提高钢结构设计稳定性的有效策略

　　摘要:文章从钢结构稳定设计的重要性入手，探讨钢结构稳定设计的基本概念、钢结构失稳分类及其设计的原则，为钢结构稳定设计提供理论参考。
　　关键词:钢结构；稳定性设计；重要性
　　1．钢结构设计稳定性的重要性
　　稳定性是钢结构的一个突出问题，在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题。对于这个问题处理不好，将会造成不应有的损失。现代工程史上不乏因失稳而造成的钢结构事故，其中影响最大的是1907年加拿大魁北克一座大桥在施工中破坏，9000t钢结构全部坠入河中，桥上施工的人员75人遇难。破坏是由于悬臂的受压下弦失稳造成的，这次事故和没有设置适当的支撑有关。在我国1988年也曾发生l3.2m×l7.99m网架因腹杆稳定位不足而在施工过程中塌落的事故。从上可以看出，钢结构中的稳定问题是钢结构设计中以待解决的主要问题，一旦出现了钢结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡，所以我们在钢结构设计中，一定要把握好这一关。
　　目前，钢结构中出现过的失稳事故都是由于设计者的经验不足，对结构及构件的稳定性能不够清楚，对如何保证结构稳定缺少明确概念，造成一般性结构设计中不应有的薄弱环节。另一方面是由于新型结构的出现，如空间网架、网壳结构等，设计者对其如何设计还没有完全了解。
　　2．钢结构设计存在问题及提高稳定性的策略
　　2.1强度与稳定的区别
　　强度问题是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起地最大应力(或内力)是否超过建筑材料的极限强度，因此是一个应力问题。极限强度的取值取决于材料的特性，对混凝土等脆性材料，可取它的最大强度，对钢材则取它的屈服点。稳定问题则与强度问题不同，它主要是找出外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，从而设法避免进入该状态，因此，它是一个变形问题。如轴压柱，由于失稳，侧向挠度使柱中增加数量很大的弯矩，因而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度。显然，轴压强度不是柱子破坏的主要原因。
　　2.2钢结构失稳的分类
　　①第一类稳定问题或者具有平衡分岔的稳定问题(也叫分支点失稳)。完善直杆轴心受压时的屈曲和完善平板中面受压时的屈曲都属于这一类。
　　②第二类稳定问题或无平衡分岔的稳定问题(也叫极值点失稳)。由建筑钢材做成的偏心受压构件，在塑性发展到一定程度时丧失稳定的能力，属于这一类。
　　③跃越失稳是一种不同于以上两种类型，它既无平衡分岔点，又无极值点，它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态。
　　区分结构失稳类型的性质十分重要，这样才有可能正确估量结构的稳定承载力。随着稳定问题研究的逐步深入，上述分类看起来已经不够了。设计为轴心受压的构件，实际上总不免有一点初弯曲，荷载的作用点也难免有偏心。因此，我们要真正掌握这种构件的性能，就必须了解缺陷对它的影响，其他构件也都有个缺陷影响问题，另一方面就是深入对构件屈曲后性能的研究。
　　2.3钢结构设计的原则
　　根据稳定问题在实际设计中的特点提出了以下三项原则并具体阐明了这些原则，以更好得保证钢结构稳定设计中构件不会丧失稳定。
　　2.3.1结构整体布置中考虑整体及组成部分的稳定性要求
　　目前结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此。保证这些平面结构不致出现平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致。
　　2.3.2结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致
　　目前在设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分析而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时，计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，自应通过框架整体稳定分析得出，才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而，实际框架多种多样，而设计中为了简化计算工作，需要设定一些典型条件。GBJl7—88规范对单层或多层框架给出的计算长度系数采用了五条基本假定，其中包括:“框架中所有柱子是同时丧失稳定的，即各柱同时达到其临界荷载。”按照这条假定，框架各柱的稳定参数杆件稳定计算的常用方法，往往是依据一定的简化假设或者典型情况得出的，设计者必须确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。在实际工程中，框架计算简图和实用方法所依据的简图不一致的情况还可举出以下两种，即附有摇摆柱的框架和横梁受有较大压力的框架。这两种情况若按规范的系数计算，都会导致不安全的后果，所以所用的计算方法与前提假设和具体计算对象应该相一致。
