摘要:文章從鋼結構穩定設計的重要性入手，探討鋼結構穩定設計的基本概念、鋼結構失穩分類及其設計的原則，為鋼結構穩定設計提供理論參考。
　　關鍵詞:鋼結構；穩定性設計；重要性
　　1．鋼結構設計穩定性的重要性
　　穩定性是鋼結構的一個突出問題，在各種類型的鋼結構中，都會遇到穩定問題。對于這個問題處理不好，將會造成不應有的損失�，F代工程史上不乏因失穩而造成的鋼結構事故，其中影響最大的是1907年加拿大魁北克一座大橋在施工中破壞，9000t鋼結構全部墜入河中，橋上施工的人員75人遇難。破壞是由于懸臂的受壓下弦失穩造成的，這次事故和沒有設置適當的支撐有關。在我國1988年也曾發生l3.2m×l7.99m網架因腹桿穩定位不足而在施工過程中塌落的事故。從上可以看出，鋼結構中的穩定問題是鋼結構設計中以待解決的主要問題，一旦出現了鋼結構的失穩事故，不但對經濟造成嚴重的損失，而且會造成人員的傷亡，所以我們在鋼結構設計中，一定要把握好這一關。
　　目前，鋼結構中出現過的失穩事故都是由于設計者的經驗不足，對結構及構件的穩定性能不夠清楚，對如何保證結構穩定缺少明確概念，造成一般性結構設計中不應有的薄弱環節。另一方面是由于新型結構的出現，如空間網架、網殼結構等，設計者對其如何設計還沒有完全了解。
　　2．鋼結構設計存在問題及提高穩定性的策略
　　2.1強度與穩定的區別
　　強度問題是指結構或者單個構件在穩定平衡狀態下由荷載所引起地最大應力(或內力)是否超過建筑材料的極限強度，因此是一個應力問題。極限強度的取值取決于材料的特性，對混凝土等脆性材料，可取它的最大強度，對鋼材則取它的屈服點。穩定問題則與強度問題不同，它主要是找出外荷載與結構內部抵抗力間的不穩定平衡狀態，即變形開始急劇增長的狀態，從而設法避免進入該狀態，因此，它是一個變形問題。如軸壓柱，由于失穩，側向撓度使柱中增加數量很大的彎矩，因而柱子的破壞荷載可以遠遠低于它的軸壓強度。顯然，軸壓強度不是柱子破壞的主要原因。
　　2.2鋼結構失穩的分類
　　①第一類穩定問題或者具有平衡分岔的穩定問題(也叫分支點失穩)。完善直桿軸心受壓時的屈曲和完善平板中面受壓時的屈曲都屬于這一類。
　�、诘诙�類穩定問題或無平衡分岔的穩定問題(也叫極值點失穩)。由建筑鋼材做成的偏心受壓構件，在塑性發展到一定程度時喪失穩定的能力，屬于這一類。
　　③躍越失穩是一種不同于以上兩種類型，它既無平衡分岔點，又無極值點，它是在喪失穩定平衡之后跳躍到另一個穩定平衡狀態。
　　區分結構失穩類型的性質十分重要，這樣才有可能正確估量結構的穩定承載力。隨著穩定問題研究的逐步深入，上述分類看起來已經不夠了。設計為軸心受壓的構件，實際上總不免有一點初彎曲，荷載的作用點也難免有偏心。因此，我們要真正掌握這種構件的性能，就必須了解缺陷對它的影響，其他構件也都有個缺陷影響問題，另一方面就是深入對構件屈曲后性能的研究。
　　2.3鋼結構設計的原則
　　根據穩定問題在實際設計中的特點提出了以下三項原則并具體闡明了這些原則，以更好得保證鋼結構穩定設計中構件不會喪失穩定。
　　2.3.1結構整體布置中考慮整體及組成部分的穩定性要求
　　目前結構大多數是按照平面體系來設計的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結構不致出現平面失穩，需要從結構整體布置來解決，亦即設計必要的支撐構件。這就是說，平面結構構件的出平面穩定計算必須和結構布置相一致。
　　2.3.2結構計算簡圖和實用計算方法所依據的簡圖相一致
　　目前在設計單層和多層框架結構時，經常不作框架穩定分析而是代之以框架柱的穩定計算。在采用這種方法時，計算框架柱穩定時用到的柱計算長度系數，自應通過框架整體穩定分析得出，才能使柱穩定計算等效于框架穩定計算。然而，實際框架多種多樣，而設計中為了簡化計算工作，需要設定一些典型條件。GBJl7—88規范對單層或多層框架給出的計算長度系數采用了五條基本假定，其中包括:“框架中所有柱子是同時喪失穩定的，即各柱同時達到其臨界荷載。”按照這條假定，框架各柱的穩定參數桿件穩定計算的常用方法，往往是依據一定的簡化假設或者典型情況得出的，設計者必須確知所設計的結構符合這些假設時才能正確應用。在實際工程中，框架計算簡圖和實用方法所依據的簡圖不一致的情況還可舉出以下兩種，即附有搖擺柱的框架和橫梁受有較大壓力的框架。這兩種情況若按規范的系數計算，都會導致不安全的后果，所以所用的計算方法與前提假設和具體計算對象應該相一致。
　　2.3.3設計結構的細部構造和構件的穩定計算相一致
