淺談鋼結構在抗震破壞中的應對方案

劉強

摘要：針對鋼結構在地震作用下的破壞，穩定問題一直是鋼結構設計的關鍵問題之一，結構體系的廣泛應用凸顯了穩定問題研究的重要性。

關鍵詞：鋼結構 穩定性 方案

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

一、鋼結構體系穩定性研究中存在的問題

鋼結構體系穩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目前在網殼結構穩定性的研究中，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殼結構的受力狀態還很難說，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。②在大跨度結構設計中整體穩定與局部穩定的相互關系也是一個值得探討的問題，目前大跨度結構設計中取一個統一的穩定安全系數，未反映整體穩定與局部穩定的關聯性。③預張拉結構體系的穩定設計理論還很不完善，目前還沒有一個完整合理的理論體系來分析預張拉結構體系的穩定性。

二、鋼結構體系穩定問題的可靠性研究

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

三、結構分析中的不確定性因素來源

影響剛結構體系穩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，屈服應力，泊松比等）、桿件尺寸、截面積、殘余應力、初始變形等。②統計的不確定性：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，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。

四、結構的可靠性研究

國內外學者對結構可靠度理論已經進行了較為深入的研究，在可靠度計算方法及復雜結構可靠度分析方面取得了很多研究成果。

任何工程分析和設計的最終目的是使設計的結構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計中，從而產生了很多可靠度方法。為了估計結構可靠度，首先要解決相關荷載和抵抗力參數以及它們之間的函數關系，這種關系（又稱功能函數）記作式中X1，X2，…，Xn是隨機變量。把極限狀態（或失效面）定義為Z0，則描述可靠度的參數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、目前用于結構可靠度分析的數值方法評述

這些數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）、響應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。把蒙特卡羅模擬法與有限元法結合起來，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，因此計算工作量相當浩大。

②響應面法

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。在響應面法中，對于一個具有大量隨機變量的問題來說，準確構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，響應面法對可靠度估計的準確性與功能函數的近似多項式的準確性有關。

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。

現在我國鋼結構研究已進入新階段，有關規范已出臺，國內鋼產量充足，為鋼結構的發展提供較好的物質和技術基礎，應及時把握其發展趨勢，結合我國國情，注意結合專業間的相互配合，促進鋼結構的發展。

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