论桥梁工程结构受力安全设计理念 .docVIP

19世纪80～90年代的许多桥梁发生 重大事故；从这时起，正在发展中的结构力学理论得到了重视，而在它的静力分析理论完全确立并广泛普及之后，桥梁因强度不足而造成的事故明显大为减少， 究其原因，尚有深层次的力学理论问题（尤其是结构变形协调、力的合理传递或转移及其路径等问题）没有引起足够重视。特别是柔性结构、刚柔组合结构等。 事实上，工程结构安全事故，既有建设质量问题，更有工程结构建造和使用全过程的受力是否安全的设计理念问题，合理的结构是工程安全的根本。可以发现，如果桥梁刚度较大，不产生有害变形，能够满足功能合理转换和力的合理传递，则桥梁安全；而部分桥梁刚度过小，使用过程中易产生局部的有害变形，甚至引起桥梁过早损坏。目前桥梁设计规范只规定了力的关系、力与变形的关系，但没有全面规定变形协调关系。而本文结合工程实践论述 　　力与变形协调关系及结构受力安全设计理念，以供借鉴。 　　2. 桥梁工程结构受力应满足三个关系及其解决方法 　　2.1 三个关系：三维力学稳定平衡、三维力与变形协调、三维变形稳定与协调。传统结构系统研究了关系、关系和关系的专门问题应用研究，则工程结构体系的传统力学平衡方程是不变的；而合理结构应该系统研究关系、关系和关系对关系、关系的影响，则当变形不协调时，会改变结构体系力的合理传递或转移路径，使得设计状态与实际状态不一致，其力学平衡方程在实际施工和使用过程中是变化的，只有采用合理的结构和有效的过程控制，保障结构体系变形协调，才能最终确保结构体系处于稳定平衡状态。 　　2.2 解决不同工程结构满足三个关系的形式。 　　2.2.1 关系可由牛顿力学、有限元等理论解决；关系由虎克定律、本构关系等理论解决；对于简单问题关系认定已解决或自然满足相对简单成熟工程问题。 　　2.2.2 构件之间或非均匀构件内部或组合变形不协调问题，可能会产生两方面现象。 　　2.2.2.1 功能不能合理转换。 　　2.2.2.2 力不能合理传递或转移。可能导致两种结果：（1）在重复荷载作用下会加速结构或构件积累损伤过程，甚至引起结构或构件破坏；（2）工程结构受力全过程存在安全隐患甚至引起结构或构件破坏或破坏前变形出现突变过程的类似结构分支点失稳破坏形式，这种破坏形态往往难于监控预警。? 　　2.2.3 （1）传统力与变形关系的解决办法：关系+关系（认定关系自然满足，只适用于类似相对简单成熟工程问题）；（2）改进力与变形协调关系的综合解决办法：关系+关系+关系，特别是柔性结构、刚柔组合结构、不良地质环境地下结构等，采用整体控制与细节把握，围绕目标才能简单有效利用传统解决方法去解决相对复杂新型工程问题。? 　　3. 桥梁结构累积损伤与变形突变问题? 　　3.1 疲劳引起的结构累积损伤问题。 　　受重复荷载作用，在高应力、应力集中、大变形构件、变形不协调构件组合等情况下，结构处于非完全弹性状态，外力做功除转换为弹性应变能外，还产生其他形式的能量（例如热能：受拉杆件断口发热等），就会由因材料疲劳引起结构累积损伤，最后造成强度破坏，影响结构使用寿命，因此，需要结合疲劳引起的累积损伤进行分析。? 　　3.2 桥梁受力与变形出现突变问题。 　　（1）当结构变形不协调时，结构虽然平衡但状态不同。即结构质点加速度a=0，而结构质点速度、位移可以是v=0、s=0；也可以是v=v1、s=s1；…或是v=vn、s=sn。这样的复杂结构（特别是柔性结构）会改变力的合理传递路径，或产生较大的附加内力甚至超过荷载内力，那么结构就可能出现开裂或破坏，而处于不稳定平衡状态。? 　　（2）结构变形不协调时，重复荷载作用、外力做功较大或结构处于非稳定平衡状态，可能会使结构受力与变形进入突变阶段。结构处于不稳定平衡状态，即可能产生类似结构分支点失稳问题（难于监控预警），应该提前加以防范或通过加固改造变为合理结构，使其破坏前有明显的变形过程，易于监测预警，即转为类似结构极值点失稳问题（能监控预警）。? 　　（3）当工程结构系统的变形不协调时，结构体系受力方式将发生变化，力的传递或转移路径亦会出现变化，可能会在某些部位出现不应有的应力集中或受力方式（如拉压得改变），破坏结构体系原有或设计的稳定平衡状态，形成新的设计没有研究的稳定平衡状态，这些风险因素或在结构安全范围之内、或使结构带病害或裂缝工作、或使结构施工或运营风险不可控和安全没有保障。　　3.3 桥梁荷载路径多变性分析。　　桥梁结构类型归纳为简支板梁、组合拱桥、刚架桥等，均属于柔性结构、刚柔组合结构，由于这类结构常常处于弹塑性阶段，受力过程不具有叠加性，而与应力路径有关，公路汽车重复荷载路径多变性不像火车或工业吊车重复荷载路径相对稳定，这样柔性结构、刚柔组合结构在汽车重复荷载作用下桥梁设计应力与实际应力可能很不相同，容易产生积累损