钢结构稳定问题的探索与分析
【摘要】从钢结构稳定问题的可靠性研究角度对钢结构体系设计、建造以及使用当中存在着许多不确定性因素进行探索与分析。
【关键词】稳定性；钢结构体系；可靠性
０前言
近二三十年来，高强度钢材的使用，施工技术的发展以及电子计算机的应用使钢结构体系的发展和广泛应用成为可能。
钢结构体系的稳定性一直是国内外学者们关注的研究领域。
经过几十年的研究，已取得不少研究成果。
１钢结构体系稳定性研究中存在的问题
1.1设计项目层层转包造成设计质量下降
设计项目层层转包主要表现在：当前各大设计院的设计任务相当繁重，所承揽的工艺及综合专业部分设计收付费较高，而钢结构部分确实难啃的硬骨头，费工费力收费低，不愿意承揽钢结构设计任务，或者缺乏钢结构的设计经验，故往往将钢结构部分分包给另一单位。
1.2设计深度不够
1）设计院将自己的设计任务转嫁给加工企业，造成质量下降，设计院只给出“构件布置图”，对关键的“节点设计”一律采用“全焊接节点”或“全铸钢节点”，至于这种节点是否安全、构造是否合理、均无计算。
将应该设计的“节点构造”、“支座详图”、“施工安装”等都交给加工企业，有的加工厂为了节约钢材，降低造价，盲目进行钢材优化，结果造成工程质量事故，如某工程，优化后造成杆件太小，致使施工过程中数百个杆件失稳，给国家重点工程造成重大损失。
2）目前在网壳结构稳定性的研究中，梁-柱单元理论已成为主要的研究工具。
但梁-柱单元是否能够真实反映网壳结构的受力状态还很难说，虽然有学者对，梁-柱单元进行过修正，主要问题在于如何反应轴力和弯矩的耦合效应。
3）在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题，目前大跨度结构设计中取一个统一稳定安全系数，未反映整体稳定与局部稳定的关联性。
4）与张拉结构体系的稳定设计理论还不完善，目前还没有一个完整合理的理论体系来分析张拉结构体系的稳定性。
5）纲结构体系的稳定性研究中还存在许多随机因素的印象，目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数，随机荷载输入这样格局范围，而在实际工程中，由于结构参数的不确定，会引起结构响应的显著差异。
所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲，跳跃型失稳问题的研究考虑随机参数的穹顶网壳的稳定问题进行过有益的研究。
2钢结构体系稳定问题的可靠性研究
实际结构由于存在各种各样的随机缺陷的影响，与理想结构存在差异。
对于缺陷敏感性结构，缺陷可能会造成稳定性的急剧下降，所以有必要考虑随机参数的影响，引入可靠度分析方法，进行稳定问题的可靠性研究。
由于大跨度钢结构体系的可靠性研究涉及较多的力学和数学知识，有一定难度，目前这方面的研究成果有限。
网壳结构的稳定性的可靠性分析和设计进行了详尽的研究、丰富了结构可靠度的理论和计算方法，并将其应用与工程结构的分析和设计，显示了良好的前景。
2.1结构分析中的不确定因素来源
影响钢结构体系稳定的不确定性的基本变量许多是随机的，一般分为三类：1）物理、几何不确定性：如材料（弹性模量，屈服应力，泊松比等）杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等。
2）统计的不确定性：在统计与稳定性有关的物理量和几何量时，总是根据有限样本来选择概率密度分布函数，因此带来一定的经验性。
这种不确定性称为统计的不确定性，是由于缺乏信息造成的。
3）模型的不确定性：为了对结构进行分析，所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素，所导致的理论与实际承载力差异，都归结为模型的不确定性。
2.2结构的可靠性研究
国内外学者对结构可靠度理论已经进行了较为深入的研究，在可靠度计算方法即复杂结构可靠度分析方面取得了很多研究成果。
