关键词：桥梁土木工程

　　工程结构首先要把握整体周边环境（物质、水）的稳定平衡，再要把握局部环境与结构相互作用不但要满足艺术上的形似平衡，更要从“力、变形、能量”等方面确保系统始终处于稳定平衡状态。“力和能量要有相应物质载体，并具有相应传递或转换途径”，结构“稳定平衡与变形协调”和“外力做功有效转换为结构弹性应变能”是统一的，变形协调又是能量法和力法结构分析的必要条件。确保“力、变形、能量”按设计路径传递及方式转化是结构稳定、安全、合理的基本要求，也是维持设计形式不产生有害过程的基础，根据实际情况，分别从“力、变形、能量”三要素中的一个或几个要素可更好控制地下工程结构行为，一般来说用“力、能量”进行定性或定量分析结构行为，而用 “变形”进行控制结构行为。而确保结构的“稳定平衡与变形协调”，不仅需要目标控制，更需要围绕目标实现结构安全合理的过程控制，否则结构就会不稳定或破坏。牛顿力学、能量法、有限元等理论能够解决结构稳定平衡问题。虎克定律、本构关系等理论建立了材料力与变形之间的关系。而结构的变形协调问题（即构件内部或构件与构件之间的力有效传递问题）并未凸显出来，也缺乏明确的分析标准。对于简单结构，基于成熟的构造措施以及经实践验证合理的变形假定一般能够解决变形协调问题。对于复杂结构而言，工法与构造创新虽然克服了大部分连接可靠性问题、但是构件之间或非均匀构件内部或组合变形协调问题没有往往重视不够，有时导致结构开裂或不利变形甚至破坏。随着材料性能、设备性能、分析方法、计算手段、工艺工法等进步和结构大型复杂化与外部条件复杂化等，虽然结构“力、变形、能量”三要素内涵、属性、过程是不变的，但把握复杂与难度增加，根据实际情况，分别从“力、变形、能量”三要素中的一个或几个要素可更好控制工程结构行为。经过反复模拟与试验，做到理念和手段先进并到位，保证结构全过程稳定平衡和安全合理，才能推进了大型复杂结构建设进程。

　　目前交通桥梁工程存在如下两个问题应该引起交通部门重视。

　　（1）疲劳引起的结构积累损伤

　　（1.1）在重复荷载作用下非弹性体（例如高应力、应力集中、大变形构件、变形不协调构件组合等情况）外力做功除有效转换为弹性应变能外还产生其他形式的能量（例如热能：受拉杆件断裂口发热），就会由疲劳引起的结构积累损伤，最后造成强度破坏，影响结构使用寿命(例如：①中承式钢筋混凝土肋拱桥的部分桥面系是漂浮体系，其中短吊杆不仅承受拉力（计算中包含），而且承受弯剪力（计算中不包含），以及长短吊杆变形不同造成受力不均，还有拱桥吊杆的防腐措施是否到位直接影响到桥梁的运营安全；②20m及以上小铰缝钢筋混凝土板梁刚度较小等；两者均容易产生疲劳引起的积累损伤，因此单纯用静力分析很难说明为什么许多中小跨度桥梁在超载车辆作用下会突然垮塌，而用静力分析和疲劳引起的积累损伤共同分析就能说明许多中小跨度桥梁在超载车辆作用下突然垮塌的原因)，事实上只有理想的弹性体存在外力做功等于结构弹性应变能关系，而非弹性体除产生弹性应变能外还会产生结构积累损伤能量引起材料劣化（见图1）。

　　

　　（1.2）当结构变形不协调时，结构实际受力和能量转换不会按设计路径传递或转换进行，这样结构可能处于不稳定平衡状态；若外力或外力做功较小时，结构变形协调，那么结构处于稳定平衡状态，但是在重复荷载作用下也会产生疲劳引起的结构积累损伤，最后造成强度破坏，影响结构使用寿命。

　　以上（1.1）、（1.2）种情况属于结构积累损伤现象，虽然实际结构受力与变形没有产生突变，但在重复荷载作用下的积累损伤效应为结构受力或变形产生突变埋下隐患，结构实际受力或变形处于渐变转化为突变前的不稳定平衡状态的前兆，最后造成强度破坏，应该加以防范；特别在材质不良、大交通流、超载、荷载分布差异等情况下，上述（1.1）、（1.2）种问题会更加突出。

　　实例1：中承式钢筋混凝土肋拱桥的部分桥面系是漂浮体系，目前国内部分拱桥倒塌主要原因是吊杆断裂。因该类桥梁的桥面系是漂浮体系并由单吊杆支撑，其中短吊杆不仅承受拉力（计算中包含），而且承受弯剪力（计算中不包含），以及长短吊杆变形不同造成受力不均, 造成功能转换产生应变能不有效耗散，就会产生结构积累损伤，另外桥面系吊杆锚固端部锈蚀严重，两者都影响结构使用寿命。下面是某桥更换吊杆钢索中的钢丝扫描试验结果，图2为未损伤端的切片扫描照片，图3为损伤端的切片扫描照片，对比两组照片可以发现一些钢筋内部已经存在一些损伤。

