn)。由平面桁架組成的塔架，基于同樣原因，需要注意桿件的穩(wěn)定和橫隔設(shè)置之間的關(guān)系。

結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖和實(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡(jiǎn)圖相一致，這對(duì)框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算十分重要[3]。

目前任設(shè)計(jì)單層和多層框架結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)常不作框架穩(wěn)定分折而是代之以框架柱的穩(wěn)定計(jì)算。在采用這種方法時(shí)，計(jì)算框架柱穩(wěn)定時(shí)用到的柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，自應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出，才能使柱穩(wěn)定計(jì)算等效于框架穩(wěn)定計(jì)算。然而，實(shí)際框架多種多樣，而設(shè)計(jì)中為了簡(jiǎn)化計(jì)算工作，需要設(shè)定一些典型條件。GBJl7-88規(guī)范對(duì)單層或多層框架給出的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù) 采用了五條基本假定，其中包括："框架中所有柱子是同時(shí)喪失穩(wěn)定的，即各柱同時(shí)達(dá)到其臨界荷載"。按照這條假定，框架各柱的穩(wěn)定參數(shù)桿件穩(wěn)定計(jì)算的常用方法，往往是依據(jù)一定的簡(jiǎn)化假設(shè)或者典型情況得出的，設(shè)計(jì)者必須確知所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)符合這些假設(shè)時(shí)才能正確應(yīng)用。在實(shí)際工程中，框架計(jì)算簡(jiǎn)圖和實(shí)用方法所依據(jù)的簡(jiǎn)圖不一致的情況還可舉出以下兩種，即附有搖擺拄的框架和橫梁受有較大壓力的框架。這兩種情況若按規(guī)范的系數(shù)計(jì)算，都會(huì)導(dǎo)致不安全的后果。所以所用的計(jì)算方法與前提假設(shè)和具體計(jì)算對(duì)象應(yīng)該相一致。

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算必須相互配合，使二者有一致性。結(jié)構(gòu)計(jì)算和構(gòu)造設(shè)計(jì)相符合，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大家都注意的問題。對(duì)要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點(diǎn)連接，應(yīng)分別賦與它足夠的剛度和柔度，對(duì)桁架節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量減少桿件偏心這些都是設(shè)計(jì)者處理構(gòu)造細(xì)部時(shí)經(jīng)常考慮到的。

1.4 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)特點(diǎn)

失穩(wěn)和整體剛度:現(xiàn)行規(guī)范通用的軸心壓桿的穩(wěn)定計(jì)算法是臨界壓力求解法和折減系數(shù)法。

穩(wěn)定性整體分析： 桿件能否保持穩(wěn)定牽涉到結(jié)構(gòu)的整體。穩(wěn)定分析必須從整體著眼。穩(wěn)定計(jì)算的其它特點(diǎn)：在彈性穩(wěn)定計(jì)算中，除了需要考慮結(jié)構(gòu)的整體性外，還有一些其他特點(diǎn)需要引起重視，首先要做的就是二階分析，這種分析對(duì)柔性構(gòu)件尤為重要，這是因?yàn)槿嵝詷?gòu)件的大變形量對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生了不能忽視的影響，其次，普遍用于應(yīng)力問題的迭加原理．在彈性穩(wěn)定計(jì)算中不能應(yīng)用。這是因?yàn)榈釉淼膽?yīng)用應(yīng)以滿足以下條件為前提：材料服從虎克定律變成正比；結(jié)構(gòu)的變形很小。

而彈性穩(wěn)定計(jì)算一般均不能滿足第2個(gè)條件，非彈性穩(wěn)定計(jì)算則兩個(gè)前提都不符合。了解了一些在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該明確的一些基本概念，有助于我們?cè)谠O(shè)計(jì)中更好地處理穩(wěn)定方面的問題，隨著新型鋼結(jié)構(gòu)體系地不斷發(fā)展，我們對(duì)穩(wěn)定問題的研究要求也不斷地提高，之所以在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題，另一個(gè)重要原因就是我們對(duì)新型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定知之甚少，也就是目前鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定研究中存在的問題。

2 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究中存在的問題

鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性研究雖然取得了一定的進(jìn)展，但也存在一些不容忽視的問題：目前在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究中，梁-柱單元理論已成為主要的研究工具。但梁-柱單元是否能真實(shí)反映網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)還很難說，雖然有學(xué)者對(duì)梁-柱單元進(jìn)行過修正[3]。主要問題在于如何反映軸力和彎矩的耦合效應(yīng)。

在大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的相互關(guān)系也是一個(gè)值得探討的問題，目前大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中取一個(gè)統(tǒng)一的穩(wěn)定安全系數(shù)，未反映整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)性。預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定設(shè)計(jì)理論還很不完善，目前還沒有一個(gè)完整合理的理論體系來分析預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性。

鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性研究中存在許多隨機(jī)因素的影響，目前結(jié)構(gòu)隨機(jī)影響分析所處理的問題大部分局限于確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)、隨機(jī)荷載輸入這樣一個(gè)格局范圍，而在實(shí)際工程中，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性，會(huì)引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)的顯著差異。所以應(yīng)著眼于考慮隨機(jī)參數(shù)的結(jié)構(gòu)極值失穩(wěn)、干擾型屈曲、跳躍型失穩(wěn)問題的研究。

一般情況下把影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨機(jī)因素分為三類： 物理、幾何不確定性：如材料（彈性模量，屈服應(yīng)力，泊松比等）、桿件尺寸、截面積、殘余應(yīng)力、初始變形等。統(tǒng)計(jì)的不確定性：在統(tǒng)計(jì)與穩(wěn)定性有關(guān)的物理量和幾何量時(shí)，總是根據(jù)有限樣本來選擇概率密度分布函數(shù),因此帶來一定的經(jīng)驗(yàn)性。這種不確定性稱為統(tǒng)計(jì)的不確定性，是由于缺乏信息造成的。模型的不確定性：為了對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，所提的假設(shè)、數(shù)學(xué)模型、邊界條件以及目前技術(shù)水平難以在計(jì)算中反映的種種因素，所導(dǎo)致的理論值與實(shí)際承載力的差異，都?xì)w結(jié)為模型的不確定性。

以上都是鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)中存在的問題，只有我們進(jìn)一步地深入研究這些穩(wěn)定，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論將會(huì)進(jìn)一步完善，如對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)中涉及到隨機(jī)因素的影響，國(guó)外已經(jīng)引入了鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的可靠度設(shè)計(jì)，這也表明了鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)理論也在不斷的完善。

結(jié)束語

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題區(qū)別于強(qiáng)度問題。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該明確知道結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性能，以免在設(shè)計(jì)過程中發(fā)生不必要的失穩(wěn)損失。針對(duì)上述問題，本文提出了在設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員應(yīng)該明確的一些基本概念；其次，隨著新型結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員對(duì)其性能認(rèn)識(shí)的不足，從而導(dǎo)致構(gòu)件的失穩(wěn),本文就這個(gè)問題闡述了新型結(jié)構(gòu)現(xiàn)存的一些問題，并且針對(duì)一些問題論述了產(chǎn)生的原因?？傊?，只有深入了解這些問題，才會(huì)使得鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論設(shè)計(jì)不斷地完善。

參考文獻(xiàn)

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