整體結構分析與穩定設計是鋼結構設計的核心內容，也是難點。很多結構工程師（不管是在中國從事結構設計的工程師，還是在美加執業對鋼結構設計規範了解不是很深入的結構工程師）被設計規範的條條框框繞得雲裡霧裡，無所適從。那麼今天我們就來理一理思路讀一讀規範，希望本文能幫助結構設計工程師們更好的從本質上理解鋼結構規範的分析設計要求，並且對中、美、加規範在這方面的主要規定及異同點有一個概念上清晰地認識。為此，在進入我們今天的文章的主題之前，我們首先要明確兩個重要的概念：
1.「結構分析計算」和「構件設計」之間的關係
「結構分析計算」是指為所要設計的待建建築物構建一個合理的並經簡化處理的力學分析模型（比如用不同材料特性的空間杆系模型來模擬結構的梁柱支撐等，用平面殼單元來模擬樓板等）並對這個模型施加與所要設計的待建建築物預期功能相匹配的荷載（比如結構自重產生的豎向恆載，附加在結構構件上的各種類型的固定荷載和可變荷載，和作用在結構上的風，地震作用等），然後通過恰當的分析計算手段（比如，一階彈性分析，二階彈性分析，直接分析等）算得結構各構件在不同荷載作用下的內力的過程。結構分析計算是一個跟整體結構體系，材料特性，結構所受荷載和分析方法相關的宏觀的整體的過程。
而「結構設計」通常是指構件層面的「結構構件設計」。即對通過結構分析計算後所得的結構各構件在不同荷載作用下的內力按照規範的要求進行組合，得出相應的極限設計狀態(譬如承載力極限狀態Ultimate Limit State (ULS)和正常使用極限狀態Serviceability Limit State (SLS)) 的控制荷載組合，然後按照各材料規範及標準規定的構件設計公式對具體的梁板柱牆支撐等結構構件進行「構件設計」以確定相應結構構件的設計承載能力（Capacity or Resistance）能夠抵抗其所受的荷載效應（Demand）。當結構構件的設計承載力不能抵抗其所承受的荷載效應時，應對相應的結構構件進行截面調整，然後重新進行整體結構分析計算->構件設計校核（Demand vs Capacity）,如此往復，直至結構的所有構件的設計承載力滿足其所承受的荷載效應的要求。
所以 「結構分析計算」和「結構構件設計」是兩個不同的概念，它們在設計過程上相互獨立，但在具體構件設計上又互相聯繫，因為不同的結構分析計算方法（假定）有著與其相對應的不同的構件設計方法及公式，這是各國結構設計規範條文框架設定的共性基礎。結構工程師必須要深刻地認識和理解這一點。
2.「P-Delta效應（包括P-Δ和p-δ）」和「結構穩定」之間的關係
從本質上說P-Delta效應是在荷載作用下，由於整體結構和構件的變形而導致的對結構和構件一階效應變形的進一步放大的效應。聽起來比較抽象，圖示就比較好理解了。如下圖左所示，P-Δ效應是作用在結構體系上的豎向力P對在水平荷載V作用下產生側向變形Δ後的結構所產生的附加作用，即下圖中的P*Δ會進一步加劇結構的側向變形直至體系達到平衡狀態。而p-δ則是構件層面的P-Delta效應，即作用在構件上的軸向力，對由於作用在杆件中的側向力或杆件初始幾何缺陷而產生的杆件撓曲變形δ所產生的附加作用，即下圖右中的p*δ會進一步加劇軸壓構件的側向撓曲變形直至杆件的力與變形達到平衡狀態。
而穩定是結構和杆件固有的特性，簡單來說即是指高寬比較大的結構體系或長細比較大的杆件在軸向荷載作用下，隨著荷載增加至某一個臨界值後突然發生急劇的大變形伴隨以急劇的承載力降低的一種現象，是結構體系和構件在荷載作用下所固有的一種特徵。P-Delta效應和初始幾何缺陷會降低結構穩定承載力的臨界值，典型的杆件分岔屈曲（Bifurcation Buckling）如下所圖示。所以，不管結構是否考慮P-Delta效應，是否有初始幾何缺陷，在超出一定的長細比條件下，穩定問題始終存在。所以「P-Delta效應（包括P-Δ和p-δ）」和「結構或構件的穩定」在概念上是兩碼事。這一點要搞清楚。
