土木结构论文：土木结构薄弱环节浅析
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本文作者：杨晓明时丹作者单位：辽宁工程技术大学建筑工程学院
从上述土木工程结构事故中可以看到，引起土木工程结构倒塌事故的原因有很多种，归纳起来主要有两大类:1)不可抗力因素，包括地震、洪水、飓风、火灾等等。由不可抗力引起的土木工程结构灾害非本文所讨论内容，因此不作更多介绍。2)非不可抗力因素，主要包括设计方面因素、施工方面因素、运营管理方面因素等。由于设计而导致土木工程结构倒塌的原因包括:结构特性认识不深入，设计理论不成熟;设计中对结构在荷载作用下空间受力特性和应力分布规律分析不够;设计中支撑整体稳定性不足。由于施工而导致土木工程结构倒塌的原因包括:辅助支撑强度、稳定性不足，脚手架支撑体系搭设重大隐患;施工技术差和焊接存在严重缺陷;施工中偷工减料，工程质量低劣;不按工艺要求施工，施工方法不当。由于运营管理而导致土木工程结构倒塌的原因包括:车辆超限超载常禁不止致使桥梁常年超负荷运行;在结构的改造、加建或拆除过程中，由于对结构剩余强度鉴定不准确，采用的维修加固、加建或拆除方案不符合实际要求导致结构倒塌;由于人为破坏、使用不当、结构构件腐蚀老化，造成部分承重构件失效，阻碍传力途径导致结构倒塌;结构耐久性不足及检测维修养护不当。各类土木工程结构倒塌的机理可以分为以下几类［7］:1)竖向受力构件失效。结构竖向受力构件起着向基础传递上部荷载，支撑结构体系的作用。当竖向受力构件失效后改变结构体系和传力路经，引起结构内力重分布。2)结构强度储备不足。当可变荷载超过设计值较多，或温度应力变化较大时等，结构由于强度储备不足将发生倒塌。3)节点强度不足，结构整体性差。节点不仅起着荷载传递路径、支撑结构体系的作用，还起着增强结构整体性的作用。当节点先于构件破坏后，结构整体性被破坏，支撑于节点上的构件脱离结构主体，造成结构整体性塌陷。上述导致土木工程结构倒塌的各种原因中及倒塌机理分析中，设计原因和施工原因均发生在桥梁运营以前，可以通过桥梁设计理论的不断成熟及施工技术和施工方案的不断完善逐步克服。而对于广大正在运营中的在役土木工程结构来说，管理中的检测维修养护不当才是土木工程管理及科研工作者要面对的重要问题。要想在结构管理中能够有效地避免重大安全事故，必须及时发现结构中可能出现安全问题的地方。以下从结构损伤演化的角度讨论如何及时发现土木工程结构中可能出现安全问题的地方。
在役土木工程结构薄弱处概念的提出
对于广大运营中的在役土木工程结构，在其长期使用过程中，不可避免地受到环境侵蚀、材料老化和荷载长期效应、疲劳效应等灾害因素的作用［8］，在结构内部会出现不同程度的损伤，从而造成结构各部分构件承载力下降，当环境条件或外荷载发生变化时，结构中承载力下降最多的构件最有可能首先发生失效现象，继而由于结构内部内力重分布而导致其他构件接连失效，最后结构整体倒塌。四川宜宾市南门大桥长384m，宽13m，为单孔跨径240m的钢筋混凝土中承式公路拱桥，桥面由17对钢缆吊杆凌空悬挂，于1990年6月竣工通车。在建成10年后，于2001年11月7日凌晨4时30分左右，该桥两端4对共8根短吊杆在与横梁连接部位突然发生断裂，导致两端桥面坍落。事故发生时一边垮塌后，因受力不均使桥面的支撑发生波浪形摆动，造成另一边也垮塌。此事故原因是该桥的交通量早已成倍增长，超载十分严重致使桥梁所受外荷载远远超过设计荷载;另一方面，中承拱短吊杆受力较大振动冲击强，并且腐蚀严重，致使吊杆承载力下降过多，最终导致短吊杆脆断，桥面垮塌。从上述桥梁安全事故中可以发现，在整个桥梁倒塌过程中，最为关键的是承载力下降最多的首先发生失效的那个构件(即宜宾南门桥上的吊杆)，在本文研究中称为结构中的薄弱处，即受环境侵蚀、材料老化、荷载变化等因素的影响，土木工程结构中最先发生破坏的构件或构件中的某一位置。本文中所定义的结构薄弱处与理论上根据设计方案计算出的结构内力最大处是有所区别的。随着结构使用年限的增加，结构中各构件或同一构件的各部分所受到的环境影响并不一致，各部分材料退化程度也有所不同，而且外荷载变化导致各部分内力变化也并不相同，因而结构中抗力与实际内力最接近的地方，即结构薄弱处往往不是结构中内力最大的位置。图1以一座桥梁为例说明随着运营时间的增长，各部件薄弱程度变化情况。从图中可以看到，桥梁建成之初桥梁内各构件的荷载效应与其承载力相比有较大距离，而经过5年的运营，桥梁所受到荷载效应不断加大而各部件承载力却不断下降，二者之间差距不断接近，但荷载效应与承载力最为接近的部件与桥梁建成之初已经有所变化;经过10年的运营，桥梁所受到荷载效应进一步加大而各部件承载力继续下降，此时二者之间差距最小的即为桥梁中的薄弱处(构件7)，该薄弱处并非桥梁建成之初荷载效应与承载力最为接近的部件(构件3和6)。
在役土木工程结构薄弱处分析方法
