土木結構論文：土木結構薄弱環(huán)節(jié)淺析
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本文作者：楊曉明時丹作者單位：遼寧工程技術大學建筑工程學院
從上述土木工程結構事故中可以看到，引起土木工程結構倒塌事故的原因有很多種，歸納起來主要有兩大類:1)不可抗力因素，包括地震、洪水、颶風、火災等等。由不可抗力引起的土木工程結構災害非本文所討論內(nèi)容，因此不作更多介紹。2)非不可抗力因素，主要包括設計方面因素、施工方面因素、運營管理方面因素等。由于設計而導致土木工程結構倒塌的原因包括:結構特性認識不深入，設計理論不成熟;設計中對結構在荷載作用下空間受力特性和應力分布規(guī)律分析不夠;設計中支撐整體穩(wěn)定性不足。由于施工而導致土木工程結構倒塌的原因包括:輔助支撐強度、穩(wěn)定性不足，腳手架支撐體系搭設重大隱患;施工技術差和焊接存在嚴重缺陷;施工中偷工減料，工程質(zhì)量低劣;不按工藝要求施工，施工方法不當。由于運營管理而導致土木工程結構倒塌的原因包括:車輛超限超載常禁不止致使橋梁常年超負荷運行;在結構的改造、加建或拆除過程中，由于對結構剩余強度鑒定不準確，采用的維修加固、加建或拆除方案不符合實際要求導致結構倒塌;由于人為破壞、使用不當、結構構件腐蝕老化，造成部分承重構件失效，阻礙傳力途徑導致結構倒塌;結構耐久性不足及檢測維修養(yǎng)護不當。各類土木工程結構倒塌的機理可以分為以下幾類［7］:1)豎向受力構件失效。結構豎向受力構件起著向基礎傳遞上部荷載，支撐結構體系的作用。當豎向受力構件失效后改變結構體系和傳力路經(jīng)，引起結構內(nèi)力重分布。2)結構強度儲備不足。當可變荷載超過設計值較多，或溫度應力變化較大時等，結構由于強度儲備不足將發(fā)生倒塌。3)節(jié)點強度不足，結構整體性差。節(jié)點不僅起著荷載傳遞路徑、支撐結構體系的作用，還起著增強結構整體性的作用。當節(jié)點先于構件破壞后，結構整體性被破壞，支撐于節(jié)點上的構件脫離結構主體，造成結構整體性塌陷。上述導致土木工程結構倒塌的各種原因中及倒塌機理分析中，設計原因和施工原因均發(fā)生在橋梁運營以前，可以通過橋梁設計理論的不斷成熟及施工技術和施工方案的不斷完善逐步克服。而對于廣大正在運營中的在役土木工程結構來說，管理中的檢測維修養(yǎng)護不當才是土木工程管理及科研工作者要面對的重要問題。要想在結構管理中能夠有效地避免重大安全事故，必須及時發(fā)現(xiàn)結構中可能出現(xiàn)安全問題的地方。以下從結構損傷演化的角度討論如何及時發(fā)現(xiàn)土木工程結構中可能出現(xiàn)安全問題的地方。
在役土木工程結構薄弱處概念的提出
對于廣大運營中的在役土木工程結構，在其長期使用過程中，不可避免地受到環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載長期效應、疲勞效應等災害因素的作用［8］，在結構內(nèi)部會出現(xiàn)不同程度的損傷，從而造成結構各部分構件承載力下降，當環(huán)境條件或外荷載發(fā)生變化時，結構中承載力下降最多的構件最有可能首先發(fā)生失效現(xiàn)象，繼而由于結構內(nèi)部內(nèi)力重分布而導致其他構件接連失效，最后結構整體倒塌。四川宜賓市南門大橋長384m，寬13m，為單孔跨徑240m的鋼筋混凝土中承式公路拱橋，橋面由17對鋼纜吊桿凌空懸掛，于1990年6月竣工通車。在建成10年后，于2001年11月7日凌晨4時30分左右，該橋兩端4對共8根短吊桿在與橫梁連接部位突然發(fā)生斷裂，導致兩端橋面坍落。