7.1 失穩概念
失穩也稱為屈曲，是指鋼結構或構件喪失了整體穩定性或區域性穩定性，屬承載力極限狀態的範圍。由於鋼結構強度高，用它製成的構件比較細長，截面相對較小，組成構件的板件寬而薄，因而在荷載作用下容易失穩成為鋼結構最突出的乙個特點。因此在鋼結構設計中穩定比強度更為重要，它往往對承載力起控制作用。
材料組成構件，構件組成結構。就鋼結構的基本構件而言，可分為軸心受力構件（軸拉，軸壓），受彎構件和偏心受力構件三大類。其中軸心受拉構件和偏心受拉構件不存在穩定問題，其餘構件除強度、剛度外，穩定問題是重點內容。
鋼結構工程事故的發生，因失穩破壞者屢見不鮮。在2023年，加拿大魁北克大橋在施工中破壞，9000t鋼結構全部墜入河中，橋上施工的人員有75人遇難。破壞是由懸臂的受壓下弦失穩造成的。
大跨的箱形截面鋼梁橋曾在2023年前後出現事故。美國哈特福特體育館網架結構，平面尺寸為92m*110m，突然於2023年破壞而落地，破壞起因是壓桿屈曲。我國也不例外，2023年太原曾發生過13.
2m*17.99m網架塌落事故。
鋼結構具有塑性好的顯著特點，當結構因抗拉強度不足而破壞時，破壞前有先兆，呈現較大的變形。但當結構因受壓穩定性不足而破壞時，可能失穩前變形很小，呈現出脆性破壞特徵。而且脆性破壞的突發性也使得失穩破壞更具危險性。
因此從事鋼結構的工程技術人員應引起高度的重視。
7.2 失穩的型別及特點
鋼結構失穩可分為整體失穩和區域性失穩。但就性質而言，又可分為以下三類。
1．平衡分岔失穩
完善的（即無缺陷，挺直的）軸心受壓構件和完善的中面受壓平板的失穩都屬於平衡分岔失穩問題。屬於這一類的還有理想的受彎構件以及受壓的圓柱殼等。
平衡分岔失穩也叫分支點失穩，稱為第一類穩定問題。還可分為穩定分岔失穩和不穩定分岔失穩兩種。
（1）穩定分岔失穩
這類屈曲的特點是有一穩定的平衡狀態，結構在到達臨界狀態時，從未屈曲的平衡位形過渡到無限鄰近的屈曲平衡位形，即由直杆而出現微變。此後變形的進一步加大要求荷載增加。見圖7.
1，直杆軸心受壓和平面在中面受壓都屬於此類情況，板有較顯著的屈曲後強度，目前在門式剛架設計中已得到利用。
（2）不穩定分岔失穩
結構屈曲後只能在遠比臨界荷載低的荷載下維持平衡位形。例如承受均勻軸向荷載柱殼（見圖7.2）；承受均勻外壓力的全球殼；綴條柱；薄壁型鋼方管壓桿等。
此類屈曲也叫「有限干擾屈曲」，因為在有限干擾作用下，在達到分岔屈曲荷載前就可能由半屈曲平衡位形轉到非鄰近的屈曲平衡位形。
圖7.1 穩定分岔屈曲
圖7.2 不穩定分岔屈曲
在此強調一點，穩定分岔失穩和不穩定分岔失穩對缺陷的敏感性截然不同。圖7.1和圖7.
