趙宏遠(yuǎn)

【摘 要】鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能是決定其承載力的一個(gè)重要因素，因此論文對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)提出了在設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員應(yīng)該明確知道的一些基本概念，以便幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中樹立正確而完整的穩(wěn)定分析和穩(wěn)定設(shè)計(jì)的理念；隨著新型結(jié)構(gòu)不斷地出現(xiàn)，在應(yīng)用過程中，對(duì)其性能不夠了解、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有缺陷，導(dǎo)致發(fā)生失穩(wěn)事故，因此論文介紹了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可能遇到的穩(wěn)定問題，以便設(shè)計(jì)人員在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中參考。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；失穩(wěn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Experience of Stable Design of Steel Structures

Zhao Hong-yuan

（Shaanxi letter Long Construction Engineering Design Consulting Co.， Ltd Xi'an Shaanxi 710000）

【Abstract】The stability of the steel structure is an important factor in determining its bearing capacity. Therefore， the paper puts forward some basic concepts that the designers should know clearly in the design process in order to help the designers to establish a correct and complete design in the design of the steel structure. Stability analysis and stability of the design concept； with the new structure continues to appear in the application process， its performance is not enough understanding of the design experience is flawed， resulting in the occurrence of instability accidents， so the paper describes the steel structure design may encounter Stability issues， so that designers in the steel structure design process reference.

【Key words】Steel structure；Structural stability；Unstable structure design

1. 引言

鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題普遍存在于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，凡是結(jié)構(gòu)的受壓部位，在設(shè)計(jì)時(shí)都必須認(rèn)真考慮其穩(wěn)定性。每當(dāng)一種新結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)時(shí)，在應(yīng)用過程中，因?qū)ζ湫阅芰私獠粔蚧蛟O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，均有可能發(fā)生失穩(wěn)事故?，F(xiàn)代工程史上鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成的事故案例也比較多，如1990年2月16日遼寧某重型機(jī)械廠新增會(huì)議室，屋蓋塌落，造成42人死亡，原因是由于設(shè)計(jì)者誤將寬度只有14.4m重型屋蓋結(jié)構(gòu)采用了梭形輕鋼屋架，且錯(cuò)用了計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，造成屋架腹桿平面外出現(xiàn)半波屈曲，導(dǎo)致屋蓋迅速塌落；美國(guó)Connecticut州Hartford城91.4mx109.7m的體育館網(wǎng)架，在1978年1月大雪后倒塌，原因是由于設(shè)計(jì)者只考慮了壓桿的彎曲屈曲，沒有考慮彎扭屈曲；1957年前蘇聯(lián)古比雪夫列寧冶金廠鍛壓車間，7榀1200m2屋蓋塌落，起因是一對(duì)尺寸相同的拉壓桿裝配顛倒；1974年蘇聯(lián)一個(gè)俱樂部觀眾廳24mx39m鋼屋蓋倒塌，起因是受力較大的鋼屋架端斜桿失穩(wěn)。從上述案例可以看出，鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的原因通常是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理及不確定因素所致，要從根本上杜絕此類事故的發(fā)生，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。因此設(shè)計(jì)者要了解各種情況下失穩(wěn)的原理，掌握各種穩(wěn)定設(shè)計(jì)的要領(lǐng)，以期在設(shè)計(jì)、施工和使用中能有效地避免失穩(wěn)事故的發(fā)生。

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

2.1 強(qiáng)度與穩(wěn)定的區(qū)別。

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)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)，因此，它是一個(gè)變形問題。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的分類。

鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)是多種多樣的，按其平衡狀態(tài)，可以分為以下三類：（1）第一類穩(wěn)定問題或平衡分岔失穩(wěn)。完善的軸心受壓構(gòu)件和完善的在中面內(nèi)受壓的平板的失穩(wěn)、理想的受彎構(gòu)件及受壓的圓柱殼等的失穩(wěn)都屬于這一類（2）第二類穩(wěn)定問題或極值點(diǎn)失穩(wěn)。非理想軸壓或壓彎構(gòu)件塑性發(fā)展到一定程度時(shí)發(fā)生失穩(wěn)，屬于這一類。（3）躍越失穩(wěn)是一種不同于以上兩種類型，它既無分支點(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。實(shí)際上這些失穩(wěn)情況并不是完全獨(dú)立的，在形式上具有多樣化特點(diǎn)。因此，我們要真正掌握各種構(gòu)件的性能，就必須了解缺陷對(duì)它的影響。另一方面就是深入對(duì)構(gòu)件屈曲后性能的研究。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則。

