建筑工程中钢结构的事故按破坏形式可分为以下几种：一是钢结构失稳；二是钢结构的脆性断裂；三是钢结构承载力和刚度失效；四是钢结构疲劳破坏；五是钢结构的腐蚀破坏等。这些事故中，有些属于突然性的脆性破坏，有些属于可提前发现的延性破坏。

失稳破坏

钢结构的失稳主要出现在轴压构件、压弯构件和受弯构件中。它能分为两类，一类是丧失局部稳定，另一类是丧失整体稳定性。一旦钢结构出现失稳破坏，其破坏速度非常快，根本来不及采取补救的措施。并且后果较为严重。

钢结构的脆性断裂

钢结构脆性破坏发生时，应力通常远低于钢材的屈服强度。破坏前没有明显的变形，吸收的能量非常小。破坏会突然发生，没有事故的征兆，断口呈现出平齐光亮的状态。

钢结构承载力和刚度失效

钢结构承载力失效意味着在正常使用状态下，结构构件或连接由于材料强度被超过而出现破坏的情况。其主要原因通常包含以下一些方面：一是超载或者受荷方式发生改变，致使超过了结构构件的设计应力强度；二是连接构件出现了破坏等情况。

钢结构疲劳破坏

钢结构疲劳破坏指的是在反复交变荷载的作用下，钢材或构件在拉力远远小于抗拉极限强度，甚至比屈服点还小的时候所发生的一种破坏。这种疲劳破坏经历了裂缝起始这一过程，也经历了裂缝扩展的过程，还经历了断裂的过程。

疲劳破坏断口通常包含疲劳区和瞬断区。疲劳区能够记录下裂缝扩展以及闭合的过程。瞬断区则反映出了脆性断裂的特点。

钢结构的腐蚀破坏

因腐蚀产生的锈坑会让钢结构脆性破坏的可能性增大。

在钢结构发生破坏的各类情况中，钢结构失稳破坏较为常见。上半年钢结构的特点，泉州某酒店出现整体垮塌的情况。其垮塌的原因在于，该建筑物原本是四层，却违法增加夹层改建成了七层，从而达到了极限承载能力，处于坍塌的临界状态。并且，在事发之前，对底层支承钢柱进行了违规的加固焊接作业，引发了钢柱的失稳破坏，最终致使建筑物整体坍塌。

事故原因简言之，是因为超载。超载使得钢结构柱的稳定承载力出现了问题，进而导致了房屋的整体垮塌。钢结构建筑与混凝土结构建筑不同。当钢结构柱子出现失稳破坏时，其表现出“破坏迅速”“反应强烈”的特点。小编写这篇文章，主要是想给建筑师以及初涉结构设计领域或初涉钢结构设计的新人普及钢结构稳定的概念，让他们警惕钢结构房屋最容易发生的一种破坏形式——“失稳破坏”。普及一些基础的钢结构失稳相关概念，尤其要普及竖向构件的失稳概念。在大家追求极为细长、苗条的构件的过程中，能让大家心中存有一个安全的底线。

失稳意味着结构由于微小的干扰而丧失了原本的平衡状态，并且转移到了另一个新的平衡状态。这是在上学期间，老师传授给我的知识。失稳和强度破坏是不同的，举个例子就能够让大家很轻易地将强度破坏和稳定破坏区分开来。大家拿个吸管放在桌上。用手按压吸管，能发现吸管很容易就被压弯了。这种情况下，吸管发生的是稳定破坏。如果不按压吸管，而是用两只手拉吸管，一般人是拉不坏的。要是能拉坏，那么此时吸管发生的就是强度破坏。

说到稳定承载力，就不得不提经典的欧拉公式：

外荷载Pcr

一个轴压构件，它的屈曲承载力能够依据上面的公式进行计算。我们将这个公式进行了拆解，左边的 Pcr 表示构件的屈曲承载力。当外部荷载 P 不超过 Pcr 时，构件就不会发生屈曲。所以泉州酒店发生垮塌，外界荷载 P 的增加必然是一个原因，无论是敲掉承重墙，还是加建夹层，都属于造成外荷载 P 增大的原因。

