穩(wěn)定理論和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合

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上世紀(jì)70年代初我有幸參與我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的編制工作，從而開始和穩(wěn)定理論與穩(wěn)定設(shè)計(jì)打交道。此后，規(guī)范兩次修訂和高層鋼結(jié)構(gòu)及門式剛架兩本規(guī)程的編制，我也都躬逢其盛，參與有關(guān)穩(wěn)定課題的研究和條文的擬訂。與此同時(shí)，70年代來(lái)高校開始招收碩士研究生，我和教研室的同志合開鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論課程。80年代招收博士研究生，我又講授高等結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論課程。開新課是一個(gè)邊學(xué)邊授的過(guò)程，為此閱讀大量有關(guān)穩(wěn)定分析的論文。理論方面的充電，為解決實(shí)際問(wèn)題提供了條件?；仡櫲陮W(xué)習(xí)、授課、研究和從事規(guī)范、規(guī)程工作的歷程，對(duì)穩(wěn)定理論如何溶入鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使之密切結(jié)合，有一些膚淺體會(huì)，借此機(jī)會(huì)就教于廣大同行。

　　1．樹立完整正確的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定概念

　　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(wèn)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(wèn)題，覆蓋面不夠廣。況且對(duì)條款的依據(jù)缺乏了解者還有可能誤用規(guī)范，造成差錯(cuò)。樹立正確而完整的穩(wěn)定分析和穩(wěn)定設(shè)計(jì)的概念，對(duì)設(shè)計(jì)工作者至關(guān)重要。

　　首先要明確區(qū)分強(qiáng)度和穩(wěn)定的不同性質(zhì)。TJ17-74規(guī)范壓桿穩(wěn)定計(jì)算的公式是：

　?。?）這一表達(dá)式反映我們當(dāng)時(shí)對(duì)壓桿失穩(wěn)的性質(zhì)在概念上含混不清，因?yàn)镹/A并不是應(yīng)力，不應(yīng)該用來(lái)表示。GBJ17-88規(guī)范糾正了這一錯(cuò)誤，刪去了。但是，如果不仔細(xì)體會(huì)，只看到公式中的N和A，還可能誤認(rèn)為穩(wěn)定計(jì)算和強(qiáng)度計(jì)算一樣，是針對(duì)桿件某一個(gè)截面的驗(yàn)算。

　　實(shí)際上強(qiáng)度計(jì)算是一個(gè)截面承載力的驗(yàn)算，即應(yīng)力問(wèn)題，而穩(wěn)定計(jì)算則是整個(gè)桿件的承載力驗(yàn)算。只要從系數(shù)由桿件長(zhǎng)細(xì)比決定，就可以理解。如果桿件是桁架或框架的組成部分，則長(zhǎng)細(xì)比涉及所計(jì)算桿和相鄰桿的關(guān)系，包括后者的受力情況，也就是涉及到了整個(gè)結(jié)構(gòu)。為了使初學(xué)者一開始就認(rèn)清穩(wěn)定問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，我們?cè)谛掳驿摻Y(jié)構(gòu)教材中不再按構(gòu)件分章，而是按極限狀態(tài)分章。截面承載能力（強(qiáng)度）、單個(gè)構(gòu)件承載能力（穩(wěn)定性）和整體結(jié)構(gòu)中的壓桿和壓彎構(gòu)件，分別列為三章，后一章解決構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度和整體結(jié)構(gòu)的淵源關(guān)系。

　　第二個(gè)概念是：失穩(wěn)是壓力使構(gòu)件（或結(jié)構(gòu)）剛度下降的結(jié)果。當(dāng)剛度下降為零，構(gòu)件（或結(jié)構(gòu)）就達(dá)到臨界狀態(tài)。試想一根有初彎曲的桿，桿軸的曲線由 表達(dá)。在桿兩端施加軸壓力N后，平衡方程為解之，可得桿中央總撓度為

　　式中 NE—歐拉臨界力，NE=2EI/l2。

　　當(dāng)N力達(dá)到NE時(shí)，撓度將無(wú)限增大，表示剛度退化為零，桿件無(wú)法保持穩(wěn)定的平衡。經(jīng)典力學(xué)中失穩(wěn)的定義是桿件受到外界干擾而偏離平衡位置，在干擾消失后不能恢復(fù)原狀，甚至持續(xù)偏離。干擾究竟是什么，頗有點(diǎn)耐人尋味。在現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)中，總是存在初彎曲和初偏心等幾何缺陷。是否可以理解幾何缺陷就是對(duì)完善直桿的干擾，不過(guò)這些干擾不會(huì)消失罷了。壓力使桿件剛度下降（彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度）是一個(gè)重要概念，忽視這一剛度就會(huì)造成差錯(cuò)。

　　Rflüger指出穩(wěn)定分析和內(nèi)力分析有以下不同特點(diǎn)[1]：

　?。?） 穩(wěn)定問(wèn)題必須采用二階分析來(lái)代替一階分析，即不能忽視變形對(duì)外力效應(yīng)的影響；

　?。?） 疊加原理不適用于穩(wěn)定分析，因?yàn)榉治鲋写嬖谥鴰缀畏蔷€性；

　?。?）靜定和超靜定結(jié)構(gòu)的區(qū)分在穩(wěn)定分析中沒(méi)有意義，因?yàn)殪o定結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析也涉及到變形問(wèn)題。這三條區(qū)別對(duì)于認(rèn)識(shí)穩(wěn)定問(wèn)題的本質(zhì)很有幫助，為此把它寫入研究生教材[2]中。

　　在從事教學(xué)和規(guī)范、規(guī)程工作中感到，僅僅認(rèn)識(shí)穩(wěn)定分析的特點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)工作者還不夠，還需要掌握穩(wěn)定設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn)，或者說(shuō)三個(gè)基本概念[3]，即：

　?。?）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)圖應(yīng)該相一致；

　?。?）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算和結(jié)構(gòu)布置方案相符合；

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

　　這三點(diǎn)說(shuō)起來(lái)很平常，好像事情本應(yīng)如此，但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中違反這三點(diǎn)的事還是很容易發(fā)生的 ，因此需要加以強(qiáng)調(diào)。

　　前面已經(jīng)提到，現(xiàn)實(shí)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和穩(wěn)定理論中理想化的完善桿是有區(qū)別的，那就是存在不同性質(zhì)和不同程度的缺陷。桿件的初彎曲是最常見(jiàn)的幾何缺陷，這在確定壓桿的?系數(shù)時(shí)已經(jīng)有所考慮。對(duì)框架結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，柱的初始傾斜是頗有影響的幾何缺陷。GB50017以假想水平力的方式對(duì)此加以考慮。殘余應(yīng)力是影響構(gòu)件穩(wěn)定的力學(xué)缺陷，GBJ17-88規(guī)范把壓桿截面劃分為三類，是基于殘余應(yīng)力的大小和分布情況確定的，GB50017規(guī)范新增d類截面，也是如此。