2中虛線所示的是構件有幾何缺陷時的荷載與變形關係。顯然，這些虛線不再有分岔點。不同的是：
圖7.1中雖有缺陷，但荷載仍然可以高於臨界值；而在圖7.2中，荷載的極低值比無缺陷時大幅度降低。
因此不穩定分岔失穩對缺陷特別敏感。設計該類結構時若無視缺陷影響，必將帶來嚴重後果。
2．極值點失穩
極值點失穩也稱為第二類穩定問題，見圖7.3。具有極值點失穩的偏心受壓構件的荷載撓度曲線只有極值點b，沒有出現如理想軸壓構件那樣在同一點存在兩種不同變形狀態的分岔點，構件彎曲變形的性質沒有改變，故此失穩稱為極值點失穩。
它是指建築鋼材做成的偏心受壓構件，在塑性發展到一定程度時喪失穩定的承載能力。象雙向受彎構件、雙向彎曲壓彎構件的彈塑性彎扭失穩都屬於極值點失穩。對於實際的軸壓構件，由於初彎曲、初偏心等幾何缺陷的存在也應屬於偏心受壓構件的範疇。
因此極值點失穩現象十分普遍。
3．躍越失穩
此類屈曲的特點是：既無平衡分岔點，又無極值點，但和不穩定分岔失穩又有一些相似。結構由乙個平衡位形突然跳到另乙個平衡位形，其間出現很大的變形，都是從喪失穩定平衡後經歷一段不穩定平衡，然後重新獲得穩定平衡。
屬於此類失穩的有鉸接坦拱、扁殼、扁平的網殼結構等。此類屈曲雖然在發生躍越後荷載可以大於臨界值，但實際工程中不允許出現這樣大的變形，由於過大的變形會導致結構破壞，故應該以臨界荷載作為承載的極限。
圖7.3 極值點失穩
圖7.4 躍越失穩
圖7.4為一兩端鉸接的坦拱，在均布荷載q作用下有撓度w，其荷載撓度曲線也有穩定的上公升段oa，但到達曲線最高點a時會突然跳躍到乙個非鄰近的具有很大變形c點，拱結構頃刻下垂。其中虛線ab是不穩定的，bc段雖然是穩定的而且一直是上公升的，但此時結構已經破壞，故不能被利用。
7.3 失穩破壞的原因分析
穩定問題是鋼結構最突出的問題，長期以來，在大量工程技術人員的頭腦裡，強度的概念清晰，穩定的概念淡漠，並且存在強度重於穩定的錯誤思想。因此，在大量的接連不斷的鋼結構失穩事故中付出了血的代價，得到了嚴重的教訓。鋼結構的失穩事故分為整體失穩事故和區域性失穩事故兩大類，各自產生的原因如下。
7.3.1整體失穩事故原因分析
1．設計錯誤
設計錯誤主要與設計人員的水平有關。如缺乏穩定概念；穩定驗算公式錯誤；只驗算基本構件穩定從而忽視整體結構穩定驗算；計算簡圖及支座約束與實際受力不符，設計安全儲備過小等等。
2．製作缺陷
製作缺陷通常包括構件的初彎曲、初偏心、熱軋冷加工以及焊接產生的殘餘變形。各種缺陷將對鋼結構的穩定承載力產生顯著影響。
3．臨時支撐不足
鋼結構在安裝過程中，當尚未完全角成整體結構之前，屬幾何可變體系，構件的穩定性很差。因此必須設定足夠的臨時支撐體系來維持安裝過程中的整體穩定性。若臨時支撐設定不合理或者數量不足，輕則會使部分構件喪失穩定，重則造成整個結構在施工過程中倒塌或傾覆。
4．使用不當
結構竣工投入使用後，使用不當或意外因素也是導致失穩事故的主因。例如：使用方隨意改造使用功能，改變構件受力，由積灰或增加懸吊裝置引起的超載，基礎的不均勻沉降和溫度應力引起的附加變形，意外的衝擊荷載等。
7.3.2區域性失穩事故原因分析
區域性失穩主要針對構件而言，失穩的後果雖然沒有整體失穩嚴重，但對以下原因也應引起足夠重視。
1．設計錯誤
設計人員忽視甚至不進行構件的區域性穩定驗算，或者驗收方法錯誤，致使組成構件的各類板件寬厚比和高厚比大於規範限值。
2．構造不當
通常在構件區域性受集中力較大的部位，原則上應設定構造加勁肋。另外，為了保證構件在運轉過程中不變形也須設定橫隔、加勁肋等，但實際工程中，加勁肋數量不足、構造不當的現象比較普遍。
3．原始缺陷
原始缺陷包括鋼材的負公差嚴重超規，製作過程中焊接等工藝產生的區域性鼓曲和波浪形變形等。
4．吊點位置不合理
在吊裝過程中，尤其是大型的鋼結構構件，吊點位置的選定十分重要，由於吊點位置不同，構件受力狀態不同。有時構件內部過大的壓應力將會導致構件在吊裝過程中區域性失穩。因此，在鋼結構設計中，針對重要構件應在圖紙中說明起吊方法和吊點位置。
7.4 失穩事故的處理與防範
當鋼結構發生整體失穩事故而倒塌後，整個結構已經報廢，事故的處理已沒有價值，只剩下責任的追究問題。但對於區域性失穩事故可以採取加固或更換板件的做法得以解決，筆者認為，鋼結構失穩事故應以防範為主，以下原則應該遵守。
一．設計人員應強化穩定設計理念
防止鋼結構失穩事故的發生，設計人員肩負著最重要的職責。強化穩定設計理念十分必要。
1．結構的整體布置必須考慮整個體系及其組成部分的穩定性要求，尤其是支撐體系的布置。
2．結構穩定計算方法的前提假定必須符合實際受力情況。尤其是支座約束的影響。
3．構件的穩定計算與細部構造的穩定計算必須配合。尤其要有強節點的概念。
4．強度問題通常採用一階分析，而穩定問題原則上應採用二階分析。
5．疊加原理適用於強度問題，不適用於穩定問題。
6．處理穩定問題應有整體觀點，應考慮整體穩定和區域性穩定的相關影響。
二．製作單位應力求減少缺陷
在常見的眾多缺陷中，初彎曲、初偏心、殘餘應力對穩定承載力影響最大，因此，製作單位應通過合理的工藝和質量控制措施將缺陷減低到最小程度。
三．施工單位應確保安裝過程中的安全
施工單位只有制定科學的施工組織設計，採用合理的吊裝方案，精心布置臨時支撐，才能防止鋼結構安裝過程中失穩，確保結構安全。
四．使用單位應正常使用鋼結構建築
一方面，使用單位要注意對已建鋼結構的定期檢查和維護，另一方面，當需要進行工藝流程和使用功能改造時，必須與設計單位或有關專業人士協商，不得擅自增加負荷或改變構件受力。
總之，通過各方的共同努力，鋼結構失穩事故可以從根本上得到解決。
7.5 典型事故例項分析
[事故例項7.1] 加拿大魁北克大橋因失穩而墜毀
2023年，在加拿大境內首次建造跨越quebec河的三跨懸臂橋，該橋的兩個邊跨各長152.4m，中跨長548.64m，中跨包括了由兩個邊跨各懸伸出的長度為714.