土木工程结构中出现薄弱处的首要原因是结构内出现损伤。本文主要关注引发累积损伤的各种原因。随着土木工程结构的长期运营，不可避免的暴露在各种环境中，日晒、雨淋、有害气体、冻融循环等环境因素不断地侵蚀建筑结构，导致结构中最基本的建筑材料性能不断下降，出现钢筋锈蚀、混凝土开裂、脱落等现象，同时受建筑材料自身老化的影响，材料的各项技术指标(弹性模量、强度)也随时间不断下降，即累积损伤越来越严重。累积损伤会导致土木工程结构承载力下降，其主要原因为:1)钢筋锈蚀导致受力钢筋截面变小、钢筋与混凝土间粘结力下降;2)混凝土裂缝导致钢筋混凝土构件的有效截面变小;3)材料老化导致与结构承载力直接相关的弹性模量和极限强度下降。由此可见，寻找结构薄弱处的第一步，即确定结构中各处承载力下降程度的首要问题是准确识别出结构各位置的损伤情况。损伤识别问题分为两大类，一方面称之为正问题，即通过结构现场无损检测及微破损检测获得结构各处受环境侵蚀和材料老化因素影响产生的损伤问题［9－10］，这种方法是从正面直接寻找结构中的损伤，需要依靠大量的测试仪器与有经验的现场工程师，而且对于一座大型结构来说全部检测完整体结构需要耗费相当长的时间和人力物力，更重要的是结构内部的损伤是难以检测到的;另一方面称之为反问题［11］，即通过测量结构整体动力响应来分析结构内的损伤发生、损伤位置及程度，这种方法属于传统的系统识别范畴，根据结构响应反演出结构系统参数，对于损伤来说通常以刚度下降来表示。但是由于结构响应测试难以完备且受到噪声干扰较大，这类方法在实际应用上还受到限制。准确识别结构各处损伤情况需将两种方法结合使用，一方面通过现场检测获得材料参数来计算结构承载力，另一方面通过损伤识别算法获得结构损伤位置及程度，二者相互比较，通过结构承载力下降较多与损伤程度较大的位置相互印证，最终确定结构中的损伤情况。确定结构中薄弱处的另一个考虑因素是结构上荷载效应的变化。结构上荷载效应的变化包括以下三个方面:1)结构整体荷载的增加［12］。结构随着服役年限的增加，使用功能与最初的设计要求会有所改变，因而整体荷载会变大。例如，工业厂房由于生产线变更、重型设备的安装造成整个厂房结构荷载的增加;桥梁结构中，由于经济、技术的发展，车流量越来越大，而且重型汽车越来越多，早期未设计承受超重车能力的桥梁不得不承受更大的车辆荷载。2)内力重分布。一方面，内力重分布是因为结构上荷载的增加并不是均匀的，尤其是活荷载。例如雪荷载，结构迎风面和背风面的积雪程度相距甚远，其荷载值会相差数倍，因而会造成结构中内力分布发生变化。另一方面，内力重分布是因为结构损伤引起的刚度变化。绝大部分土木工程结构均为超静定结构，而超静定结构的内力分布是同各构件的刚度有关，某一构件刚度的下降必然会导致其他构件内力有所增加，因此造成整个结构中的内力重分布。3)动力荷载引起构件疲劳性能的退化［13－14］。长期承受动力荷载的结构，特别是桥梁结构，在长期的服役过程中，动力荷载循环次数的增加会造成结构疲劳寿命的降低，尽管动力荷载的幅值没有增加，但对结构来说同样会使其接近破坏。因此，动力荷载的循环次数同样也是确定结构薄弱处的考虑因素。从上述讨论中可以看出，要想准确地找出土木工程结构中的薄弱处需要从两个方面入手，一方面是确定土木工程结构中各处的承载力下降程度，根据现场实测得到的材料参数修正理论的材料性能下降曲线，由其计算结构中各处的材料性能下降程度，进而获得结构中各处的实际承载力，并根据损伤识别结果相互验证;另一方面是确定结构中各处荷载效应的增加，通过分析结构外荷载变化、材料性能变化引起的结构内力重分布以及动力荷载引起的结构疲劳寿命降低的程度，以此来确定结构所受到的真实荷载效应。之后通过比较结构各处的实际承载力与荷载效应，二者最接近的位置即为土木工程结构在当前状态下的薄弱处。找到土木工程结构中薄弱处即对其进行重点监控，并采取有效措施进行加固补强，从而保证土木工程整体结构安全。图2所示为在役土木工程结构薄弱处分析方法流程图。
待解决关键技术问题
目前对于土木工程结构安全性的研究并没有将结构损伤引起的承载力下降与荷载变化引起的荷载效应增加结合起来考虑，而是分别单独考虑，即研究材料性能退化、损伤识别、内力重分布、疲劳荷载等。本文研究是将二者结合起来，综合考虑各种因素共同作用下结构安全性问题，即寻找结构薄弱处。在土木工程结构薄弱处研究中尚有一些亟待解决的关键问题:1)受环境侵蚀、材料老化等长期因素影响，在役土木工程结构中基本建筑材料实际技术指标的确定，包括钢材与混凝土的弹性模量、强度以及钢筋锈蚀程度与混凝土耐久性下降程度等;2)根据土木工程结构中建筑材料的实际技术指标以及由于钢筋锈蚀引起钢筋与混凝土粘结力的下降与裂缝引起混凝土构件截面的减小，计算结构中各构件的实际承载力;3)根据外荷载的变化以及由于材料性能下降引起的刚度变化而导致的内力重分布来计算结构实际的荷载效应，根据动力荷载引起的疲劳效应计算结构的疲劳寿命。
