淺議結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題

陳長江　覃佐航　韓曉華　柏學(xué)清

摘 要：在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，人們往往只關(guān)注了剛度和強(qiáng)度的要求并進(jìn)行設(shè)計(jì)，而忽略或者弱化了對穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要求。因此而造成的工程事故枚不勝舉，其中部分重大事故造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至產(chǎn)生了惡劣的社會(huì)影響。因此分析典型的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)事故，從中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并進(jìn)一步了解結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題是非常有意義和價(jià)值的。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；分類；計(jì)算方法；典型事故案例

0引言

結(jié)構(gòu)和構(gòu)件廣泛存在與我們的工程實(shí)踐和日常生活中。結(jié)構(gòu)，由若干構(gòu)件按照一定的形式組成并能夠完成某些工作、滿足若干要求的組合物。其中，組成結(jié)構(gòu)的最基本元素為構(gòu)件。[1]穩(wěn)定性，構(gòu)件保持原有平衡狀態(tài)的能力。[2]要使結(jié)構(gòu)正常工作，需滿足三個(gè)條件：具有足夠的剛度，足夠的強(qiáng)度，足夠的穩(wěn)定性。[1]但是在實(shí)際工程實(shí)踐中，人們給予了結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度問題以足夠的重視，卻往往忽略了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題。

在世界各國的工程的建設(shè)過程及使用過程中都出現(xiàn)過不同程度的安全事故。這些事故造成了不可估量的經(jīng)濟(jì)損失和不良社會(huì)影響。這些工程事故在給人們以沉重教訓(xùn)的同時(shí)，也為人們敲響了警鐘——在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，我們要給予結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題以足夠的重視。在這種工程背景下，有必要對因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題而造成的工程事故進(jìn)行分析總結(jié)，進(jìn)一步了解結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算的方法，以有效減少結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的事故的發(fā)生。

1結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的典型事故案例

案例一：1875年，俄國的開伏達(dá)河上的一座同名橋，在建設(shè)完工后，僅僅是當(dāng)工作車輛通過橋面時(shí)，該橋的受壓上弦桿就發(fā)生了偏離桁架平面的屈曲，最終導(dǎo)致了該橋毀壞。

案例二：1876年，一列火車在通過美國阿什特比拉河上的一座同名橋時(shí)，橋梁發(fā)生破壞，列車落入河中，158名乘客中僅有66名乘客幸存。該橋破壞的原因是該橋的桁架結(jié)構(gòu)的受壓斜桿失效引起的。

案例三：1891年，一座架設(shè)在萊茵河支流比爾斯河上的單軌鐵路橋墜毀，行使其上的列車中，有200多人受傷，74人不幸死亡。經(jīng)分析，是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏全面的穩(wěn)定性分析造成的。

案例四：1907年，加拿大圣勞倫斯河上的魁北克橋，這座本該是美國著名設(shè)計(jì)師奧多羅·庫帕的一個(gè)真正有價(jià)值的不朽之作的橋，在一陣震耳欲聾的巨響中轟然垮塌，1，9000噸鋼材和86名正在橋上作業(yè)的工人全部墜入河中，其中75人罹難，只有11人生還。事故的直接原因是由于懸臂根部的下弦桿失穩(wěn)；根本原因是當(dāng)時(shí)受壓桿的理論還不成熟，橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)偏于保守。

案例五：2000年，南京電視臺(tái)演播廳工程在做封頂時(shí)，由于腳手架失穩(wěn)，導(dǎo)致模板倒塌，最終造成6人死亡，35人受傷。

以上幾起工程事故僅僅是世界上因結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題而造成的工程事故的縮影，而實(shí)際發(fā)生的這類工程事故的數(shù)量是數(shù)不勝數(shù)的，這其中不乏造成重大經(jīng)濟(jì)損失和極大社會(huì)不良影響的案例。這些事故使我們清醒認(rèn)識(shí)到在工程實(shí)踐領(lǐng)域結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的重要性，督促我們加強(qiáng)對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題的關(guān)注。