45m的杆繫結構。豈料在架橋過程中，懸伸出的由四部分分肢組成的格構式組合截面的下弦壓桿，因新設定的角鋼綴條過於柔弱，四個角鋼綴條總的截面積只佔構件全截面面積的1.1%。
因此綴條不能有效地將四部分分肢組成具有足夠抗彎剛度的受壓弦杆，組裝好的鋼橋在合龍之前，撓度的發展已無法控制，分肢屈曲在先，隨之弦杆整體失穩，9000t中的鋼橋全部墜入河中，有75名員工遇難。該橋重建時，曾於2023年因施工問題又一次發生倒塌事故。
[事故例項7.2] 美國哈特福特城的體育館因壓杆失穩而倒塌
一．工程及事故概況
美國connecticut州hartford城的一座體育館， 2023年開始施工，2023年建成。屋蓋尺寸為91.44m×109.
73m，採用四柱支承的正放四角錐網架，網格為9.14m×9.14m，高6.
5m。網架每邊從柱挑出13.71m。
屋面採用有檁體系，檁條以寬翼緣工字鋼製成的小立柱支承在網架上弦節點，此外，南北向上弦中點也有小立柱，立柱間距分別為4.57m和9.14m(圖7.
5)。屋面為內排水，通過不同高度(25—80cm)的鋼立柱形成坡度，網架本身不起拱。網架還設定了再分式腹杆，即在四角錐面上加設桿件，連線斜桿中點和上弦中點。
網架主要桿件由四個等肢角鋼組成十字形截面，根據承重需要，最大角鋼為∟ 203×22，最小為∟89×8，再分式腹杆為單角鋼∟127×8。肢寬152mm及203mm的角鋼採用a572(屈服點為350n/mm2)，其它較小角鋼採用a36(屈服點為250n/mm2)，桿件採用高強螺栓連線。在構造上，網架上弦及腹杆中心線交於一點，而再分斜桿與上弦則通過由十字截面伸出的鋼板相連線。
此鋼板彎成角度，結果使再分斜桿中心線交點與上弦中心線有30cm的偏差(圖7.6)。
第8章鋼結構鏽蝕事故
鋼結構縱然有許多的優點，但生鏽腐蝕是乙個致命的缺點。國內外因鏽蝕導致的鋼結構事故時有發生。生鏽腐蝕將會引起構件截面減小，承載力下降，尤其是腐蝕產生的 鏽坑 將使鋼結構的脆性破壞的可能性增大。再者，在影響安全性的同時，也將嚴重影響鋼結構的耐久性，使得維護費用昂貴。據有關資料統計，世界鋼結構產量約十分之...
鋼結構第6章
第六章鋼結構施工安裝 第一節鋼結構工程安裝方案的編制 鋼結構工程安裝方案著重解決鋼結構工程安裝方法，安裝工藝順序及流水段劃分，安裝機械的選擇和鋼構件的運輸和擺放等問題。一 鋼結構工程安漩方法選擇 鋼結構工程安裝方法有分件安裝法 節間安裝法和綜合安裝法。1 分件安裝法 分件安裝法是指起重機在帶間內每開...
第1章鋼結構緒論
51.2 鋼結構發展的歷史 現狀和趨勢鋼結構發展的歷史 我國是最早用鐵建造結構的國家之一，比較典型的應用是鐵鍊橋，主要有雲南省永平與保山之間跨越瀾滄江的霽虹橋以及四川瀘定大渡河上的瀘定橋 其次是一些紀念性建築，如建於967年的廣州光孝寺的東鐵塔和建於963年的西鐵塔，以及建於1061年的湖北當陽玉泉...