淺談鋼結(jié)構(gòu)體系

周芊

【摘要】近幾年來，隨著國家建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)體系在建筑結(jié)構(gòu)及海洋工程中的應(yīng)用越來越廣泛，與此同時(shí)對鋼結(jié)構(gòu)的研究隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步也越來越深入。在鋼結(jié)構(gòu)體系中失穩(wěn)破壞最具代表性，帶來的損失也最大，作者在參與和主持了多次對鋼結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)工作后 對目前鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性研究、計(jì)算的現(xiàn)狀和未來趨勢做出了一些歸納及總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)； 鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性； 鋼結(jié)構(gòu)體系可靠性

一、鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

（一）鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

近二三十年來，高強(qiáng)度鋼材的使用，施工技術(shù)的發(fā)展以及電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用使鋼結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展和廣泛應(yīng)用成為可能。鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性一直是國內(nèi)外學(xué)者們關(guān)注的研究領(lǐng)域。經(jīng)過幾十年的研究，已取得不少研究成果。迄今為止，對鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的理論問題的研究已較多，基于各種數(shù)值分析的穩(wěn)定分析已較成熟。但對構(gòu)件整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的相互作用的理論和設(shè)計(jì)應(yīng)用上還有待進(jìn)行深入的研究。

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)越來越廣泛地應(yīng)用到建筑及海洋工程結(jié)構(gòu)上，但由于其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的原因整體網(wǎng)殼較易破壞變形造成經(jīng)濟(jì)損失。由于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)破壞的重要原因，所以網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是一個(gè)非常重要的問題，正確地進(jìn)行網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)尤其是單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)是保證網(wǎng)殼的安全性的關(guān)鍵。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的非線性穩(wěn)定性分析一直是國內(nèi)外學(xué)者們研究與注意的焦點(diǎn)，一般利用隨機(jī)缺陷模態(tài)法和一致缺陷模態(tài)法兩種方法對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)各種初始缺陷的影響進(jìn)行研究，基本能描述結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)過程。但對于像網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)這類缺陷性敏感結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)和地震作用下的動(dòng)力穩(wěn)定性研究，由于涉及穩(wěn)定理論和振動(dòng)理論，所以難度較大，目前研究成果還很有限。

大跨度網(wǎng)架拱結(jié)構(gòu)是一種新的大跨度結(jié)構(gòu)，由于大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系的可靠性研究涉及較多的力學(xué)和數(shù)學(xué)的知識(shí)，有一定難度，目前其穩(wěn)定性方面的研究成果很少。非線性有限元理論對大跨度網(wǎng)架拱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了全過程跟蹤，得出一些具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論。斜拉空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是一種新型的雜交空間結(jié)構(gòu)，目前對其研究的深度和廣度還很有限。對于斜拉單層網(wǎng)殼的穩(wěn)定性，已有研究將網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對柱子的支撐作用及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對斜拉索在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)平面的約束簡化為等效彈簧，對柱子的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，得出了一些有益的結(jié)論。預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系也是目前應(yīng)用越來越多的一種新型結(jié)構(gòu)體系。這種體系的系統(tǒng)理論研究在很大程度上滯后于實(shí)際應(yīng)用，特別是預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性的研究未引起足夠重視，研究成果還十分有限。預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系的初始平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性必須引起足夠的重視，預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)體系在工作狀態(tài)外荷載的作用下也可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算中可使用直接驗(yàn)算法和穩(wěn)定設(shè)計(jì)法，對結(jié)構(gòu)的體系性質(zhì)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性法進(jìn)行計(jì)算，為進(jìn)一步研究提供理論指導(dǎo)。另外，也有學(xué)者從整體穩(wěn)定的角度對鋼框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題進(jìn)行了研究，得出了一些有益的結(jié)論。

（二）鋼結(jié)構(gòu)體系穩(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：

1）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)者對梁-柱單元進(jìn)行過修正。主要問題在于如何反映軸力和彎矩的耦合效應(yīng)。

2）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。

3）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。

4）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)問題和考慮隨機(jī)參數(shù)的穹頂網(wǎng)殼的穩(wěn)定問題進(jìn)行研究。

二、鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定問題的可靠性研究

實(shí)際結(jié)構(gòu)由于存在各種各樣的隨機(jī)缺陷的影響，與理想結(jié)構(gòu)存在差異。對于缺陷敏感性結(jié)構(gòu)，缺陷可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的急劇下降，所以有必要考慮隨機(jī)參數(shù)的影響，引入可靠度分析方法，進(jìn)行穩(wěn)定問題的可靠性研究。

（一）結(jié)構(gòu)分析中的隨機(jī)不確定性因素來源

影響鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性的不確定性的基本變量許多是隨機(jī)的，一般分為三類：

1）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。

2）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。

3）模型的不確定性：為了對結(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。

（二）結(jié)構(gòu)的可靠性研究 的一般方法

國內(nèi)外學(xué)者對結(jié)構(gòu)可靠度理論已經(jīng)進(jìn)行了較為深入的研究，在可靠度計(jì)算方法及復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠度分析方面取得了很多研究成果。

任何工程分析和設(shè)計(jì)的最終目的是使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在不同要求下滿足不同的功能、安全性、使用性、耐久性。由于不確定性的存在，就需要把這些不確定性加入工程設(shè)計(jì)中，從而產(chǎn)生了很多可靠度方法。為了估計(jì)結(jié)構(gòu)可靠度，首先要解決相關(guān)荷載和抵抗力參數(shù)以及它們之間的函數(shù)關(guān)系，這種關(guān)系（又稱功能函數(shù)）記作式中X1，X2，…，Xn 是隨機(jī)變量。請將上述函數(shù)輸入?。“褬O限狀態(tài)（或失效面）定義為Z 0，則描述可靠度的參數(shù)可靠性指標(biāo)定義為坐標(biāo)原點(diǎn)到失效面的最小距離。目前用于可靠性指標(biāo)計(jì)算一般有兩種方法：一次可靠度方法（FORM）和二次可靠度方法（SORM）。 通過這兩種方法已對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的可靠性分析和設(shè)計(jì)進(jìn)行詳盡的研究，豐富了結(jié)構(gòu)可靠度的理論和計(jì)算方法，并將其應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)，顯示了較好的可靠性。

（三）鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性的可靠性研究方法 趨勢

隨機(jī)有限元法為鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性的可靠性研究提供了強(qiáng)有力的分析手段，由于隨機(jī)有限元能夠考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)存在各種各樣的隨機(jī)性因素的影響，所以可以預(yù)計(jì)隨機(jī)有限元法在這一研究領(lǐng)域?qū)?huì)有良好的應(yīng)用前景。

目前對鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性的研究和計(jì)算方法有優(yōu)勢也有不足，為了使鋼結(jié)構(gòu)體系在未來實(shí)際工程的應(yīng)用中，更安全、更便捷、更經(jīng)濟(jì)，對鋼結(jié)構(gòu)體系的研究是工程設(shè)計(jì)及科研人員的挑戰(zhàn)更是責(zé)任。

總之，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)人員對其性能認(rèn)識(shí)的不足，從而導(dǎo)致構(gòu)件的失穩(wěn)。因此，只有深入了解這些問題才會(huì)使得鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)理論不斷地完善。

參考文獻(xiàn)

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