浅谈钢结构在抗震破坏中的应对方案

刘强

摘要：针对钢结构在地震作用下的破坏，稳定问题一直是钢结构设计的关键问题之一，结构体系的广泛应用凸显了稳定问题研究的重要性。

关键词：钢结构 稳定性 方案

近年來，随着我国经济的飞速发展，钢结构作为一种新的建筑形式，钢结构的应用范围越来越广泛，无论是高层、超高层、轻型钢结构和大跨度空间结构等都因其施工速度快、周期短、抗震性能好而被广泛的应用。因此我们对钢结构的研究是很有必要的。

一、钢结构体系稳定性研究中存在的问题

钢结构体系稳定性研究虽然取得了一定的进展，但也存在一些不容忽视的问题：

①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映轴力和弯矩的耦合效应。②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的稳定安全系数，未反映整体稳定与局部稳定的关联性。③预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善，目前还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的稳定性。

二、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，缺陷可能会造成结构稳定性的急剧下降，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的知识，有一定难度，目前这方面的研究成果有限。

三、结构分析中的不确定性因素来源

影响刚结构体系稳定性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，所导致的理论值与实际承载力的差异，都归结为模型的不确定性。

四、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，在可靠度计算方法及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。为了估计结构可靠度，首先要解决相关荷载和抵抗力参数以及它们之间的函数关系，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，则描述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：一次可靠度方法（FORM）和二次可靠度方法（SORM）。

五、目前用于结构可靠度分析的数值方法评述

这些数值方法一般分为三类：蒙特卡罗模拟法（包括高效的取样法和方差缩减技术）、响应面法和基于敏感性的分析方法。

①蒙特卡罗模拟法

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，大量重复的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，计算出结构的可靠性。把蒙特卡罗模拟法与有限元法结合起来，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，因此计算工作量相当浩大。

②响应面法

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函数的近似多项式的准确性有关。

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）结合起来分析具有隐式型的功能函数的可靠性问题，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点（也叫最小距离点）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于最小距离点，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。

现在我国钢结构研究已进入新阶段，有关规范已出台，国内钢产量充足，为钢结构的发展提供较好的物质和技术基础，应及时把握其发展趋势，结合我国国情，注意结合专业间的相互配合，促进钢结构的发展。

参考文献：

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[2]舒兴平，沈蒲生.空间钢框架结构的非线性全过程分析[J]工程力学，1997（03）.

[3]程鹏，童根树.单跨两层框架的稳定性[J]钢结构，2001（02）.endprint