π2是个常数

这个大家都懂，记不住的同学看下图。

E是材料的弹性模量

常用结构的弹性模量如下表所示。大家能够看出，对于同样是 300x300 的方柱截面，在同等情况下，混凝土结构的屈曲承载力比木材的要高。

I是截面的惯性矩

截面的惯性矩是衡量结构构件尺寸的一个标尺。大家不必死记，而要有基本的力学概念。

矩形或工字型截面存在强轴和弱轴之分。比如下图的构件受到轴压力时，构件会往哪个方向失稳呢？显然是往弱轴方向失稳。所以稳定承载力控制的竖向构件优先采用圆管和方钢管的截面。圆管可做到各向等强，方钢管可做到 XY 两个方向等强。

这个概念很重要。L 是该轴压杆件的实际几何长度，且是在一个计算方向的取值，通常取侧向约束点的距离。所以，下图中左侧杆件的几何长度是右侧杆件几何长度的 2 倍。由于屈曲承载力和杆件长度的平方呈对应关系，所以屈曲承载力左侧只是右侧的 1/4。因此，增加侧向约束是提高构件屈曲承载力的有效手段。

在计算屈曲承载力时使用的是μL，也就是相当长度。可以简单理解为，μ是用来考虑外界对受力构件的约束的。如果外界约束越强，那么μ就会越小钢结构的特点，而构件的屈曲承载力就会越大。

典型的受压杆件μ的取值如下表所示。此参数的意思在于，外界约束若不同，杆件的失稳模态就会有所差异，进而导致承载力出现差别。

有人说泉州酒店是钢结构梁柱节点出现破坏，这使得钢梁给钢柱的侧向约束降低，进而导致钢柱的稳定计算长度增加，最终致使钢柱失稳而发生破坏。大家应该能明白其中的原理了吧。

大家会有疑问，要是在设计梁柱结构体系时，梁对柱的约束既不是典型的铰接，也不是典型的刚接，那计算长度系数μ该如何选取呢？大家可以通过以下方式来进行相关操作。首先，用 SAP2000 对结构进行建模。接着，对自己感兴趣的穿层柱或者细长柱进行 buckling 分析，从而得到屈曲因子。有了屈曲因子，就能得到该杆件的 Pcr。然后，利用下图中的公式，反算出μ。这里就不做过多的讲解了，如果大家对操作流程有不明白的地方，可以通过私信来寻求解答。

欧拉公式的讲解已接近尾声，接下来我们来探讨双非线性的问题，也就是材料非线性和几何非线性。所谓材料非线性，通常是指材料的本构关系并非一条直线，像钢材这种典型材料的本构关系如下图所示。因为在我们日常的设计中，构件大多处于弹性阶段，所以对于材料非线性我们就不再详细阐述了。

当结构的变位使得体系的受力出现了明显的变化，并且这种变化大到不能运用线性体系的分析方法时，就被称作几何非线性。提及此情况，就必然要提到初始缺陷的问题。

杆件没有初始缺陷时，其荷载位移曲线呈现出特定的形态。在到达临界荷载之前，结构不会发生变形。而当达到临界屈曲荷载时，存在往任何一个方向失稳的可能性。

杆件加工时通常都存在一定的初始缺陷。若杆件有初始弯曲度，结构的荷载位移曲线就会呈现出相应变化。这才更符合实际情况，即杆件因几何初始缺陷的影响，其变形会随着荷载的增加而越来越大，杆件最终的承载力实际上达不到临界屈曲荷载值。

因为结构初始缺陷肯定是存在的，所以我们能否利用它呢？答案是可以的。大家能够在我之前所写的文章“ABAQUS 在设计院能做什么呢？（上）”里找到下面这个算例。对于此框架，我们在构件加工过程中可以人为地对其初始缺陷进行引导。当杆件出现屈曲失稳的情况时，右偏心会导致屈曲后承载力下降。如果外部荷载无法卸载掉，构件就会发生大变形破坏。左偏心时，构件会发生屈曲失稳，然而它仍能继续承担外荷载，并且会同时出现大变形。这种情况能给人员提供一定的警示，也能为人员争取到逃生的时间。

因此，结构工程师在进行上述结构的设计时，能够将其做成向左具有一定初始偏心的机构。这样一来，它的后屈曲性能是稳定的，结构也会比较安全。

初学者可以使用 ABAQUS 来联系对上述结构进行荷载位移曲线模拟，查看是否能够算出结构的下降段，这对加深对稳定的理解是有帮助的。