摘要:文章從鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的重要性入手，探討鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的基本概念、鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分類及其設(shè)計的原則，為鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計提供理論參考。
　　關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性設(shè)計；重要性
　　1．鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計穩(wěn)定性的重要性
　　穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)的一個突出問題，在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)中，都會遇到穩(wěn)定問題。對于這個問題處理不好，將會造成不應(yīng)有的損失。現(xiàn)代工程史上不乏因失穩(wěn)而造成的鋼結(jié)構(gòu)事故，其中影響最大的是1907年加拿大魁北克一座大橋在施工中破壞，9000t鋼結(jié)構(gòu)全部墜入河中，橋上施工的人員75人遇難。破壞是由于懸臂的受壓下弦失穩(wěn)造成的，這次事故和沒有設(shè)置適當(dāng)?shù)闹�撐有關(guān)。在我國1988年也曾發(fā)生l3.2m×l7.99m網(wǎng)架因腹桿穩(wěn)定位不足而在施工過程中塌落的事故。從上可以看出，鋼結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定問題是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中以待解決的主要問題，一旦出現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)事故，不但對經(jīng)濟造成嚴(yán)重的損失，而且會造成人員的傷亡，所以我們在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一定要把握好這一關(guān)。
　　目前，鋼結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)過的失穩(wěn)事故都是由于設(shè)計者的經(jīng)驗不足，對結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的穩(wěn)定性能不夠清楚，對如何保證結(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)計者對其如何設(shè)計還沒有完全了解。
　　2．鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計存在問題及提高穩(wěn)定性的策略
　　2.1強度與穩(wěn)定的區(qū)別
　　強度問題是指結(jié)構(gòu)或者單個構(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度，因此是一個應(yīng)力問題。極限強度的取值取決于材料的特性，對混凝土等脆性材料，可取它的最大強度，對鋼材則取它的屈服點。穩(wěn)定問題則與強度問題不同，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的狀態(tài)，從而設(shè)法避免進入該狀態(tài)，因此，它是一個變形問題。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遠低于它的軸壓強度。顯然，軸壓強度不是柱子破壞的主要原因。
　　2.2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(也叫分支點失穩(wěn))。完善直桿軸心受壓時的屈曲和完善平板中面受壓時的屈曲都屬于這一類。
　　②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)展到一定程度時喪失穩(wěn)定的能力，屬于這一類。
　　③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，又無極值點，它是在喪失穩(wěn)定平衡之后跳躍到另一個穩(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)計為軸心受壓的構(gòu)件，實際上總不免有一點初彎曲，荷載的作用點也難免有偏心。因此，我們要真正掌握這種構(gòu)件的性能，就必須了解缺陷對它的影響，其他構(gòu)件也都有個缺陷影響問題，另一方面就是深入對構(gòu)件屈曲后性能的研究。
　　2.3鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則
　　根據(jù)穩(wěn)定問題在實際設(shè)計中的特點提出了以下三項原則并具體闡明了這些原則，以更好得保證鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計中構(gòu)件不會喪失穩(wěn)定。
　　2.3.1結(jié)構(gòu)整體布置中考慮整體及組成部分的穩(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)計的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出現(xiàn)平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決，亦即設(shè)計必要的支撐構(gòu)件。這就是說，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計算必須和結(jié)構(gòu)布置相一致。
　　2.3.2結(jié)構(gòu)計算簡圖和實用計算方法所依據(jù)的簡圖相一致
　　目前在設(shè)計單層和多層框架結(jié)構(gòu)時，經(jīng)常不作框架穩(wěn)定分析而是代之以框架柱的穩(wěn)定計算。在采用這種方法時，計算框架柱穩(wěn)定時用到的柱計算長度系數(shù)，自應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出，才能使柱穩(wěn)定計算等效于框架穩(wěn)定計算。然而，實際框架多種多樣，而設(shè)計中為了簡化計算工作，需要設(shè)定一些典型條件。GBJl7—88規(guī)范對單層或多層框架給出的計算長度系數(shù)采用了五條基本假定，其中包括:“框架中所有柱子是同時喪失穩(wěn)定的，即各柱同時達到其臨界荷載。”按照這條假定，框架各柱的穩(wěn)定參數(shù)桿件穩(wěn)定計算的常用方法，往往是依據(jù)一定的簡化假設(shè)或者典型情況得出的，設(shè)計者必須確知所設(shè)計的結(jié)構(gòu)符合這些假設(shè)時才能正確應(yīng)用。在實際工程中，框架計算簡圖和實用方法所依據(jù)的簡圖不一致的情況還可舉出以下兩種，即附有搖擺柱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)計算，都會導(dǎo)致不安全的后果，所以所用的計算方法與前提假設(shè)和具體計算對象應(yīng)該相一致。
