橋梁結(jié)構(gòu)的極限承載力分析與安全性評(píng)估

陳德浦

摘 要：橋梁是公路交通運(yùn)輸?shù)难屎砗蜆屑~，對(duì)公路交通運(yùn)輸起著越來(lái)越重要的作用。不僅拉動(dòng)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)，而且推動(dòng)了社會(huì)的穩(wěn)步發(fā)展。任何一個(gè)橋梁都有其極限的承載能力和服役時(shí)間，隨著服役時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，橋梁的結(jié)構(gòu)以及相關(guān)材料的性能在外界環(huán)境和內(nèi)部因素的交互作用下將不可避免地發(fā)生劣化衰變，無(wú)法避免地出現(xiàn)承載力的下降，從而影響橋梁的安全工作。文章以橋梁結(jié)構(gòu)為中心，因而需要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載力和安全性進(jìn)行相關(guān)問(wèn)題展開(kāi)探討。安全評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容是分析橋梁結(jié)構(gòu)的整體安全性和控制截面的安全性。

關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu)；極限承載力；分析

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，交通動(dòng)輸業(yè)也越來(lái)越繁榮。因此，對(duì)交通運(yùn)輸?shù)难屎怼獦蛄禾岢隽烁叩囊蟆蛄菏堑孛娼煌ǖ臉屑~，有著投資密集，技術(shù)難度大的特點(diǎn)。盡管在橋梁的設(shè)計(jì)和建造階段能夠保證工程質(zhì)量，但是由于外部環(huán)境和材料老化等因素，橋梁結(jié)構(gòu)的性能會(huì)逐漸下降。相對(duì)的承載能力也會(huì)降柢，影響橋梁的使用和安全，甚至由于承載力不足引發(fā)嚴(yán)重事故。因此，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的極限承載力有正確分析，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)的發(fā)展都有十分重要的意義。

1 結(jié)構(gòu)極限分析的相關(guān)理論

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)極限承載力的概念

傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)以構(gòu)件最大工作應(yīng)力乘以安全系數(shù)不大于材料的屈服應(yīng)力為依據(jù)，一般情況下，構(gòu)件某截面開(kāi)始屈服（或者局部屈曲）并不代表結(jié)構(gòu)完全破壞，結(jié)構(gòu)所承受的荷載通常較構(gòu)件開(kāi)始屈服（或者局部屈曲）時(shí)的荷載為大，為了利用這一強(qiáng)度富裕度，提出了極限設(shè)計(jì)和極限荷載的概念。極限荷載即引起結(jié)構(gòu)“完全崩潰”的荷載；極限設(shè)計(jì)將結(jié)構(gòu)的工作荷載取為極限荷載的一個(gè)部分。所以說(shuō)，結(jié)構(gòu)的極限承載力是從“極限設(shè)計(jì)”的思想中引出的概念。

橋梁的極限承載力是指橋梁完全崩潰前所能承受外荷載的最大能力。其大小與以下因素有關(guān)：材料特性：極限強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系等；結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的剛度及幾何尺寸：面積、慣矩等；結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)：施工階段、運(yùn)營(yíng)階段等；結(jié)構(gòu)承受的荷載形式：恒載、組合荷載等；荷載的加載路徑。

也就是說(shuō)，不同施工方法、不同荷載形式和加載路徑，橋梁結(jié)構(gòu)極限承載力不同，即極限承載力不是一個(gè)定值。

1.2 需要分析的主要問(wèn)題

結(jié)構(gòu)型性極限分析需要解決的問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面：

（1）結(jié)構(gòu)塑性極限荷載的求解。塑性極限荷載是指結(jié)構(gòu)喪失工作能力情況下的荷載，如果能夠科學(xué)地計(jì)算工程的極限荷載，那么就可以明確各種情況下的安全情況，從而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估。