　　結構計算和構造設計相符合，一直是結構設計中大家都注意的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節點連接，應分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節點應盡量減少桿件偏心這些都是設計者處理構造細部時經常考慮到的。但是，當涉及穩定性能時，構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。例如，簡支梁就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在平面內轉動。然而在處理梁整體穩定時上述要求就不夠了，支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉，同時允許梁在水平平面內轉。
　　區分結構失穩類型的性質十分重要，這樣才有可能正確估量結構的穩定承載力。隨著穩定問題研究的逐步深入，上述分類看起來已經不夠了。設計為軸心受壓的構件，實際上總不免有一點初彎曲，荷載的作用點也難免有偏心。因此，我們要真正掌握這種構件的性能，就必須了解缺陷對它的影響，其他構件也都有個缺陷影響問題；另一方面就是深入對構件屈曲后性能的研究。
　　對于復雜結構，功能函數(gx)通常不能明確表達為輸入隨機變量的函數，結構的響應通常通過數值方法(如有限元)來計算。這些數值方法一般分為三類:①蒙特卡羅模擬法(MonteCarloSimulation)(包括高效的取樣法和方差縮減技術)；②響應面法(ResponseSurfaceMethod)；③基于敏感性的分析方法Sensitivity-basedApproach)。
　　① 蒙特卡羅模擬法
　　蒙特卡羅模擬法的基本思想是在進行每一次確定性分析之前隨機產生
　　一組輸入變量，大量重復的進行確定性分析之后，對結構的響應輸出參數進行統計分析，計算出結構的可靠性。通常把蒙特卡羅有限元法作為可靠度計算的相對精確解，但要達到較高的精度，必須取足夠的樣本數，因此計算工作量相當大。
　�、� 響應面法
　　響應面法的基本思想是通過近似構造一個具有明確表達形式的多項式
　　來表達隱式功能函數g(X)(一次或二次多項式)，其中X是包含所有荷載和抗力的隨機變量的一個向量。本質上來說，響應面法是一套統計方法，用這種方法來尋找考慮了輸入變量值的變異或不確定性之后的響應最佳值。而失效概率通過一次或二次可靠度方法計算。
　　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)結合起來分析具有隱式型的功能函數的可靠性問題，能克服蒙特卡羅模擬法和響應面法的缺點。這種方法在尋找控制點(也叫最小距離點)過程中，每一步迭代所使用的信息都是功能函數的真實值和真實梯度，并使用優化方法使控制點收斂于最小距離點，同蒙特卡羅模擬法和響應面法相比，它耗時小，也比響應面法更準確。
　　從上面可以看出，的鋼結構穩定理論還是不夠完善，我們在設計中一般都是把鋼結構看成是完善的結構體系。針對上述問題，可以看出在設計中我們沒有考慮一些隨機因素的影響。但是我們在考慮這些因素之前，應該弄清楚這些隨機因素的來源，一般情況下把影響鋼結構穩定性隨機因素分為三類:
　�、�物理、幾何不確定性:如材料(彈性模量，屈服應力，泊松比等)、桿件尺寸、截面積、殘余應力、初始變形等；
　�、诮y計的不確定性:在統計與穩定性有關的物理量和幾何量時，總是根據有限樣本來選擇概率密度分布函數，因此帶來一定的經驗性，這種不確定性稱為統計的不確定性，它是由于缺乏信息造成的；
　　③模型的不確定性:為了對結構進行分析，所提的假設、數學模型、邊界條件以及目前技術水平難以在計算中反映的種種因素，所導致的理論值與實際承載力的差異，都歸結為模型的不確定性。
　　以上都是鋼結構穩定設計中存在的問題，只有我們進一步地深入研究這些問題，鋼結構穩定理論將會進一步完善，如對于鋼結構穩定設計中涉及到隨機因素的影響，國外已經引入了鋼結構穩定的可靠度設計，這也表明了鋼結構穩定設計理論也在不斷的完善。
　　3．結語
　　在實際設計中，設計人員應該明確知道結構構件的穩定性能，以免在設計過程中發生不必要的失穩損失。在設計過程中設計人員應該明確的一些基本概念，深刻認識到新型結構現存的一些問題，只有深入了解這些問題并加以克服，才能使得鋼結構穩定理論設計不斷地完善。
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