建筑结构设计中,考虑二阶效应的强度问题和考虑二阶效应的稳定问题是有轴力与弯矩、剪力同时作用的杆件以及整体结构性能控制中的关键问题。由于二阶效应及稳定问题的复杂性,至今仍有若干关键问题有待解决。正确理解几何非线性、屈曲、计算长度等与二阶效应及稳定问题相关的概念并了解其正确工程应用方法对工程设计具有重要的指导意义。近年来,随着国内基础设施建设及房地产业的快速发展,涌现出越来越多形式复杂、造型多样的建筑结构。与上世纪后期相比,不仅结构高度进一步增大,且常出于使用功能需要而在结构中采用了混凝土及钢筋强度高、负担荷载更重,且长细度也颇大的越层巨柱、越层周边框架柱或其他在水平荷载下主要承受较高压力的撑杆式构件(如上海中心的多次越层巨柱、广州东塔的巨型结构主结构巨柱、广州西塔的菱形格构式外框筒的斜压构件以及其他高层建筑中常遇的越层框架柱等)。针对这些构件,结构设计人有理由关心其是否存在稳定风险,并希望得到对其进行稳定验算的有效方法。但我国《混凝土结构设计规范》[1]和《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]与其他国家同类规范类似,都是因以往混凝土结构工程中难以出现稳定问题而未给出相应规定,从而存在有待弥补的缺口。另一方面,从最近几年国内学术刊物对钢筋混凝土结构二阶效应及稳定问题进行讨论的文章中,特别是对上述有稳定验算需求的结构构件设计方法进行讨论的文章中也清楚看到,虽有文章对这些问题涉及的概念作了有效的进一步澄清,但也确有不少文章在论述中暴露出了对二阶效应相关概念、结构二阶效应规律及分析方法、计算长度规定的历史背景以及各类稳定临界状态识别方法有效性的不一定确切的解释和使用,这对本来就无法从相关著作和文献中找到对这些问题的系统、中肯解释的结构设计界来说,只能是增加更多的困惑;而结构设计人在找不到其他有效方法时照抄某些文献建议的可能存在问题的做法,又必然会在所完成的结构设计中留下安全隐患。因本论文作者所在学术团队自上世纪70年代后期起一直是参与或参与主持修订中国《混凝土结构设计规范》二阶效应条文规定的责任单位,针对上述存在问题有必要作出澄清概念的努力,并针对各种端约束条件下有轴力与弯矩、剪力共同工作的钢筋混凝土构件的稳定验算的规范规定缺口作出研究努力。为此,本论文在团队建议下拟按以下内容完成研究任务:①简要说明到目前为止已经经过结构分析得到较准确识别的两类二阶效应规律,即P-?效应规律和P-δ效应规律;对工程界存在争议的“二阶效应是否会增大框架梁、柱水平荷载剪力”问题进行推导说明,给出相应结论;对《高层建筑混凝土结构技术规程》和《混凝土结构设计规范》中用于计算剪切型结构P-?效应的层增大系数法和用于计算弯曲、弯剪型结构P-?效应的整体增大系数法,几何非线性相关理论和SATWE、ETABS、SAP2000等结构分析计算软件中用于计算二阶效应的基于几何刚度的有限元法(虚柱法)进行介绍。希望这些工作能有助于结构设计人更直观、准确地理解各类结构中的二阶效应变形规律以及内力放大效应规律。②简要说明到目前为止中国《混凝土结构设计规范》各个版本中所使用过的解决考虑二阶效应的强度及变形问题的各种思路和方法。③简要讨论结构稳定理论的有关问题。对欧拉单柱和整体结构的稳定承载力及屈曲模态计算方法进行介绍;讨论强度、失稳和二阶效应三者的区别与联系;给出钢筋混凝土结构的稳定设计思路。由此得到关于稳定问题的两点重要体会:1、从宏观上讲,直至目前解决结构稳定问题的思路主要有两种,一是基于弹性分枝失稳概念的计算长度法,该法将整体结构的非弹性失稳问题转化为组成结构的各构件的稳定验算问题,虽然在稳定问题从结构向构件转化的过程中概念理解上会有些复杂,但是这种转化使稳定设计的过程更为简化,也更加符合结构设计人基于构件层面的设计习惯,因此直至今日,这种基于计算长度的稳定设计方法也仍被结构设计界大量使用;二是基于弹性渐近线失稳或非弹性极值点失稳概念的高等分析法,该法直接在分析过程中全面考虑了结构和构件的初始缺陷、几何非线性和材料非弹性等影响结构和构件稳定性的各类因素,将考虑二阶效应的强度失效过程和考虑二阶效应的稳定失效过程作为结构在荷载作用下整个二阶非弹性变形过程中的两个特定阶段,用基于结构层面的可靠度设计方法对结构进行考虑二阶效应的强度和稳定设计;2、在实际工程中普遍存在的弹性渐近线失稳和非弹性极值点失稳模式下,可认为二阶效应发展的极限状态就是失稳,从这个角度讲,考虑二阶效应的强度问题与考虑二阶效应的失稳问题在二阶效应规律的体现上具有同源性。④对计算长度进行讨论,说明以往使用的二阶效应范畴的计算长度与稳定范畴的计算长度之间存在的某些具体差异以及它们所表达的总体趋势上的一致性基础;重点介绍到目前为止已有文献中从压杆分枝失稳角度讨论计算长度的确定方法中给出的各类建议,分析这些建议可能存在的某些不足,并给出本论文作者建议的一种与已经给出的各类方法相比更加符合结构实际受力性能的压杆失稳计算长度的确定方法,并说明其应用条件。⑤简要介绍目前在国际钢结构界已经有人提出的能够较好考虑结构体系各类构件初始缺陷、二阶效应(几何非线性)以及材料非弹性特征的整体结构强度及稳定性验算方法——高等分析法。本论文希望在梳理、总结、澄清二阶效应规律和考虑二阶效应的强度和稳定问题相关概念性问题的基础上,在使用现有保证结构整体稳定性能规定方法的前提下,通过分析提出一种用于确定结构中单根存在失稳风险的压杆计算长度的实用方法。这一方法只能视为解决任意约束条件下单杆非线性极值点稳定问题的整个方法体系中的第一个关键步骤。在计算长度得到合理确定后,仍有必要通过对端约束条件及端弯矩比例不同的各类压杆的非线性有限元分析,并考虑可靠度要求,归纳整理出一种能够便于工程应用的钢筋混凝土偏心压杆非线性极值点失稳验算的具体方法。这项工作在本文只给出了一般思路,具体工作预计将安排后续研究生进行。