（2）在極限狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)滿足變形規(guī)律和機(jī)動(dòng)條件，處理好這個(gè)問(wèn)題對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有非常重要的意義。現(xiàn)在一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常只考慮結(jié)構(gòu)的彈性工作階段，在遇到地震等情況的時(shí)候才偶爾考慮結(jié)構(gòu)的承載力。這種方式并沒(méi)有將構(gòu)材料的強(qiáng)度進(jìn)行充分發(fā)揮，同時(shí)也導(dǎo)致了經(jīng)濟(jì)性較差?？茖W(xué)地分析塑性極限，不但可以將材料的性能充分發(fā)揮，而且可以起到降低成本的作用。

2 極限承載力與極限狀態(tài)的關(guān)系

極限狀態(tài)與極限的承載力是兩個(gè)不同的概念，但是二者之間有十分密切的聯(lián)系。極限狀態(tài)是指在結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)中，需要明確規(guī)定結(jié)構(gòu)狀態(tài)的界限。這些界限包括：安全性、適用性、耐用性等方面。我們將這樣的界限稱為極限狀態(tài)。也就是說(shuō)，極限狀態(tài)實(shí)際上是一個(gè)閾值，一旦超過(guò)了這個(gè)閾值，那么結(jié)構(gòu)就會(huì)處在不安全或者不適用的狀態(tài)。

結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可以是客觀規(guī)定的，也可以是由人為控制即相關(guān)專家論證給定的。在我國(guó)，結(jié)構(gòu)的極取狀態(tài)主要分為兩種：正常使用極限狀態(tài)以及承載能力極限狀態(tài)。

極限狀態(tài)與極限承載能力主要有以下幾種關(guān)系：

（1）通常情況下，正常使用的極限狀態(tài)都是在設(shè)計(jì)構(gòu)件時(shí)需要考慮的方面。例如：設(shè)計(jì)混凝土彎構(gòu)件時(shí)，既要保證構(gòu)件的正截面和斜截面強(qiáng)度，又要保證控制構(gòu)件的裂縫寬度和變形，使其在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

（2）在研究承載能力極限狀態(tài)的過(guò)程中，極限承載力是重要的參考依據(jù)，二者既有區(qū)別又有聯(lián)系：整個(gè)結(jié)構(gòu)或其一部分作為剛體失去平衡（一致）；結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（有區(qū)別）；結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系（一致）；結(jié)構(gòu)構(gòu)件或其連接因材料強(qiáng)度被超過(guò)而破壞，或因過(guò)度的塑性變形而不適于繼續(xù)承載。（基本一致）

（3）兩者的研究方式不同，極限狀態(tài)主要采用理論研究，而確定性的研究方式主要針對(duì)極限承載能力的研究。

3 極限承載力的研究方法及原理

3.1 物理的非線性研究方式

由于受力性能的非線性的影響，例如鋼筋混凝土拱橋，混凝土的非線性及鋼筋會(huì)產(chǎn)生較大屈服。這些變化會(huì)使結(jié)構(gòu)力學(xué)特征發(fā)生改變，構(gòu)件的截面剛度會(huì)呈現(xiàn)非線性的性能。因此，在構(gòu)件過(guò)程中，需要不斷修正結(jié)構(gòu)的總剛度陣。

由于荷載的不斷增加，會(huì)形成塑性鉸。鉸的形成原因是由于某個(gè)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力不為增大，到一定程度后，位移增大，截面彎距不再增大，最終就形成了鉸。鉸的形成會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，荷載增量要在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生反應(yīng)。

3.2 彈性補(bǔ)償法

彈性補(bǔ)償法是計(jì)算極限載荷的一種常用方法，這種方法廣泛應(yīng)用于安全評(píng)定工作中。通過(guò)彈性補(bǔ)償法更能反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài)，使材料的了載潛力得到充分的發(fā)揮。利用彈性有限分析的方法是有限元法經(jīng)常使用的方式，調(diào)整單元的彈性模量，引起應(yīng)力重分布，通過(guò)不斷的迭代分析，使低應(yīng)力單元的彈性模量不斷增加，高應(yīng)力單元的彈性模量不斷減小。通過(guò)這種方式，最終可以模似結(jié)構(gòu)塑料實(shí)效行為。

