首先要明確區分強度和穩定的不同性質。TJ17-74規范壓桿穩定計算的公式是:
(1)這一表達式反映我們當時對壓桿失穩的性質在概念上含混不清,因為N/A并不是應力,不應該用來表示。GBJ17-88規范糾正了這一錯誤,刪去了。但是,如果不仔細體會,只看到公式中的N和A,還可能誤認為穩定計算和強度計算一樣,是針對桿件某一個截面的驗算。
實際上強度計算是一個截面承載力的驗算,即應力問題,而穩定計算則是整個桿件的承載力驗算。只要從系數由桿件長細比決定,就可以理解。如果桿件是桁架或框架的組成部分,則長細比涉及所計算桿和相鄰桿的關系,包括后者的受力情況,也就是涉及到了整個結構。為了使初學者一開始就認清穩定問題的實質,我們在新版鋼結構教材中不再按構件分章,而是按極限狀態分章。截面承載能力(強度)、單個構件承載能力(穩定性)和整體結構中的壓桿和壓彎構件,分別列為三章,后一章解決構件的計算長度和整體結構的淵源關系。
第二個概念是:失穩是壓力使構件(或結構)剛度下降的結果。當剛度下降為零,構件(或結構)就達到臨界狀態。試想一根有初彎曲的桿,桿軸的曲線由 表達。在桿兩端施加軸壓力N后,平衡方程為解之,可得桿中央總撓度為 式中 NE—歐拉臨界力,NE=2EI/l2。
當N力達到NE時,撓度將無限增大,表示剛度退化為零,桿件無法保持穩定的平衡。經典力學中失穩的定義是桿件受到外界干擾而偏離平衡位置,在干擾消失后不能恢復原狀,甚至持續偏離。干擾究竟是什么,頗有點耐人尋味。在現實結構中,總是存在初彎曲和初偏心等幾何缺陷。是否可以理解幾何缺陷就是對完善直桿的干擾,不過這些干擾不會消失罷了。壓力使桿件剛度下降(彎曲剛度、扭轉剛度)是一個重要概念,忽視這一剛度就會造成差錯。
指出穩定分析和內力分析有以下不同特點:
(1) 穩定問題必須采用二階分析來代替一階分析,即不能忽視變形對外力效應的影響;
(2) 疊加原理不適用于穩定分析,因為分析中存在著幾何非線性;
(3)靜定和超靜定結構的區分在穩定分析中沒有意義,因為靜定結構的穩定分析也涉及到變形問題。這三條區別對于認識穩定問題的本質很有幫助,為此把它寫入研究生教材中。
在從事教學和規范、規程工作中感到,僅僅認識穩定分析的特點,對設計工作者還不夠,還需要掌握穩定設計的基本特點,或者說三個基本概念,即:
(1)結構計算簡圖和實用計算方法(包括規范給出的方法)所依據的簡圖應該相一致;
(2)結構穩定計算和結構布置方案相符合;
(3) 結構穩定計算和結構構造設計相符合。
這三點說起來很平常,好像事情本應如此,但是結構設計中違反這三點的事還是很容易發生的 ,因此需要加以強調。
前面已經提到,現實的鋼結構構件和穩定理論中理想化的完善桿是有區別的,那就是存在不同性質和不同程度的缺陷。桿件的初彎曲是最常見的幾何缺陷,這在確定壓桿的?系數時已經有所考慮。對框架結構來說,柱的初始傾斜是頗有影響的幾何缺陷。GB50017以假想水平力的方式對此加以考慮。殘余應力是影響構件穩定的力學缺陷,GBJ17-88規范把壓桿截面劃分為三類,是基于殘余應力的大小和分布情況確定的,GB50017規范新增d類截面,也是如此。