保證結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的穩(wěn)定，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，在實(shí)際設(shè)計(jì)中處理穩(wěn)定問題時(shí)應(yīng)遵循以下三個(gè)原則：

（1）結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖和實(shí)用計(jì)算方法（包括規(guī)范給出的方法）所依據(jù)的簡(jiǎn)圖相一致

當(dāng)前在設(shè)計(jì)鋼框架時(shí)，并不去計(jì)算框架本身的穩(wěn)定性，而是用計(jì)算柱子的穩(wěn)定性來代替，這只是一種簡(jiǎn)化方法，這種簡(jiǎn)化只是在符合一定條件時(shí)才是精確的，設(shè)計(jì)者在應(yīng)用規(guī)范時(shí)，應(yīng)該細(xì)心謹(jǐn)慎，首先應(yīng)在考察結(jié)構(gòu)整體性的基礎(chǔ)上，再來運(yùn)用此法。

（2）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算和結(jié)構(gòu)布置方案相結(jié)合

這個(gè)問題是確定桁架、塔架等得桿件處平面穩(wěn)定時(shí)應(yīng)注意的。問題的核心是結(jié)構(gòu)布置方案是否確實(shí)能夠?qū)﹁旒芄?jié)點(diǎn)提供平面外位移約束。

（3）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算和構(gòu)造設(shè)計(jì)相符合

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)?？紤]到的。但是，當(dāng)涉及穩(wěn)定性能時(shí)，構(gòu)造上時(shí)常有不同于強(qiáng)度的要求或特殊考慮。這三個(gè)原則說起來很簡(jiǎn)單，但是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中違反這三點(diǎn)很容易發(fā)生，因此需要加強(qiáng)理解。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的分析方法。

穩(wěn)定問題的分析方都是針對(duì)著外在荷載作用下結(jié)構(gòu)存在變形的條件下進(jìn)行的，此變形應(yīng)該與所研究結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)時(shí)出現(xiàn)的變形相對(duì)應(yīng)。穩(wěn)定問題的分析方法有以下三種：

（1）平衡法

平衡法是求解結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極限荷載的最基本的方法。對(duì)于有平衡分岔點(diǎn)的彈性穩(wěn)定問題，在分岔點(diǎn)存在兩個(gè)極為鄰近的平衡狀態(tài)，一個(gè)是原結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)，一個(gè)是已經(jīng)有了微小變形的結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)。平衡法只能得到臨界荷載，不能判別結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性。

（2）能量法

如果結(jié)構(gòu)承受著保守力，可以根據(jù)有了變形的結(jié)構(gòu)的受力條件建立總得勢(shì)能，總的勢(shì)能是結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能和外力勢(shì)能兩項(xiàng)之和。能量法一般只能獲得屈曲荷載的近似解，此方法用于大撓度理論分析，可以判斷屈曲后的平衡是否穩(wěn)定。

（3）動(dòng)力法

處于平衡狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系，施加微小干擾使其發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)荷載小于穩(wěn)定的極限值時(shí)，干擾撤去以后，運(yùn)動(dòng)趨于靜止，結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的；當(dāng)荷載大于極限值時(shí)，即使將干擾撤去，運(yùn)動(dòng)仍是發(fā)散的，因此結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的；臨界狀態(tài)的荷載即為屈曲荷載，由結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率為零的條件即可解得。此方法屬于結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定問題。

3. 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究中存在的問題

3.1 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，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)問題的研究。

3.2 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(duì)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。

3.3 從上面可以看出，在設(shè)計(jì)中我們應(yīng)該先影響弄清楚這些隨機(jī)因素的來源，一般情況下把影響鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性的不確定因素分為三類：

（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(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。

（3）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。以上三類都是鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)中存在的缺陷，只有我們更進(jìn)一步地深入研究這些不確定因素，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用上才會(huì)更進(jìn)一步完善。

4. 結(jié)束語

防止失穩(wěn)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要任務(wù)。設(shè)計(jì)規(guī)范中有關(guān)構(gòu)件計(jì)算的條款大多和穩(wěn)定問題有關(guān)，但是僅僅遵守這些條款并不能夠保證結(jié)構(gòu)不致失穩(wěn)，因?yàn)橐?guī)范只涉及最基本的問題，覆蓋面不夠廣，在實(shí)際設(shè)計(jì)中我們?cè)O(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，樹立正確而完整的穩(wěn)定分析和穩(wěn)定設(shè)計(jì)的概念，以免在設(shè)計(jì)過程中發(fā)生不必要的失穩(wěn)損失。