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钢结构稳定性的新诠释 饶芝英，童根树 (浙江大学土木系， 杭州 310027) 强度、刚度和稳定性是三个不同的概念，强度表示结构中的材料能够承受的最大应力，刚度表示其抵抗变形的能力，失稳表示结构不再能够保持原来的平衡状态继续承受附加荷载（虽然此时最大应力不到材料的屈服强度）。强度和稳定性代表结构的极限状态，即结构不再有继续承受荷载、抵抗进一步变形的能力，刚度到了零的状态。因此刚度这一概念对于描述结构的状态更为重要，刚度是结构居第一位的的性质.。借助刚度概念，强度和稳定性的概念可以统一。一、应力应变关系：强度和刚度 首先考察一下钢材的应力应变关系曲线（曲线）, 如图1所示。从钢材的曲线，得到钢材的四个机械性能指标： 在时有屈服平台，且荷载不增加时变形迅速增加。以此为基础，进行强度计算。以上述曲线为基础，借助于材料力学的先入为主的影响，在我们的脑海中，深深的烙下了强度是最最主要的、占第一位的印象。 实际上从关系上，可以得到更为重要的参数：弹性模量 或 （或）和哪一个更重要？是因为达到使=0，还是因为逐渐减小，达到0才引起曲线上出现屈服平台？ 从现象学的观点讲，完全可以认为是因为刚度的减小导致应力应变曲线上出现了屈服平台，从而引出了以为强度计算标准的结论。因此强度计算反映的是刚度为零的极限状态。 对于常温下出现脆性破坏的材料，仍然存在弹塑性转变阶段，因为材料无塑性变形能力，导致转变段很短，在曲线上表现出应力一接近脆断应力，刚度就达到零的状态，并发生断裂。二、压杆的稳定性 轴压杆的临界荷载为：。从此可以看出，稳定问题是一个刚度问题。如果结构处于弹性阶段，则结构的稳定性是与没有关系的一个性质，就象结构的自振频率一样。 在设计人员的脑海中，自振频率是结构的一个特性，与强度并不发生关系，各种程序都依弹性假定计算建筑物的各阶自振频率和振型。而人们将稳定性与联系起来，这是为什么？它源于这样的公式： 而实际上，在弹性阶段，扣除安全系数这个因素， 所以，返回来以后可以认定稳定问题仍是一个刚度问题。构件的稳定计算为什么要与钢材的屈服强度发生关系？因为在弹塑性阶段，钢材的切线模量与钢材的应力有关。 三、刚度是什么 刚度是抵抗变形的能力。什么东西抵抗什么变形的能力？在大学的课程中我们学到如下刚度概念。 1.材料微元体：微元体的变形为正应变和剪切应变，材料抵抗这种变形的刚度指标为材料拉 伸模量和剪切模量； 2...截面的刚度：截面的变形有轴向压缩、截面弯曲曲率、截面平均剪切变形、扭率和单位 翘曲，对应的刚度分别为，，，，；图2 构件的刚度 3. 构件的刚度：构件的变形有构件两端的相互靠近（压缩）、杆端转动和构件两端的相对侧移等，构件刚度用，等线刚度来衡量。构件的刚度还与支承条件有关，例如柱子（构件）抗侧移刚度；构件修正抗侧移刚度为；,为梁端抗弯刚度；, 为修正的梁端抗弯刚度；等等。 4. 结构（子结构）的刚度：如层抗侧移刚度。从以上可知，结构是分层次的，刚度也是分层次的，每一层次结构都会发生失稳现象。在材料层次上，应力应变曲线上切线模量为零的点表示金属内部晶体结构不再能保持原状，通过滑移达到新的状态，这代表的是微观状态的失稳。材料和截面层次的失稳是强度问题。更高层次结构的失稳就是稳定问题。我们关注的稳定性，通常是构件和（子）结构层次上的稳定性。 四、失稳代表了什么 失稳表示结构（构件）不再能承受附加的水平力或竖向力，代表了水平抗侧刚度或竖向抗压刚度的丧失（刚度=0）。从失稳现象我们能够推论出什么结论？（1）图3a,b所示悬臂柱的抗侧刚度=，已知当时柱子失稳，抗侧刚度达到0的状态。（2）图3c,d所示压杆当时轴压刚度=(），在时柱子发生失稳，轴压刚度达到了0（轴力不增加，由于压杆弯曲产生的弓弦效应迅速增加）。很显然，压力（重力）是使结构和构件刚度降低的一个因素。反之拉力使结构刚度增加。结论： 拉力=构件或结构层次上的正刚度 压力=构件或结构层次上的负刚度拉力即刚度，有拉力，无物理抗弯刚度（）也可以承受荷载。拉力可以使一个几何可变的结构具有承受荷载的能力。张力膜结构和悬索、拉索结构是对拉力作为刚度（而不是强度）使用的最好例子。作这个论断并不是说这类结构可以不作强度计算，可以这样理解这些张力结构的强度计算：控制应力使之以规定