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结构损坏主要有两种形式：一是结构构件的物质损坏，二是结构的非物质损坏。由于钢材的承载能力高，结构可以设计得很薄很轻，形状也比较复杂。结构不仅实现了建筑的美观，同时也带来了整体不稳定的可能性。因此，结构的整体稳定性分析已成为保证结构安全的必要手段，也是设计规范的基本要求。
采用考虑几何非线性、材料非线性以及整个车身和构件的初始缺陷的有限元方法对钢结构的整体稳定性进行分析。通过计算，得到结构的荷载-位移过程曲线和极限承载力。传统的线性分析方法分别考虑结构的强度和稳定性问题。事实上，从非线性分析的角度来看，结构的稳定性问题和强度问题始终是相互关联的。结构的荷载-位移曲线可以清晰地表达结构的强度、稳定性和刚度的整个变化过程[1]，可以帮助设计者了解结构的失效机理、失效过程和结构的薄弱环节。防止结构连续倒塌和结构用钢过多[2]。
SAUSAGE对钢结构进行整体稳定性分析，可以同时考虑几何非线性、材料非线性、整体结构初始缺陷和构件初始缺陷，具有前后处理和参数设置快速方便的特点。
现选取单层网壳的实际工程作为计算实例，比较SAUSAGE与ABAQUS钢结构整体稳定性分析的主要计算结果。
01
主要结构参数
钢材强度：Q345B；网壳短跨：45.5米；网壳长跨度：89.2米
矢状高度：3.6米；矢状跨度比：1/12.6。
02
物质构成
SAUSAGE中的线单元采用纤维单元，该单元基于Timoshenko梁理论，可以考虑剪切变形刚度。在本例中，部件材料是钢。对于一维梁、柱和支撑构件，软件采用双线性跟踪强化模型（如图1所示），考虑包辛格效应，在循环过程中没有刚度退化。分析中取钢材淬火断面弹性模量折减系数为0.0175。
图1 钢材双线性后续强化模型
03
线性屈曲分析
由于网壳结构对几何缺陷的敏感性，在进行全过程分析时应考虑初始面形安装偏差的影响。 《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）规定钢结构稳定性，可以采用结构的最低阶屈曲模态作为初始几何缺陷分布模态，以获得尽可能的最不利值。因此，在进行结构整个荷载-位移过程分析之前，必须首先计算结构的一阶屈曲模态。该结构在1.0恒载+1.0活载作用下的线性屈曲计算结果如图2和图3所示。SAUSAGE和ABAQUS屈曲模态以及屈曲特征值一致。
图2 结构的屈曲模式（ABAQUS，特征值= 6.5）
图3 结构的屈曲模式（SAUSAGE，特征值=6.6）
04
非线性屈曲分析
由于线性屈曲分析是基于线性和小变形理论，对于几何非线性较高的结构，线性屈曲对结构稳定承载力的估计往往高于结构的实际承载力，而屈曲模式并不是结构的稳定承载力的估计值。实际形状。它是一种理论形式。因此，在实际工程结构分析中，一般采用对偶非线性全过程分析。根据《空间网架结构技术规程》JGJ7-2010，初始缺陷最大计算值取跨度的1/300，初始缺陷分布模式基于结构。一阶屈曲模式。
该结构跨中节点在1.0恒载+1.0活载作用下的荷载-位移曲线结果如图4所示：SAUSAGE安全系数计算值为2.59； ABAQUS安全系数计算值为2.57。网壳的极限承载力值与整个工艺曲线基本一致。
图4 参考点位移-载荷曲线
从两个软件的计算结果中，我们还可以看到极限荷载力矩下结构的竖向位移，如图5和图6所示：
图5 极限载荷下的结构变形图（ABAQUS）
图6 极限荷载下的结构变形图（SAUSAGE）
由于强度损伤和失稳损伤在结构破坏过程中相互交织，通过分析钢材在不同加载时刻的塑性应变，可以确定钢构件屈服的时间和位置，有助于了解失稳损伤和强度损害。该序列使我们能够更清楚地了解结构的损伤过程和薄弱环节。
图 72. 0 倍标准载荷时的钢塑性应变比图（香肠）
图8 钢在极限荷载力矩下的塑性应变比图（SAUSAGE）
SAUSAGE 提供钢应变和钢屈服应变的比率结果。当该比值大于1时，表明钢材已经屈服。从图7和图8可以看出，当结构达到2.0倍标准荷载时，结构基本处于弹性状态，大部分构件尚未屈服；当结构达到极限荷载时，变形较大区域的构件已经屈服。
05
南非大学
钢结构整体稳定性分析的 SAGE 步骤
导入模型->生成网格->线性屈曲分析->非线性屈曲分析
导入模型和生成网格在之前的文章中已经介绍过。本文主要介绍线性屈曲分析和非线性屈曲分析的参数设置。
图9 线性屈曲分析对话框
线性屈曲分析对话框如图9所示。只需设置需要计算的屈曲模态数量和组合系数即可进行线性屈曲分析。
图10 设置总体缺陷对话框
整体缺陷设置对话框如图10所示。整体缺陷定义方式可以选择屈曲模式、假想位移和重力加载变形； SAUSAGE整体缺陷的最大代表值默认为结构高度的1/250。如果是格壳结构，可以是格壳跨度的1/300。参数设置后，SAUSAGE会根据用户设置的初始缺陷值自动更新结构节点坐标，无需用户手动更新。
图 11 静态非线性分析对话框
SAUSAGE根据用户定义的加载参数将静力转换为动态力进行加载，并采用动态显式方法进行求解。非线性屈曲分析对话框如图11所示。用户只需自动生成分析工况，并根据需要选择是否检查整体缺陷和部件缺陷，程序就会根据前述自动考虑其初始缺陷缺陷定义。同样，用户也可以根据规范要求考虑材料的弹性或弹塑性，对结构进行几何非线性或双线性分析。
降低学习成本钢结构稳定性，提高分析效率。 SAUSAGE助您轻松完成钢结构整体稳定性分析！
06
参考
[1] 沈士钊，陈鑫。格壳结构稳定性[M]．北京：科学出版社，1999。
[2] 钱若军，杨连平，许传喜。空间点阵结构设计[M]．南京：东南大学出版社，2005。
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