　　

　　

　　图3 损伤端的切片扫描照片

　　实例2：某公铁立交桥优化宽幅空心板结构破坏性试验结果分析

　　---------积累损伤情况

　　

　　

　　由表1可以看出，加载后与加载前纵向裂缝宽度比值介于1.12～1.14之间，卸载后与加载前裂缝宽度比值介于1.00～1.05之间，纵向裂缝基本恢复。

　　

　　从图5可以看出，加载初期，结构的刚度较大，随着荷载的增大，裂缝的开展，刚度下降较快；继续增加荷载，结构由弹性工作状态转变为弹塑性工作状态，使得结构刚度退化程度略有减慢，在试验加载后期，刚度退化刚度逐渐变缓，在达到极限承载之前，刚度的退化和变形几乎成线性关系。

　　从优化宽幅空心板结构破坏性试验结果可以看出：优化宽幅空心板结构由于刚度偏小，在荷载较大时，结构由弹性工作状态转变为弹塑性工作状态，容易产生积累损伤。

　　因此中小跨度、刚度较小、存在局部不足等桥梁容易产生积累损伤。

　　（2）结构受力与变形产生突变

　　（2.1）当结构变形不协调时，在重复荷载作用下结构外力做功除有效转换为弹性应变能外还产生其它能量（例如：结构坍塌产生的重力势能），结构受力与变形会产生突变，使得结构开裂、不稳定甚至破坏（例如：①2008年汶川地震中板墙结构或节头不良的框架结构；②构造或刚度不利组合程度较高的桥梁结构；两者均容易发生外力做功不能有效转换为弹性应变能而造成开裂甚至破坏等）。

　　（2.2）当结构变形不协调时，若外力或外力做功又较大（例如：拉吊索桥梁因钢丝锈蚀而产生脆断破坏），结构受力与变形会产生突变，那么结构处于不稳定平衡状态。

　　（2.3）当结构变形不协调时，结构虽然平衡但状态不同（即a=0，而v=0、s=0；v=v1、s=s1；…v=vn、s=sn），这样复杂结构可能会产生较大的附加内力甚至超过荷重内力，那么结构可能出现开裂或破坏，而处于不稳定平衡状态。

　　以上（2.1）、（2.2）、（2.3）种情况属于结构受力与变形产生突变阶段，结构处于不稳定平衡状态，应该提前加以防范；特别在材质不良、大交通流、超载、荷载分布差异等情况下，上述（2.1）、（2.2）、（2.3）种问题会非常突出。

　　实例3：著名德国桥梁专家莱昂哈特非常注重结构构造的思想，他在《钢筋混凝土及预应力混凝土桥建筑原理》一书中强调：“有关桥梁性能的好的构造细节较之复杂的计算更为重要”。这样结构有限元分析中梁单元隐含“平截面假定”，对于复杂结构而言，最好由“好的构造细节”措施来保证，避免“复杂的计算”可能引起计算结果与实际结果差别很大，确保结构受力安全，更要防止用有限元分析或试验研究证明不合理结构也是成立的。

　　实例4：变形协调概念的具体例证，幼小孩站和走不稳定自身会摔跤，外推力只是诱因；赵州桥砌块之间没有砂浆，砌块为料石是关键。

　　实例5：变形协调概念在具体桥隧等结构的正反例证

　　

　　

　　

　　实例5：变形协调在桥梁结构伸缩装置中的应用

　　（1）悬索桥伸缩缝损坏原因分析与改造 某大桥主桥为两跨连续钢箱梁悬索桥属于桥面系是漂浮体系，位于受台风影响频繁的海域，桥梁梁体在风力、车载等作用会产生水平与竖向转角变形及扭转变位，其所使用的模数式桥梁伸缩缝无法满足梁体的变形要求，中梁钢在扇形变位及挤压状态下发生塑性形变无法回复，底部承压支座损坏脱落，最终将会导致中梁钢下陷或折断，严重影响交通安全。国内同类桥梁使用的模数式桥梁伸缩缝也再现了同样的损坏现象。因为在不利条件下主梁位移或变形偏大，伸缩缝要么约束变形要么额外变形，主梁与伸缩缝或伸缩缝内部变形不协调会产生较大约束或额外内力，致使伸缩缝材料产生应力积累损伤，减少伸缩缝使用寿命甚至可能发生意外安全事故。而其他与主梁连接的细部构件是否存在变形不协调情况呢？有待认真观察或观测！

　　

　　

　　

　　应用在同类型钢箱梁悬索桥“重庆鱼嘴长江桥”的“RB单元式多向变位梳形板桥梁伸缩装置”，其通过装置的多向变位铰机构，主动地适应桥梁梁体的水平、竖向和扭转等三维变形要求，能很好的解决该类技术问题。就象人的颈部有约200多块肌肉适应并支撑头部多维运动。

　　

　　图10 某大桥伸缩缝因阻止热涨伸长损坏照片

　　改进措施：桥面沥青混凝土施工前先用木条和泡沫塞好大桥伸缩缝便于桥梁热涨伸长防止桥面等结构损坏。