劉強

摘要：針對鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞，穩(wěn)定問題一直是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題之一，結(jié)構(gòu)體系的廣泛應(yīng)用凸顯了穩(wěn)定問題研究的重要性。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定性 方案

近年來，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)作為一種新的建筑形式，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，無論是高層、超高層、輕型鋼結(jié)構(gòu)和大跨度空間結(jié)構(gòu)等都因其施工速度快、周期短、抗震性能好而被廣泛的應(yīng)用。因此我們對鋼結(jié)構(gòu)的研究是很有必要的。

一、鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性研究中存在的問題

鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性研究雖然取得了一定的進展，但也存在一些不容忽視的問題：

①目前在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究中，梁-柱單元理論已成為主要的研究工具。但梁-柱單元是否能真實反映網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)還很難說，雖然有學者對梁-柱單元進行過修正。主要問題在于如何反映軸力和彎矩的耦合效應(yīng)。②在大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計中整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的相互關(guān)系也是一個值得探討的問題，目前大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計中取一個統(tǒng)一的穩(wěn)定安全系數(shù)，未反映整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)性。③預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定設(shè)計理論還很不完善，目前還沒有一個完整合理的理論體系來分析預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性。

二、鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定問題的可靠性研究

實際結(jié)構(gòu)由于存在各種各樣的隨機缺陷的影響，與理想結(jié)構(gòu)存在差異。對于缺陷敏感性結(jié)構(gòu)，缺陷可能會造成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的急劇下降，所以有必要考慮隨機參數(shù)的影響，引入可靠度分析方法，進行穩(wěn)定問題的可靠性研究。由于大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系的可靠性研究涉及較多的力學和數(shù)學的知識，有一定難度，目前這方面的研究成果有限。

三、結(jié)構(gòu)分析中的不確定性因素來源

影響剛結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性的不確定性的基本變量許多是隨機的，一般分為三類：

①物理、幾何不確定性：如材料（彈性模量，屈服應(yīng)力，泊松比等）、桿件尺寸、截面積、殘余應(yīng)力、初始變形等。②統(tǒng)計的不確定性：在統(tǒng)計與穩(wěn)定性有關(guān)的物理量和幾何量時，總是根據(jù)有限樣本來選擇概率密度分布函數(shù)，因此帶來一定的經(jīng)驗性。這種不確定性稱為統(tǒng)計的不確定性，是由于缺乏信息造成的。③模型的不確定性：為了對結(jié)構(gòu)進行分析，所提的假設(shè)、數(shù)學模型、邊界條件以及目前技術(shù)水平難以在計算中反映的種種因素，所導(dǎo)致的理論值與實際承載力的差異，都歸結(jié)為模型的不確定性。

四、結(jié)構(gòu)的可靠性研究

國內(nèi)外學者對結(jié)構(gòu)可靠度理論已經(jīng)進行了較為深入的研究，在可靠度計算方法及復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠度分析方面取得了很多研究成果。

任何工程分析和設(shè)計的最終目的是使設(shè)計的結(jié)構(gòu)在不同要求下滿足不同的功能-安全性、使用性、耐久性由于不確定性的存在，就需要把這些不確定性加入工程設(shè)計中，從而產(chǎn)生了很多可靠度方法。為了估計結(jié)構(gòu)可靠度，首先要解決相關(guān)荷載和抵抗力參數(shù)以及它們之間的函數(shù)關(guān)系，這種關(guān)系（又稱功能函數(shù)）記作式中X1，X2，…，Xn是隨機變量。把極限狀態(tài)（或失效面）定義為Z0，則描述可靠度的參數(shù)可靠性指標定義為坐標原點到失效面的最小距離目前用于可靠性指標計算一般有兩種方法：一次可靠度方法（FORM）和二次可靠度方法（SORM）。

五、目前用于結(jié)構(gòu)可靠度分析的數(shù)值方法評述

這些數(shù)值方法一般分為三類：蒙特卡羅模擬法（包括高效的取樣法和方差縮減技術(shù)）、響應(yīng)面法和基于敏感性的分析方法。

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(chǎn)生一組輸入變量，大量重復(fù)的進行確定性分析之后，對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)輸出參數(shù)進行統(tǒng)計分析，計算出結(jié)構(gòu)的可靠性。把蒙特卡羅模擬法與有限元法結(jié)合起來，就得到蒙特卡羅有限元法。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(shù)，因此計算工作量相當浩大。

②響應(yīng)面法

本質(zhì)上來說，響應(yīng)面法是一套統(tǒng)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(yīng)最佳值。而失效概率通過一次或二次可靠度方法計算。在響應(yīng)面法中，對于一個具有大量隨機變量的問題來說，準確構(gòu)造一個近似多項式的所需的確定性分析是相當巨大的，因此這種方法很耗時。即使對于一個具有少量隨機變量的問題來說，響應(yīng)面法對可靠度估計的準確性與功能函數(shù)的近似多項式的準確性有關(guān)。

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(jié)合起來分析具有隱式型的功能函數(shù)的可靠性問題，能克服蒙特卡羅模擬法和響應(yīng)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(shù)的真實值和真實梯度，并使用優(yōu)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(yīng)面法相比，它耗時小，也比響應(yīng)面法更準確。

現(xiàn)在我國鋼結(jié)構(gòu)研究已進入新階段，有關(guān)規(guī)范已出臺，國內(nèi)鋼產(chǎn)量充足，為鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供較好的物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)，應(yīng)及時把握其發(fā)展趨勢，結(jié)合我國國情，注意結(jié)合專業(yè)間的相互配合，促進鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

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