事故發(fā)生時一邊垮塌后，因受力不均使橋面的支撐發(fā)生波浪形擺動，造成另一邊也垮塌。此事故原因是該橋的交通量早已成倍增長，超載十分嚴重致使橋梁所受外荷載遠遠超過設計荷載;另一方面，中承拱短吊桿受力較大振動沖擊強，并且腐蝕嚴重，致使吊桿承載力下降過多，最終導致短吊桿脆斷，橋面垮塌。從上述橋梁安全事故中可以發(fā)現(xiàn)，在整個橋梁倒塌過程中，最為關鍵的是承載力下降最多的首先發(fā)生失效的那個構件(即宜賓南門橋上的吊桿)，在本文研究中稱為結構中的薄弱處，即受環(huán)境侵蝕、材料老化、荷載變化等因素的影響，土木工程結構中最先發(fā)生破壞的構件或構件中的某一位置。本文中所定義的結構薄弱處與理論上根據(jù)設計方案計算出的結構內(nèi)力最大處是有所區(qū)別的。隨著結構使用年限的增加，結構中各構件或同一構件的各部分所受到的環(huán)境影響并不一致，各部分材料退化程度也有所不同，而且外荷載變化導致各部分內(nèi)力變化也并不相同，因而結構中抗力與實際內(nèi)力最接近的地方，即結構薄弱處往往不是結構中內(nèi)力最大的位置。圖1以一座橋梁為例說明隨著運營時間的增長，各部件薄弱程度變化情況。從圖中可以看到，橋梁建成之初橋梁內(nèi)各構件的荷載效應與其承載力相比有較大距離，而經(jīng)過5年的運營，橋梁所受到荷載效應不斷加大而各部件承載力卻不斷下降，二者之間差距不斷接近，但荷載效應與承載力最為接近的部件與橋梁建成之初已經(jīng)有所變化;經(jīng)過10年的運營，橋梁所受到荷載效應進一步加大而各部件承載力繼續(xù)下降，此時二者之間差距最小的即為橋梁中的薄弱處(構件7)，該薄弱處并非橋梁建成之初荷載效應與承載力最為接近的部件(構件3和6)。
在役土木工程結構薄弱處分析方法
土木工程結構中出現(xiàn)薄弱處的首要原因是結構內(nèi)出現(xiàn)損傷。本文主要關注引發(fā)累積損傷的各種原因。隨著土木工程結構的長期運營，不可避免的暴露在各種環(huán)境中，日曬、雨淋、有害氣體、凍融循環(huán)等環(huán)境因素不斷地侵蝕建筑結構，導致結構中最基本的建筑材料性能不斷下降，出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土開裂、脫落等現(xiàn)象，同時受建筑材料自身老化的影響，材料的各項技術指標(彈性模量、強度)也隨時間不斷下降，即累積損傷越來越嚴重。累積損傷會導致土木工程結構承載力下降，其主要原因為:1)鋼筋銹蝕導致受力鋼筋截面變小、鋼筋與混凝土間粘結力下降;2)混凝土裂縫導致鋼筋混凝土構件的有效截面變小;3)材料老化導致與結構承載力直接相關的彈性模量和極限強度下降。由此可見，尋找結構薄弱處的第一步，即確定結構中各處承載力下降程度的首要問題是準確識別出結構各位置的損傷情況。損傷識別問題分為兩大類，一方面稱之為正問題，即通過結構現(xiàn)場無損檢測及微破損檢測獲得結構各處受環(huán)境侵蝕和材料老化因素影響產(chǎn)生的損傷問題［9－10］，這種方法是從正面直接尋找結構中的損傷，需要依靠大量的測試儀器與有經(jīng)驗的現(xiàn)場工程師，而且對于一座大型結構來說全部檢測完整體結構需要耗費相當長的時間和人力物力，更重要的是結構內(nèi)部的損傷是難以檢測到的;另一方面稱之為反問題［11］，即通過測量結構整體動力響應來分析結構內(nèi)的損傷發(fā)生、損傷位置及程度，這種方法屬于傳統(tǒng)的系統(tǒng)識別范疇，根據(jù)結構響應反演出結構系統(tǒng)參數(shù)，對于損傷來說通常以剛度下降來表示。