　　2.3.3设计结构的细部构造和构件的稳定计算相一致
　　结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中大家都注意的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋与它足够的刚度和柔度，对桁架节点应尽量减少杆件偏心这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。但是，当涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如，简支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移，同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了，支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转，同时允许梁在水平平面内转。
　　区分结构失稳类型的性质十分重要，这样才有可能正确估量结构的稳定承载力。随着稳定问题研究的逐步深入，上述分类看起来已经不够了。设计为轴心受压的构件，实际上总不免有一点初弯曲，荷载的作用点也难免有偏心。因此，我们要真正掌握这种构件的性能，就必须了解缺陷对它的影响，其他构件也都有个缺陷影响问题；另一方面就是深入对构件屈曲后性能的研究。
　　对于复杂结构，功能函数(gx)通常不能明确表达为输入随机变量的函数，结构的响应通常通过数值方法(如有限元)来计算。这些数值方法一般分为三类:①蒙特卡罗模拟法(MonteCarloSimulation)(包括高效的取样法和方差缩减技术)；②响应面法(ResponseSurfaceMethod)；③基于敏感性的分析方法Sensitivity-basedApproach)。
　　① 蒙特卡罗模拟法
　　蒙特卡罗模拟法的基本思想是在进行每一次确定性分析之前随机产生
　　一组输入变量，大量重复的进行确定性分析之后，对结构的响应输出参数进行统计分析，计算出结构的可靠性。通常把蒙特卡罗有限元法作为可靠度计算的相对精确解，但要达到较高的精度，必须取足够的样本数，因此计算工作量相当大。
　　② 响应面法
　　响应面法的基本思想是通过近似构造一个具有明确表达形式的多项式
　　来表达隐式功能函数g(X)(一次或二次多项式)，其中X是包含所有荷载和抗力的随机变量的一个向量。本质上来说，响应面法是一套统计方法，用这种方法来寻找考虑了输入变量值的变异或不确定性之后的响应最佳值。而失效概率通过一次或二次可靠度方法计算。
　　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)结合起来分析具有隐式型的功能函数的可靠性问题，能克服蒙特卡罗模拟法和响应面法的缺点。这种方法在寻找控制点(也叫最小距离点)过程中，每一步迭代所使用的信息都是功能函数的真实值和真实梯度，并使用优化方法使控制点收敛于最小距离点，同蒙特卡罗模拟法和响应面法相比，它耗时小，也比响应面法更准确。
　　从上面可以看出，的钢结构稳定理论还是不够完善，我们在设计中一般都是把钢结构看成是完善的结构体系。针对上述问题，可以看出在设计中我们没有考虑一些随机因素的影响。但是我们在考虑这些因素之前，应该弄清楚这些随机因素的来源，一般情况下把影响钢结构稳定性随机因素分为三类:
　　①物理、几何不确定性:如材料(弹性模量，屈服应力，泊松比等)、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等；
　　②统计的不确定性:在统计与稳定性有关的物理量和几何量时，总是根据有限样本来选择概率密度分布函数，因此带来一定的经验性，这种不确定性称为统计的不确定性，它是由于缺乏信息造成的；
　　③模型的不确定性:为了对结构进行分析，所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素，所导致的理论值与实际承载力的差异，都归结为模型的不确定性。
　　以上都是钢结构稳定设计中存在的问题，只有我们进一步地深入研究这些问题，钢结构稳定理论将会进一步完善，如对于钢结构稳定设计中涉及到随机因素的影响，国外已经引入了钢结构稳定的可靠度设计，这也表明了钢结构稳定设计理论也在不断的完善。
　　3．结语
　　在实际设计中，设计人员应该明确知道结构构件的稳定性能，以免在设计过程中发生不必要的失稳损失。在设计过程中设计人员应该明确的一些基本概念，深刻认识到新型结构现存的一些问题，只有深入了解这些问题并加以克服，才能使得钢结构稳定理论设计不断地完善。
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