浅谈钢结构体系

【摘要】近几年来，随着国家建设和社会经济的发展，钢结构体系在建筑结构及海洋工程中的应用越来越广泛，与此同时对钢结构的研究随着科学技术的不断进步也越来越深入。在钢结构体系中失稳破坏最具代表性，带来的损失也最大，作者在参与和主持了多次对钢结构体系的设计工作后 对目前钢结构体系稳定性研究、计算的现状和未来趋势做出了一些归纳及总结。

【关键词】钢结构； 钢结构体系稳定性； 钢结构体系可靠性

一、钢结构体系稳定性研究现状

（一）钢结构体系稳定性研究现状

近二三十年来，高强度钢材的使用，施工技术的发展以及电子计算机的应用使钢结构体系的发展和广泛应用成为可能。钢结构体系的稳定性一直是国内外学者们关注的研究领域。经过几十年的研究，已取得不少研究成果。迄今为止，对钢结构基本构件的理论问题的研究已较多，基于各种数值分析的稳定分析已较成熟。但对构件整体稳定和局部稳定的相互作用的理论和设计应用上还有待进行深入的研究。

网壳结构越来越广泛地应用到建筑及海洋工程结构上，但由于其自身的结构特点的原因整体网壳较易破坏变形造成经济损失。由于结构失稳是网壳结构破坏的重要原因，所以网壳结构的稳定性是一个非常重要的问题，正确地进行网壳结构尤其是单层网壳结构的稳定性分析与设计是保证网壳的安全性的关键。网壳结构的非线性稳定性分析一直是国内外学者们研究与注意的焦点，一般利用随机缺陷模态法和一致缺陷模态法两种方法对网壳结构各种初始缺陷的影响进行研究，基本能描述结构的失稳过程。但对于像网壳结构这类缺陷性敏感结构在强风和地震作用下的动力稳定性研究，由于涉及稳定理论和振动理论，所以难度较大，目前研究成果还很有限。

大跨度网架拱结构是一种新的大跨度结构，由于大跨度钢结构体系的可靠性研究涉及较多的力学和数学的知识，有一定难度，目前其稳定性方面的研究成果很少。非线性有限元理论对大跨度网架拱结构的稳定性进行了全过程跟踪，得出一些具有实际应用价值的结论。斜拉空间网格结构是一种新型的杂交空间结构，目前对其研究的深度和广度还很有限。对于斜拉单层网壳的稳定性，已有研究将网架结构对柱子的支撑作用及网架结构对斜拉索在网架结构平面的约束简化为等效弹簧，对柱子的稳定性进行了研究，得出了一些有益的结论。预张拉结构体系也是目前应用越来越多的一种新型结构体系。这种体系的系统理论研究在很大程度上滞后于实际应用，特别是预张拉结构体系的稳定性的研究未引起足够重视，研究成果还十分有限。预张拉结构体系的初始平衡状态的稳定性必须引起足够的重视，预应力索结构体系在工作状态外荷载的作用下也可能发生失稳破坏，实际设计计算中可使用直接验算法和稳定设计法，对结构的体系性质和结构稳定性法进行计算，为进一步研究提供理论指导。另外，也有学者从整体稳定的角度对钢框架结构的稳定问题进行了研究，得出了一些有益的结论。

（二）钢结构体系稳定性研究中存在的问题

钢结构体系稳定性研究虽然取得了一定的进展，但也存在一些不容忽视的问题：

1）目前在网壳结构稳定性的研究中，梁-柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁-柱单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还很难说，虽然有学者对梁-柱单元进行过修正。主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。

2）在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题，目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数，未反映整体稳定与局部稳定的关联性。

3）预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善，目前还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的稳定性。

4）钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响，目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围，而在实际工程中，由于结构参数的不确定性，会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题和考虑随机参数的穹顶网壳的稳定问题进行研究。

二、钢结构体系稳定问题的可靠性研究

实际结构由于存在各种各样的随机缺陷的影响，与理想结构存在差异。对于缺陷敏感性结构，缺陷可能会造成结构稳定性的急剧下降，所以有必要考虑随机参数的影响，引入可靠度分析方法，进行稳定问题的可靠性研究。

（一）结构分析中的随机不确定性因素来源

影响钢结构体系稳定性的不确定性的基本变量许多是随机的，一般分为三类：

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，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。

（二）结构的可靠性研究 的一般方法

国内外学者对结构可靠度理论已经进行了较为深入的研究，在可靠度计算方法及复杂结构可靠度分析方面取得了很多研究成果。

任何工程分析和设计的最终目的是使设计的结构在不同要求下满足不同的功能、安全性、使用性、耐久性。由于不确定性的存在，就需要把这些不确定性加入工程设计中，从而产生了很多可靠度方法。为了估计结构可靠度，首先要解决相关荷载和抵抗力参数以及它们之间的函数关系，这种关系（又称功能函数）记作式中X1，X2，…，Xn 是随机变量。请将上述函数输入！！把极限状态（或失效面）定义为Z 0，则描述可靠度的参数可靠性指标定义为坐标原点到失效面的最小距离。目前用于可靠性指标计算一般有两种方法：一次可靠度方法（FORM）和二次可靠度方法（SORM）。 通过这两种方法已对网壳结构的稳定性的可靠性分析和设计进行详尽的研究，丰富了结构可靠度的理论和计算方法，并将其应用于工程结构的分析和设计，显示了较好的可靠性。

（三）钢结构体系稳定性的可靠性研究方法 趋势

随机有限元法为钢结构体系稳定性的可靠性研究提供了强有力的分析手段，由于随机有限元能够考虑实际结构存在各种各样的随机性因素的影响，所以可以预计随机有限元法在这一研究领域将会有良好的应用前景。

目前对钢结构体系稳定性的研究和计算方法有优势也有不足，为了使钢结构体系在未来实际工程的应用中，更安全、更便捷、更经济，对钢结构体系的研究是工程设计及科研人员的挑战更是责任。

总之，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。针对上述问题，本文提出了在设计过程中设计人员应该明确的一些基本概念；其次随着新型结构的出现，设计人员对其性能认识的不足，从而导致构件的失稳。因此，只有深入了解这些问题才会使得钢结构稳定设计理论不断地完善。

参考文献

1.（美）布洛肯布洛夫，（美）麦里特. 美国钢结构设计手册. 同济大学出版社，2007 .

2.王秀丽. 大跨度空间钢结构分析与概念设计. 机械工业出版社，2008 .

3. 罗永峰. 建筑钢结构稳定理论与应用. 人民交通出版社，1010.