但是由于結構響應測試難以完備且受到噪聲干擾較大，這類方法在實際應用上還受到限制。準確識別結構各處損傷情況需將兩種方法結合使用，一方面通過現(xiàn)場檢測獲得材料參數(shù)來計算結構承載力，另一方面通過損傷識別算法獲得結構損傷位置及程度，二者相互比較，通過結構承載力下降較多與損傷程度較大的位置相互印證，最終確定結構中的損傷情況。確定結構中薄弱處的另一個考慮因素是結構上荷載效應的變化。結構上荷載效應的變化包括以下三個方面:1)結構整體荷載的增加［12］。結構隨著服役年限的增加，使用功能與最初的設計要求會有所改變，因而整體荷載會變大。例如，工業(yè)廠房由于生產(chǎn)線變更、重型設備的安裝造成整個廠房結構荷載的增加;橋梁結構中，由于經(jīng)濟、技術的發(fā)展，車流量越來越大，而且重型汽車越來越多，早期未設計承受超重車能力的橋梁不得不承受更大的車輛荷載。2)內(nèi)力重分布。一方面，內(nèi)力重分布是因為結構上荷載的增加并不是均勻的，尤其是活荷載。例如雪荷載，結構迎風面和背風面的積雪程度相距甚遠，其荷載值會相差數(shù)倍，因而會造成結構中內(nèi)力分布發(fā)生變化。另一方面，內(nèi)力重分布是因為結構損傷引起的剛度變化。絕大部分土木工程結構均為超靜定結構，而超靜定結構的內(nèi)力分布是同各構件的剛度有關，某一構件剛度的下降必然會導致其他構件內(nèi)力有所增加，因此造成整個結構中的內(nèi)力重分布。3)動力荷載引起構件疲勞性能的退化［13－14］。長期承受動力荷載的結構，特別是橋梁結構，在長期的服役過程中，動力荷載循環(huán)次數(shù)的增加會造成結構疲勞壽命的降低，盡管動力荷載的幅值沒有增加，但對結構來說同樣會使其接近破壞。因此，動力荷載的循環(huán)次數(shù)同樣也是確定結構薄弱處的考慮因素。從上述討論中可以看出，要想準確地找出土木工程結構中的薄弱處需要從兩個方面入手，一方面是確定土木工程結構中各處的承載力下降程度，根據(jù)現(xiàn)場實測得到的材料參數(shù)修正理論的材料性能下降曲線，由其計算結構中各處的材料性能下降程度，進而獲得結構中各處的實際承載力，并根據(jù)損傷識別結果相互驗證;另一方面是確定結構中各處荷載效應的增加，通過分析結構外荷載變化、材料性能變化引起的結構內(nèi)力重分布以及動力荷載引起的結構疲勞壽命降低的程度，以此來確定結構所受到的真實荷載效應。之后通過比較結構各處的實際承載力與荷載效應，二者最接近的位置即為土木工程結構在當前狀態(tài)下的薄弱處。找到土木工程結構中薄弱處即對其進行重點監(jiān)控，并采取有效措施進行加固補強，從而保證土木工程整體結構安全。圖2所示為在役土木工程結構薄弱處分析方法流程圖。
待解決關鍵技術問題
目前對于土木工程結構安全性的研究并沒有將結構損傷引起的承載力下降與荷載變化引起的荷載效應增加結合起來考慮，而是分別單獨考慮，即研究材料性能退化、損傷識別、內(nèi)力重分布、疲勞荷載等。本文研究是將二者結合起來，綜合考慮各種因素共同作用下結構安全性問題，即尋找結構薄弱處。在土木工程結構薄弱處研究中尚有一些亟待解決的關鍵問題:1)受環(huán)境侵蝕、材料老化等長期因素影響，在役土木工程結構中基本建筑材料實際技術指標的確定，包括鋼材與混凝土的彈性模量、強度以及鋼筋銹蝕程度與混凝土耐久性下降程度等;2)根據(jù)土木工程結構中建筑材料的實際技術指標以及由于鋼筋銹蝕引起鋼筋與混凝土粘結力的下降與裂縫引起混凝土構件截面的減小，計算結構中各構件的實際承載力;3)根據(jù)外荷載的變化以及由于材料性能下降引起的剛度變化而導致的內(nèi)力重分布來計算結構實際的荷載效應，根據(jù)動力荷載引起的疲勞效應計算結構的疲勞壽命。
