浅议结构稳定问题

摘 要：在工程结构设计的过程中，人们往往只关注了刚度和强度的要求并进行设计，而忽略或者弱化了对稳定性的设计要求。因此而造成的工程事故枚不胜举，其中部分重大事故造成了严重的经济损失，甚至产生了恶劣的社会影响。因此分析典型的结构失稳事故，从中吸取经验教训，并进一步了解结构稳定问题是非常有意义和价值的。

关键词：结构稳定；分类；计算方法；典型事故案例

0.引言

结构和构件广泛存在与我们的工程实践和日常生活中。结构，由若干构件按照一定的形式组成并能够完成某些工作、满足若干要求的组合物。其中，组成结构的最基本元素为构件。[1]稳定性，构件保持原有平衡状态的能力。[2]要使结构正常工作，需满足三个条件：具有足够的刚度，足够的强度，足够的稳定性。[1]但是在实际工程实践中，人们给予了结构的刚度和强度问题以足够的重视，却往往忽略了结构的稳定性问题。

在世界各国的工程的建设过程及使用过程中都出现过不同程度的安全事故。这些事故造成了不可估量的的经济损失和不良社会影响。这些工程事故在给人们以沉重教训的同时，也为人们敲响了警钟――在工程结构设计过程中，我们要给予结构稳定问题以足够的重视。在这种工程背景下，有必要对因为结构稳定问题而造成的工程事故进行分析总结，进一步了解结构稳定问题及结构稳定计算的方法，以有效减少结构失稳的事故的发生。

1.结构失稳的典型事故案例

案例一：1875年，俄国的开伏达河上的一座同名桥，在建设完工后，仅仅是当工作车辆通过桥面时，该桥的受压上弦杆就发生了偏离桁架平面的屈曲，最终导致了该桥毁坏。

案例二：1876年，一列火车在通过美国阿什特比拉河上的一座同名桥时，桥梁发生破坏，列车落入河中，158名乘客中仅有66名乘客幸存。该桥破坏的原因是该桥的桁架结构的受压斜杆失效引起的。

案例三： 1891年，一座架设在莱茵河支流比尔斯河上的单轨铁路桥坠毁，行使其上的列车中，有200多人受伤，74人不幸死亡。经分析，是由于结构设计缺乏全面的稳定性分析造成的。

案例四：1907年，加拿大圣劳伦斯河上的魁北克桥，这座本该是美国著名设计师奥多罗・库帕的一个真正有价值的不朽之作的桥，在一阵震耳欲聋的巨响中轰然垮塌，1，9000吨钢材和86名正在桥上作业的工人全部坠入河中，其中75人罹难，只有11人生还。事故的直接原因是由于悬臂根部的下弦杆失稳；根本原因是当时受压杆的理论还不成熟，桥梁在设计时偏于保守。

案例五：2000年，南京电视台演播厅 工程在做封顶时，由于脚手架失稳，导致模板倒塌，最终造成6人死亡，35人受伤。

以上几起工程事故仅仅是世界上因结构稳定问题而造成的工程事故的缩影，而实际发生的这类工程事故的数量是数不胜数的，这其中不乏造成重大经济损失和极大社会不良影响的案例。这些事故使我们清醒认识到在工程实践领域结构稳定性分析的重要性，督促我们加强对结构稳定性问题的关注。

2.结构稳定问题的分类及临界荷载的计算方法

在结构稳定问题的研究方面，前人做出了巨大贡献，他们的研究成果也得到了广泛的应用。

2.1结构的失稳类型

结构的失稳类型主要有两种：分支点失稳和极值点失稳。

分支点失稳的特点是结构的变形在失稳前后有本质上的改变，原来的平衡形式不能稳定后，出现了一种新的平衡形式；这种形式的变化具有突然性[3]。例如外压容器的失稳：石油罐车由于内外压力的作用由原有的形状突然皱缩成一团。又例如轴心受压杆件的失稳：杆件由直线平衡状态突然变成弯曲平衡状态。

极值点失稳的特点是结构的变形在失稳前后没有发生本质上的改变；在荷载F没有达到临界荷载FU之前，若荷载F不再增加，则变形不再增加，在荷载F达到临界荷载FU之后，即使荷载F不再增加甚至减小，变形也会增加直至结构破坏。[3]

2.2判断临界荷载的方法

判断临界荷载的方法，常用的有静力法，动力法，能量法。

静力法，认为处于中性平衡状态的荷载就是临界荷载，在该平衡下建立平衡下建立平衡方程求解的结果就是临界荷载。该方法的优点在于能够求得该临界荷载的精确值，但是该方法的缺陷是不能够判断结构平衡状态的稳定性。[3]

动力法，假设结构体系在干扰力作用下进行微小振动，求其自由振动的频率的表达式并令其为零，以求得临界荷载。这种方法的优点在于保守系统和非保守系统都适用。[3]

能量法包括铁摩辛柯能量法，瑞利-里兹法，迦辽金法等方法。能量法也只适用于保守系统。

3.加强相关行业规范的建立健全

目前，在工程界已经有一些相对比较完善的的规范、手册。在国外，如Guide to Stability Design Criteria for Metal Structures对结构稳定性方面做出了指导；在国内，如《钢结构设计规范（GB50017-2003）》对结构稳定性计算做了较为合理的修订。

然而，在工程实际中，因结构失稳而造成的事故仍时有发生。为了减少乃至杜绝此类事故的发生，相关部门应该对相关法律法规、行业规范有进一步的建立健全；此外，应加强工程领域工作者包括设计、施工方面的工作者对于结构稳定问题的认知程度。这样，多管齐下，相信一定会大大降低此类工程事故的发生率。

4.结语

自工业革命以来，人类社会发展迅猛，工程领域的理论、技术进步更是飞快，人类一次次突破极限，取得前所未有的斐然成就。然而，由于对结构稳定问题认知的局限，一次次由于结构失稳造成的事故也在不断上演。我们要牢记过去的经验教训，进一步加强在结构稳定问题方面的研究探讨，争取完善相关理论，提高对结构稳定问题的认知程度，以减少乃至杜绝此类安全事故的发生。

参考文献

[1]杜云海，材料力学（I），郑州：郑州大学出版社，2012

[2]顾志荣，吴永生，材料力学（下），同济大学出版社

[3]周绪红，结构稳定理论，北京，高等教育出版社，2010