在搞清楚「結構分析計算」和「構件設計」之間的關係，以及「P-Delta效應（包括P-Δ和p-δ）」和「結構穩定」之間的關係後，我們就比較容易繼續今天要討論的話題了。鋼結構整體結構分析與穩定設計方法，其實質上就是討論不同的「結構分析計算」方法和對與其相對應的「構件設計」的影響；以及如何考慮P-Delta效應，構件幾何缺陷(Geometric Imperfections)，材料的非彈性(Inelasticity)以及結構強度和剛度的不確定性(Uncertainty in Strength and Stiffness)的影響。那麼下面我們就來簡單捋一捋各國鋼結構設計規範標準對此是如何規定的。
中國鋼結構設計標準 (GB50017-2017)
首先來看看中國的現行鋼結構設計標準GB50017-2017(以下簡稱「中鋼標」)是怎麼規定的。在「中鋼標」第5章節對結構分析與整體穩定性設計有著非常詳細的規定要求。歸納一下給出了以下幾種結構整體分析與穩定計算方法及其對應的構件設計方法，如下表所示：
由上表可見，現行「中鋼標」明確給出了三種結構整體分析計算方法（即一階彈性分析法，二階彈性分析法以及直接分析法），並給出了具體可操作的考慮結構及構件初始幾何缺陷，P-Delta效應（包括P-Δ和p-δ）的分析計算方法。同時給出了與這三種結構整體分析計算方法相對應的構件設計方法。但是，「中鋼標」所給出的直接分析法存在以下不足：
1.未明確考慮結構和構件的強度和剛度的不確定性的影響；也未給出實際可操作的考慮材料的非彈性的方法（在具體工程結構整體分析中，直接在分析模型中模擬材料的彈塑性發展和內力重分布以及考慮初始殘餘應力是不可想像的，理論上可行，但如不採取簡化措施，在實踐中基本沒有可操作性）。
2.「中鋼標」第5.5.8條規定「當受壓構件所受軸力大於0.5Af時，其彎曲剛度應乘以折減係數0.8」似乎依據不足，條文說明也未見相關依據。
美國鋼結構設計標準 Specification for Structural Steel Building (AISC 360-16)
那麼我們再來看看現行美國鋼結構設計標準（AISC 360-16，以下簡稱「美鋼標」）是怎麼規定的。現行「美鋼標」規範正文第C章節中僅給出了考慮P-Delta效應，初始幾何缺陷，材料的非彈性以及結構強度和剛度的不確定性的「直接分析法-Direct Analysis Method(DM)」作為規範推薦的結構整體分析與穩定計算的方法。但是，「美鋼標」在附錄7中也給出了「有效計算長度設計法-Effective Length Method (ELM)」及「一階分析法-First-Order Analysis Method」作為「直接分析法(DM)」的替代分析設計方法。現將這幾種整體穩定分析方法和其對應的構件設計法簡單歸納整理如下表所示：
另外「美鋼標」在附錄1中還給出了更為先進的「高等結構分析設計法-Design By Advanced Analysis」，具體要求及特點歸納總結如下：
由以上兩表可見，現行「美鋼標」中明確給出了4種結構整體分析計算方法，直接分析法，有效計算長度分析法，一階分析法以及高等設計分析法，其中高等設計分析法又分為彈性分析設計法和非彈性分析設計法。「美鋼標」中的直接分析法，有效計算長度分析法和一階分析法均給出了具體的可操作的考慮結構及構件初始幾何缺陷，P-Delta效應（包括P-Δ和p-δ）的分析計算方法，同時也給出了與這三種結構整體分析計算方法相對應的構件設計方法。但是，「美鋼標」所給出的高等分析設計法也存在以下不足之處：
1.無論是高等分析設計法中的彈性分析設計法，還是非彈性分析設計法，均未給出對如何在結構分析計算模型中直接模擬結構體系及構件的幾何初始缺陷的具體要求，僅籠統地以「需在計算模型中直接模擬」要求，對從事結構分析設計的結構工程師的要求較高，且由於沒有一個統一的計算建模分析標準，對分析結果的準確性的評價則會產生一定的差異性；
2.在有效長度法中，「美鋼標」中所宣稱的「構件層面的幾何初始缺陷、由材料非彈性而導致的結構剛度折減以及強度和剛度的不確定性均在構件的有效計算長度係數中反應」這一點的論據似乎不足。因為從「美鋼標」條文說明對計算長度係數的介紹和解釋來看，其可以很好地解釋對構件層面幾何初始缺陷的考慮，但對計算長度係數如何考慮「由材料非彈性而導致的結構剛度折減以及強度和剛度的不確定性」缺乏合理的解釋。
