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【摘 要】本文论述了桥梁工程结构受力安全设计理念，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，对桥梁结构设计具有一定的指导意义。
【关键词】桥梁；变形协调；路径
The theory of bridge engineering structural safety design concept
Wei Xin—gen
（Xinxiang highway survey and design institute Xinxiang Henan 453000）
【Abstract】This paper discusses the bridge engineering structural safety design concept， especially the structure deformation coordination and force the reasonable transfer or transfer and its path and so on， and the bridge structure design has certain guiding significance.
【Key words】Bridge；Deformation coordination；Path
1. 前言
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：①三维力学稳定平衡、②三维力与变形协调、③三维变形稳定与协调。传统结构系统研究了关系①、关系②和关系③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①、关系②和关系③对关系①、关系②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①可由牛顿力学、有限元等理论解决；关系②由虎克定律、本构关系等理论解决；对于简单问题关系③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①+关系②（认定关系③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①+关系②+关系③，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，容易产生积累损伤，降低桥梁使用寿命，可能导致桥梁提前损坏或破坏，就存在行车安全风险。而火车或工业吊车重复荷载桥梁设计规定在弹性阶段工作，设计应力与实际应力基本相同，行车安全风险较小；汽车重复荷载 行车安全风险较大，特别是超载影响更大；著名桥梁工程师茅以升主持设计和施工的钱塘江大桥为经典成熟的钢桁梁桥，由结构刚度控制，安全度有富余、材料质量稳定、基本处于弹性工作状态，行车安全风险也较小。
3.4 桥梁受力重新分配等影响。
非常必要全面系统从工程实际应用出发研究维持力与变形协调、变形稳定与协调的合理工程结构或措施，以及研究减少或消除变形稳定与协调对力与变形协调的不利影响。虽然在设计上满足三维力学稳定平衡关系，但非协调变形的局部破坏可能发生积累效应，最终会导致结构系统的破坏。也就是说，应重点研究维持三维变形稳定与协调的合理工程结构或措施，确保满足三维力学稳定平衡、或满足三维力与变形协调直至确保满足三维力学稳定平衡，否则结构在使用过程在可能会产生力的重新分配或转移，改变甚至破坏结构体系原有或设计的稳定平衡状态，形成新的设计上没有考虑到的结构受力状态，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。
3.5 组合结构体系受力影响分析。
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，恰恰汽车重复荷载路径多变性，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，容易产生积累损伤，降低桥梁使用寿命，可能导致桥梁提前损坏或破坏，就存在行车安全风险。
4. 结束语
4.1 在桥梁勘察设计方面，随着交通事业的迅速发展，大跨度或复杂的桥型将不断涌现。高速公路的发展，对桥梁设计亦将提出新的要求。在桥式方案设计中，可利用结构优化设计理论，借助电子计算机选出最佳方案。 在结构设计计算中，采用空间理论来分析桥梁整体受力已成为可能；以概率统计理论为基础的极限状态设计理论，将进一步反映在桥涵设计规范中，使桥梁设计的安全度得到科学合理的保证。
4.2 桥梁美学作为时代、民族的文化在某些方面的反映，将愈来愈受到人们的重视：桥梁的面貌将蔚为大观。
4.3 在建桥材料方面，以高强、轻质、低成本为选择的主要依据，近期仍以发展传统的钢材和混凝土为主，提高其强度和耐久性。对于建筑钢材的脆断机理、初始几何缺陷等，以及混凝土材料的非弹性问题（收缩徐变以及疲劳等），将继续作充分的研究，使能正确控制结构的受力和变形。
4.4 在桥梁施工方面，对施工组织将充分利用电子计算机进行经济有效的管理。在施工技术中，将不断引用新技术和高效率、高功能的机具设备，借以提高质量、缩短工期、降低造价。如采用激光测量控制结构的精确定位；引用自升式水上平台克服深水基础的困难；利用遥控设备在沉井、沉箱中挖基，以减少劳动强度并避免人身危险；利用高质量的焊接技术，借能推广工地焊接等，此外，装配式连续梁也将有所发展，以使结构和构件标准化，生产工业化。
参考文献
[1] JTG D062—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
[2] JTJ041—2000，公路桥涵施工技术规范[S].