　　2.3.3設(shè)計結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計算相一致
　　結(jié)構(gòu)計算和構(gòu)造設(shè)計相符合，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計中大家都注意的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點連接，應(yīng)分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節(jié)點應(yīng)盡量減少桿件偏心這些都是設(shè)計者處理構(gòu)造細(xì)部時經(jīng)常考慮到的。但是，當(dāng)涉及穩(wěn)定性能時，構(gòu)造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。例如，簡支梁就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。然而在處理梁整體穩(wěn)定時上述要求就不夠了，支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，同時允許梁在水平平面內(nèi)轉(zhuǎn)。
　　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)計為軸心受壓的構(gòu)件，實際上總不免有一點初彎曲，荷載的作用點也難免有偏心。因此，我們要真正掌握這種構(gòu)件的性能，就必須了解缺陷對它的影響，其他構(gòu)件也都有個缺陷影響問題；另一方面就是深入對構(gòu)件屈曲后性能的研究。
　　對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，功能函數(shù)(gx)通常不能明確表達為輸入隨機變量的函數(shù)，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)通常通過數(shù)值方法(如有限元)來計算。這些數(shù)值方法一般分為三類:①蒙特卡羅模擬法(MonteCarloSimulation)(包括高效的取樣法和方差縮減技術(shù))；②響應(yīng)面法(ResponseSurfaceMethod)；③基于敏感性的分析方法Sensitivity-basedApproach)。
　　① 蒙特卡羅模擬法
　　蒙特卡羅模擬法的基本思想是在進行每一次確定性分析之前隨機產(chǎn)生
　　一組輸入變量，大量重復(fù)的進行確定性分析之后，對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)輸出參數(shù)進行統(tǒng)計分析，計算出結(jié)構(gòu)的可靠性。通常把蒙特卡羅有限元法作為可靠度計算的相對精確解，但要達到較高的精度，必須取足夠的樣本數(shù)，因此計算工作量相當(dāng)大。
　　② 響應(yīng)面法
　　響應(yīng)面法的基本思想是通過近似構(gòu)造一個具有明確表達形式的多項式
　　來表達隱式功能函數(shù)g(X)(一次或二次多項式)，其中X是包含所有荷載和抗力的隨機變量的一個向量。本質(zhì)上來說，響應(yīng)面法是一套統(tǒng)計方法，用這種方法來尋找考慮了輸入變量值的變異或不確定性之后的響應(yīng)最佳值。而失效概率通過一次或二次可靠度方法計算。
　　③ 基于敏感性的分析方法
　　基于敏感性的分析法和一次可靠度方法(FORM)/二次可靠度方法(SORM)結(jié)合起來分析具有隱式型的功能函數(shù)的可靠性問題，能克服蒙特卡羅模擬法和響應(yīng)面法的缺點。這種方法在尋找控制點(也叫最小距離點)過程中，每一步迭代所使用的信息都是功能函數(shù)的真實值和真實梯度，并使用優(yōu)化方法使控制點收斂于最小距離點，同蒙特卡羅模擬法和響應(yīng)面法相比，它耗時小，也比響應(yīng)面法更準(zhǔn)確。
　　從上面可以看出，的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論還是不夠完善，我們在設(shè)計中一般都是把鋼結(jié)構(gòu)看成是完善的結(jié)構(gòu)體系。針對上述問題，可以看出在設(shè)計中我們沒有考慮一些隨機因素的影響。但是我們在考慮這些因素之前，應(yīng)該弄清楚這些隨機因素的來源，一般情況下把影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨機因素分為三類:
　　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)計的不確定性:在統(tǒng)計與穩(wěn)定性有關(guān)的物理量和幾何量時，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)驗性，這種不確定性稱為統(tǒng)計的不確定性，它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)水平難以在計算中反映的種種因素，所導(dǎo)致的理論值與實際承載力的差異，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)計中存在的問題，只有我們進一步地深入研究這些問題，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論將會進一步完善，如對于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計中涉及到隨機因素的影響，國外已經(jīng)引入了鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的可靠度設(shè)計，這也表明了鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計理論也在不斷的完善。
　　3．結(jié)語
　　在實際設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)該明確知道結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性能，以免在設(shè)計過程中發(fā)生不必要的失穩(wěn)損失。在設(shè)計過程中設(shè)計人員應(yīng)該明確的一些基本概念，深刻認(rèn)識到新型結(jié)構(gòu)現(xiàn)存的一些問題，只有深入了解這些問題并加以克服，才能使得鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論設(shè)計不斷地完善。
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