加拿大鋼結構設計標準-Design of Steel Structures (CSA S16-19)
最後我們來看看最新出爐的加拿大鋼結構設計標準CSA S16-19（以下簡稱「加鋼標」對結構的整體穩定分析及與其對應的構件設計方法是如何規定的。「加鋼標」在第8章中給出了彈性分析法-Elastic Analysis、非彈性分析法-Inelastic Analysis和塑性設計法-Plastic Analysis三種主要結構分析方法，與結構整體穩定相關的彈性分析法和非彈性分析法要求分別在第8.4章節結構穩定設計和附錄-O高等結構分析指南(Guidelines for Advanced Structural Analysis)中給出。現簡要總結如下：
由以上兩表可知，「加鋼標」給出了三種鋼結構整體穩定分析方法，分別為「簡化彈性穩定分析法」、「彈性高等分析法」和「非彈性高等分析法」。其中「簡化彈性穩定分析法」同「美鋼標」的「一階分析法」類似，只是在notional force上略微保守；而「彈性高等分析法」同「美鋼標」的「直接分析法」基本一致；「非彈性高等分析法」同「美鋼標」高等分析設計法中的「非彈性分析設計法」基本一致。
結論和啟示
綜上可知，現行「中鋼標」、「美鋼標」和「加鋼標」三者相比各有優勢，也有各自不足之處：
「中鋼標」的一大明顯特點就是從「一階彈性分析法」、「二階彈性分析法」到「直接分析法」，由簡單到複雜，較好地針對不同複雜程度的結構類型給出了不同的分析設計方法；其首次推出的「直接分析法」更提供了具體的可操作的考慮結構及構件初始幾何缺陷，P-Delta效應（包括P-Δ和p-δ）的方法，對結構工程師的設計指引較為具體。但是，「中鋼標」中的「直接分析法「由於未明確考慮結構和構件的強度和剛度的不確定性的影響；也未給出實際可操作的考慮材料非彈性對結構強度剛度影響的方法，所以嚴格來講似乎還不是完全意義上的「直接分析法」，期待這個短板在後續的規範更新中能夠得以補上。
「美鋼標」的特點就是全面，其給出的「直接分析法」，「有效計算長度分析法」，「一階分析法」（相當於「中鋼標」的「二階彈性分析法」）以及彈性和彈塑性兩個高等設計分析法，幾乎涵蓋了現今鋼結構整體穩定分析的所有主流方法。「美鋼標」的直接分析法，有效計算長度分析法和一階分析法均給出了具體的可操作的考慮結構及構件初始幾何缺陷，P-Delta效應（包括P-Δ和p-δ）的分析計算方法，其直接分析法通過採用對構件剛度折減的方法以考慮結構和構件的強度和剛度的不確定性以及材料非彈性對結構強度剛度的影響，便於在實際工程分析設計中應用，但是，這個神奇的0.8τb 剛度折減係數具有較粗略的近似性，對某些特殊類型的結構體系，其適用精確性還有待考量。另外「美鋼標」所給出的高等分析設計法中，無論是彈性還是非彈性分析設計法，均未給出對如何在結構分析計算模型中直接模擬結構體系及構件的幾何初始缺陷的具體要求，僅籠統地以「需在計算模型中直接模擬」要求，因此，對從事結構分析設計的結構工程師的技術水平要求較高，且由於「美鋼標」沒有提供一個統一的計算建模分析標準，對分析結果的準確性的評價則會產生一定的差異性；還有，在「美鋼標」的「有效長度法中」，其所宣稱的「構件層面的幾何初始缺陷、由材料非彈性而導致的結構剛度折減以及強度和剛度的不確定性均在構件的有效計算長度係數中反應」這一點的論據似乎不足。
而現行「加鋼標」的一大特點就是簡潔而適用，其摒棄了「美鋼標」中尚保留的「有效計算長度分析法」和「中鋼標」中簡易的「一階彈性分析法」，僅給出了三種鋼結構整體穩定分析方法，其「簡化彈性穩定分析法」類似「美鋼標」的「一階分析法」 和「中鋼標」的「二階彈性分析法」；「彈性高等分析法」 類似於「美鋼標」和「中鋼標」的「直接分析法」；其「非彈性高等分析法」同「美鋼標」的「彈塑性高等設計分析法」基本保持一致。由於其是去年（2019年）才出版，故它代表了目前北美鋼結構設計的最新研究成果，儘管其不如「美鋼標」來得全面。
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