任何工程分析和设计的最终目的是使设计的结构在不同要求下满足不同的功能-安全性、使用性、耐久性，由于不确定性的存在，就需要把这些不确定性加入工程设计中，从而产生了很多可靠度方法。
为了估计结果可靠度，首先要把解决相关荷载和抵抗力参数以及他们之间的函数关系，这种关系（又称功能函数）记作式中X1，X2…，Xn是随机变量。
把极限状态（或失效面）定义为Z0，可靠度的参数可靠性指标，定义为坐标原点到失效面的最小距离，目前用于可靠性指标计算一般有两种方法：一次可靠度访法（FORM）和二次可靠度访法（SORM）。
2.3目前用于结构可靠分析的数值方法评述
对于复杂结构，功能函数g(x)通常不能明确表达为输入随机变量的函数，结构的响应通常通过数值方法（如有限元）来计算。
这些数值方法一般分为三类：（1）蒙特卡罗模拟法（Mpnte Carlo Simulation）（包括高效的取样法和方差缩减技术）；（2）响应面法（Responce Surface Method）；（３）基于敏感性的分析方法（Sencitivity-baced Approach）。
1）蒙特卡罗模拟法（Mpnte Carlo Simulation）
蒙特卡罗模拟法的基本思想是在进行每一次确定性分析之前随机产生一组输入变量重复地进行确定性分析之后，对结构的响应输出参数进行统计分析，计算出结构可靠性。
把蒙特卡罗模拟法与有限元结合起来，就得到蒙特卡罗有限元法。
通常把蒙特卡罗有限元法作为可靠度计算的相对精确解，但要达到较高的精度，必须取足够的样本数，因此计算工程量相当浩大。
2）响应面法
响应面法的基本思想是通过近似构造一个具有明确表达形式的多项式来表达隐式功能函数g(x)(一次或二次多项式)，其中x是包含所有荷载和抗力的随机变量的一个向量。
本质上来说，响应面法是一套统计方法，用这种方法来寻找考虑了输入变量值的变异或不确定性之后的响应最佳值。
而失效概率通过一次或者二次可靠度方法计算。
在响应面法中，对于一个具有大量随机变量的问题来说，准确构造一个近似多项式的所需的确定性分析是相当巨大的，因此这种方法很耗时。
即使对于一个具有少量随机变量的问题来说，响应面法对可靠度估计的准确性与功能能函数的近似多项式的准确性有关。
如果隐含型的功能函数具有很强的非线性，这种函数逼近是非常近似的，可靠度估计也是非常近似的。
3）基于敏感性的分析方法
基于敏感性的分析方法和一次可靠度方法（form）/二次可靠度方法（sorm）结合起来分析具有隐式型的功能函数可靠性问题，能克服蒙特卡罗模拟法和响应面法的缺点。
这种方法在寻找控制电（也叫最小距离电）过程中，每一步迭代所使用的信息都是功能函数的真实值和真实梯度，并使用优化方法使控制点收敛最小距离点，同蒙特卡罗模拟法和响应面法相比，它耗时小，也比响应面法更准确。
另外，基于敏感性分析方法能够从设计的角度知道结构响应对基本随机变量的敏感性。
从而有可能基于随机变量的不确定性和他们对结构特性的影响得出不同设计安全系数。
基于敏感性的分析方法也可以在不影响计算准确性的条件下，忽略那些对结构可靠性影响不大的随机变量，从而节省计算时间。
基于敏感性的分析方法中可以使用迭代摄动分析技术，并和有限元结合起来产生所谓的随机有限元（Stochaetic Finite Element Method）。
这种使用迭代摄动技术的随机有限元元素可用来进行结构的非线性分析。
3结语
随机有限元法为钢结构体系稳定性的可靠性研究提供了强有力的分析手段，由于随机有限元考虑实际结构存在的各种各样的随机性因素的影响，所以可以预计随机有限元法在这一研究领域将会有良好的应用前景。
【参考文献】
［１］黄东升，建筑结构设计[M].南京：东南大学出版社，2006.
［２］林同炎，结构概念和体系[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.
［３］GB50068-2001 建筑结构设计同意标准[S].
［４］GB50205-200 钢结构工程施工质量验收规范[M].
［５］JG J81-2002 建筑钢结构焊接技术规程[M].。