2結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的分類及臨界荷載的計(jì)算方法

在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的研究方面，前人做出了巨大貢獻(xiàn)，他們的研究成果也得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)類型

結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)類型主要有兩種：分支點(diǎn)失穩(wěn)和極值點(diǎn)失穩(wěn)。

分支點(diǎn)失穩(wěn)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的變形在失穩(wěn)前后有本質(zhì)上的改變，原來的平衡形式不能穩(wěn)定后，出現(xiàn)了一種新的平衡形式；這種形式的變化具有突然性[3]。例如外壓容器的失穩(wěn)：石油罐車由于內(nèi)外壓力的作用由原有的形狀突然皺縮成一團(tuán)。又例如軸心受壓桿件的失穩(wěn)：桿件由直線平衡狀態(tài)突然變成彎曲平衡狀態(tài)。

極值點(diǎn)失穩(wěn)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的變形在失穩(wěn)前后沒有發(fā)生本質(zhì)上的改變；在荷載F沒有達(dá)到臨界荷載Fu之前，若荷載F不再增加，則變形不再增加，在荷載F達(dá)到臨界荷載Fu之后，即使荷載F不再增加甚至減小，變形也會(huì)增加直至結(jié)構(gòu)破壞。[3]

2.2判斷臨界荷載的方法

判斷臨界荷載的方法，常用的有靜力法，動(dòng)力法，能量法。

靜力法，認(rèn)為處于中性平衡狀態(tài)的荷載就是臨界荷載，在該平衡下建立平衡下建立平衡方程求解的結(jié)果就是臨界荷載。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠求得該臨界荷載的精確值，但是該方法的缺陷是不能夠判斷結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性。[3]

動(dòng)力法，假設(shè)結(jié)構(gòu)體系在干擾力作用下進(jìn)行微小振動(dòng)，求其自由振動(dòng)的頻率的表達(dá)式并令其為零，以求得臨界荷載。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于保守系統(tǒng)和非保守系統(tǒng)都適用。[3]

能量法包括鐵摩辛柯能量法，瑞利-里茲法，迦遼金法等方法。能量法也只適用于保守系統(tǒng)。

3加強(qiáng)相關(guān)行業(yè)規(guī)范的建立健全

目前，在工程界已經(jīng)有一些相對比較完善的規(guī)范、手冊。在國外，如Guide to Stability Design Criteria for Metal Structures對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面做出了指導(dǎo)；在國內(nèi)，如《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003）》對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算做了較為合理的修訂。

然而，在工程實(shí)際中，因結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而造成的事故仍時(shí)有發(fā)生。為了減少乃至杜絕此類事故的發(fā)生，相關(guān)部門應(yīng)該對相關(guān)法律法規(guī)、行業(yè)規(guī)范有進(jìn)一步的建立健全；此外，應(yīng)加強(qiáng)工程領(lǐng)域工作者包括設(shè)計(jì)、施工方面的工作者對于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的認(rèn)知程度。這樣，多管齊下，相信一定會(huì)大大降低此類工程事故的發(fā)生率。

4結(jié)語

自工業(yè)革命以來，人類社會(huì)發(fā)展迅猛，工程領(lǐng)域的理論、技術(shù)進(jìn)步更是飛快，人類一次次突破極限，取得前所未有的斐然成就。然而，由于對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題認(rèn)知的局限，一次次由于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成的事故也在不斷上演。我們要牢記過去的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，進(jìn)一步加強(qiáng)在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題方面的研究探討，爭取完善相關(guān)理論，提高對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的認(rèn)知程度，以減少乃至杜絕此類安全事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜云海，材料力學(xué)（I），鄭州：鄭州大學(xué)出版社，2012

[2]顧志榮，吳永生，材料力學(xué)（下），同濟(jì)大學(xué)出版社

[3]周緒紅，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論，北京，高等教育出版社，2010

（作者單位：武漢科技大學(xué)理學(xué)院）