[3] 程翔云. 梁桥理论与计算.北京 ：人民交通出版社，1990[M].
【关键词】桥梁；变形协调；路径
The theory of bridge engineering structural safety design concept
Wei Xin—gen
（Xinxiang highway survey and design institute Xinxiang Henan 453000）
【Abstract】This paper discusses the bridge engineering structural safety design concept， especially the structure deformation coordination and force the reasonable transfer or transfer and its path and so on， and the bridge structure design has certain guiding significance.
【Key words】Bridge；Deformation coordination；Path
1. 前言
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：①三维力学稳定平衡、②三维力与变形协调、③三维变形稳定与协调。传统结构系统研究了关系①、关系②和关系③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①、关系②和关系③对关系①、关系②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①可由牛顿力学、有限元等理论解决；关系②由虎克定律、本构关系等理论解决；对于简单问题关系③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①+关系②（认定关系③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①+关系②+关系③，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，容易产生积累损伤，降低桥梁使用寿命，可能导致桥梁提前损坏或破坏，就存在行车安全风险。而火车或工业吊车重复荷载桥梁设计规定在弹性阶段工作，设计应力与实际应力基本相同，行车安全风险较小；汽车重复荷载 行车安全风险较大，特别是超载影响更大；著名桥梁工程师茅以升主持设计和施工的钱塘江大桥为经典成熟的钢桁梁桥，由结构刚度控制，安全度有富余、材料质量稳定、基本处于弹性工作状态，行车安全风险也较小。
3.4 桥梁受力重新分配等影响。
非常必要全面系统从工程实际应用出发研究维持力与变形协调、变形稳定与协调的合理工程结构或措施，以及研究减少或消除变形稳定与协调对力与变形协调的不利影响。虽然在设计上满足三维力学稳定平衡关系，但非协调变形的局部破坏可能发生积累效应，最终会导致结构系统的破坏。也就是说，应重点研究维持三维变形稳定与协调的合理工程结构或措施，确保满足三维力学稳定平衡、或满足三维力与变形协调直至确保满足三维力学稳定平衡，否则结构在使用过程在可能会产生力的重新分配或转移，改变甚至破坏结构体系原有或设计的稳定平衡状态，形成新的设计上没有考虑到的结构受力状态，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。
3.5 组合结构体系受力影响分析。
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，恰恰汽车重复荷载路径多变性，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，容易产生积累损伤，降低桥梁使用寿命，可能导致桥梁提前损坏或破坏，就存在行车安全风险。
4. 结束语
4.1 在桥梁勘察设计方面，随着交通事业的迅速发展，大跨度或复杂的桥型将不断涌现。高速公路的发展，对桥梁设计亦将提出新的要求。在桥式方案设计中，可利用结构优化设计理论，借助电子计算机选出最佳方案。 在结构设计计算中，采用空间理论来分析桥梁整体受力已成为可能；以概率统计理论为基础的极限状态设计理论，将进一步反映在桥涵设计规范中，使桥梁设计的安全度得到科学合理的保证。
4.2 桥梁美学作为时代、民族的文化在某些方面的反映，将愈来愈受到人们的重视：桥梁的面貌将蔚为大观。
4.3 在建桥材料方面，以高强、轻质、低成本为选择的主要依据，近期仍以发展传统的钢材和混凝土为主，提高其强度和耐久性。对于建筑钢材的脆断机理、初始几何缺陷等，以及混凝土材料的非弹性问题（收缩徐变以及疲劳等），将继续作充分的研究，使能正确控制结构的受力和变形。
4.4 在桥梁施工方面，对施工组织将充分利用电子计算机进行经济有效的管理。在施工技术中，将不断引用新技术和高效率、高功能的机具设备，借以提高质量、缩短工期、降低造价。如采用激光测量控制结构的精确定位；引用自升式水上平台克服深水基础的困难；利用遥控设备在沉井、沉箱中挖基，以减少劳动强度并避免人身危险；利用高质量的焊接技术，借能推广工地焊接等，此外，装配式连续梁也将有所发展，以使结构和构件标准化，生产工业化。
参考文献
[1] JTG D062—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
[2] JTJ041—2000，公路桥涵施工技术规范[S].
[3] 程翔云. 梁桥理论与计算.北京 ：人民交通出版社，1990[M].