3.3 模量縮減法

彈性補(bǔ)償法雖然是使用范圍較廣的一種方法，但是也有其局限性。對(duì)于體型較為簡(jiǎn)單同時(shí)使用材料對(duì)單一的工程結(jié)構(gòu)比交適用。相反，對(duì)于體型較大并且材料比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的進(jìn)行分析，這種方式就很難發(fā)揮作用。因此，另一種分析方法隨之產(chǎn)生。這種應(yīng)用與復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析工作中的方法稱為模量縮減法。

結(jié)構(gòu)模量需要調(diào)整的參數(shù)，將承載比均勻度進(jìn)行定義：

在彈性模量調(diào)整過(guò)程中，dk會(huì)隨著結(jié)構(gòu)承載力分布的變化而變化。我們可以通過(guò)這個(gè)數(shù)值變化分析結(jié)構(gòu)中單元承載比分布情況。

4 展望

筆者對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的分析，在對(duì)原有的分析方法進(jìn)行研究的同時(shí)，也提出了一些新想法，希望通過(guò)大家的研究其可行性。

（1）對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的分析，要從不同的角度進(jìn)行全面的考慮。對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，需要采用分層法以材料的非線性的性能進(jìn)行綜合的考慮。另外，對(duì)于大跨徑橋梁的結(jié)構(gòu)，還需要對(duì)其本身的幾何特性進(jìn)行全面的考慮。在目前的計(jì)算中，雖然考慮了材料的非線性的性能，但是仍然采用線彈性理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。這種計(jì)算方式存在問(wèn)題，彩用這用方工計(jì)算出來(lái)的極限承載力要比實(shí)際的承載力小，這就直接影響力材料的合理利用，一定程度上造成了材料的浪費(fèi)。

（2）在混凝土的收縮和變化時(shí)間的分析方面，應(yīng)該采用更加精確的分析方法，注意應(yīng)力隨時(shí)間的而變化。由于受時(shí)間的影響，鋼筋會(huì)發(fā)生松馳，引起預(yù)應(yīng)力的不足；混凝土在較長(zhǎng)的時(shí)間變化中會(huì)發(fā)生現(xiàn)收縮。這些問(wèn)題都需要考慮時(shí)間的變化因素。由于時(shí)間因素會(huì)在很大程度上影響混凝土的結(jié)構(gòu)，因此應(yīng)該劃分多個(gè)時(shí)間段，進(jìn)行逐步的增量計(jì)算。但是在目前計(jì)算過(guò)程中，為了計(jì)算的簡(jiǎn)便，常常忽略了對(duì)相關(guān)問(wèn)題的深入思考。這樣，很可能造成設(shè)計(jì)的承載力與實(shí)際的承載力產(chǎn)生誤差，最終影響橋梁的有效利用。

（3）在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，普通的鋼筋會(huì)延遲混凝土裂縫產(chǎn)生的破壞效果，這就在一定程度上提升了結(jié)構(gòu)的極限承載能力。在目前的計(jì)算過(guò)程中，通常為了簡(jiǎn)化計(jì)算，并沒(méi)有將普通鋼筋的影響因素納入計(jì)算過(guò)程中。因此，這種計(jì)算得出的承載力的結(jié)果是偏于安全的。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，橋梁作為重要的運(yùn)輸基礎(chǔ)其他位也越發(fā)重要。交通運(yùn)輸量的增加對(duì)橋梁提出了更高的要求，必須保證橋梁結(jié)構(gòu)有優(yōu)越的性能，才能承受往日益增長(zhǎng)的運(yùn)輸壓力。因此，科學(xué)分析橋梁結(jié)構(gòu)的極限承載力對(duì)于保證橋梁的使用能力顯得十分重要。我們要通過(guò)不斷的研究，對(duì)橋梁的極限承載力建立更加科學(xué)更加全面的評(píng)估方式，從而國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)的安全和交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展提供重要保障。

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