稳定理论和钢结构设计相结合

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上世纪70年代初我有幸参与我国钢结构设计规范的编制工作，从而开始和稳定理论与稳定设计打交道。此后，规范两次修订和高层钢结构及门式刚架两本规程的编制，我也都躬逢其盛，参与有关稳定课题的研究和条文的拟订。与此同时，70年代来高校开始招收硕士研究生，我和教研室的同志合开钢结构稳定理论课程。80年代招收博士研究生，我又讲授高等结构稳定理论课程。开新课是一个边学边授的过程，为此阅读大量有关稳定分析的论文。理论方面的充电，为解决实际问题提供了条件。回顾三十年学习、授课、研究和从事规范、规程工作的历程，对稳定理论如何溶入钢结构设计，使之密切结合，有一些肤浅体会，借此机会就教于广大同行。

　　1．树立完整正确的结构稳定概念

　　防止失稳是钢结构设计的重要任务。设计规范中有关构件计算的条款大多和稳定问题有关。但是仅仅遵守这些条款并不能够保证结构不致失稳，因为规范只涉及最基本的问题，覆盖面不够广。况且对条款的依据缺乏了解者还有可能误用规范，造成差错。树立正确而完整的稳定分析和稳定设计的概念，对设计工作者至关重要。

　　首先要明确区分强度和稳定的不同性质。TJ17-74规范压杆稳定计算的公式是：

　　（1）这一表达式反映我们当时对压杆失稳的性质在概念上含混不清，因为N/A并不是应力，不应该用来表示。GBJ17-88规范纠正了这一错误，删去了。但是，如果不仔细体会，只看到公式中的N和A，还可能误认为稳定计算和强度计算一样，是针对杆件某一个截面的验算。

　　实际上强度计算是一个截面承载力的验算，即应力问题，而稳定计算则是整个杆件的承载力验算。只要从系数由杆件长细比决定，就可以理解。如果杆件是桁架或框架的组成部分，则长细比涉及所计算杆和相邻杆的关系，包括后者的受力情况，也就是涉及到了整个结构。为了使初学者一开始就认清稳定问题的实质，我们在新版钢结构教材中不再按构件分章，而是按极限状态分章。截面承载能力（强度）、单个构件承载能力（稳定性）和整体结构中的压杆和压弯构件，分别列为三章，后一章解决构件的计算长度和整体结构的渊源关系。

　　第二个概念是：失稳是压力使构件（或结构）刚度下降的结果。当刚度下降为零，构件（或结构）就达到临界状态。试想一根有初弯曲的杆，杆轴的曲线由 表达。在杆两端施加轴压力N后，平衡方程为解之，可得杆中央总挠度为

　　式中 NE—欧拉临界力，NE=2EI/l2。

　　当N力达到NE时，挠度将无限增大，表示刚度退化为零，杆件无法保持稳定的平衡。经典力学中失稳的定义是杆件受到外界干扰而偏离平衡位置，在干扰消失后不能恢复原状，甚至持续偏离。干扰究竟是什么，颇有点耐人寻味。在现实结构中，总是存在初弯曲和初偏心等几何缺陷。是否可以理解几何缺陷就是对完善直杆的干扰，不过这些干扰不会消失罢了。压力使杆件刚度下降（弯曲刚度、扭转刚度）是一个重要概念，忽视这一刚度就会造成差错。

　　Rflüger指出稳定分析和内力分析有以下不同特点[1]：

　　（1） 稳定问题必须采用二阶分析来代替一阶分析，即不能忽视变形对外力效应的影响；

　　（2） 叠加原理不适用于稳定分析，因为分析中存在着几何非线性；

　　（3）静定和超静定结构的区分在稳定分析中没有意义，因为静定结构的稳定分析也涉及到变形问题。这三条区别对于认识稳定问题的本质很有帮助，为此把它写入研究生教材[2]中。

　　在从事教学和规范、规程工作中感到，仅仅认识稳定分析的特点，对设计工作者还不够，还需要掌握稳定设计的基本特点，或者说三个基本概念[3]，即：

　　（1）结构计算简图和实用计算方法（包括规范给出的方法）所依据的简图应该相一致；

　　（2）结构稳定计算和结构布置方案相符合；

　　（3） 结构稳定计算和结构构造设计相符合。

　　这三点说起来很平常，好像事情本应如此，但是结构设计中违反这三点的事还是很容易发生的 ，因此需要加以强调。

　　前面已经提到，现实的钢结构构件和稳定理论中理想化的完善杆是有区别的，那就是存在不同性质和不同程度的缺陷。杆件的初弯曲是最常见的几何缺陷，这在确定压杆的?系数时已经有所考虑。对框架结构来说，柱的初始倾斜是颇有影响的几何缺陷。GB50017以假想水平力的方式对此加以考虑。残余应力是影响构件稳定的力学缺陷，GBJ17-88规范把压杆截面划分为三类，是基于残余应力的大小和分布情况确定的，GB50017规范新增d类截面，也是如此。