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桥梁结构的极限承载力分析与安全性评估建筑工程论文

实用范文

  摘 要:桥梁是公路交通运输的咽喉和枢纽,对公路交通运输起着越来越重要的作用。不仅拉动了国民经济的建设,而且推动了社会的稳步发展。任何一个桥梁都有其极限的承载能力和服役时间,随着服役时间的不断增长,桥梁的结构以及相关材料的性能在外界环境和内部因素的交互作用下将不可避免地发生劣化衰变,无法避免地出现承载力的下降,从而影响桥梁的安全工作。文章以桥梁结构为中心,因而需要对桥梁结构的承载力和安全性进行相关问题展开探讨。安全评价的重要内容是分析桥梁结构的整体安全性和控制截面的安全性。

  关键词:桥梁结构;极限承载力;分析

  随着国内经济的飞速发展,交通动输业也越来越繁荣。因此,对交通运输的咽喉—桥梁提出了更高的要求。桥梁是地面交通的枢纽,有着投资密集,技术难度大的特点。尽管在桥梁的设计和建造阶段能够保证工程质量,但是由于外部环境和材料老化等因素,桥梁结构的性能会逐渐下降。相对的承载能力也会降柢,影响桥梁的使用和安全,甚至由于承载力不足引发严重事故。因此,对桥梁结构的极限承载力有正确分析,对人民的生命财产安全和社会的发展都有十分重要的意义。

  1 结构极限分析的相关理论

  1.1 桥梁结构极限承载力的概念

  传统的强度设计以构件最大工作应力乘以安全系数不大于材料的屈服应力为依据,一般情况下,构件某截面开始屈服(或者局部屈曲)并不代表结构完全破坏,结构所承受的荷载通常较构件开始屈服(或者局部屈曲)时的荷载为大,为了利用这一强度富裕度,提出了极限设计和极限荷载的概念。极限荷载即引起结构“完全崩溃”的荷载;极限设计将结构的工作荷载取为极限荷载的一个部分。所以说,结构的极限承载力是从“极限设计”的思想中引出的概念。

  桥梁的极限承载力是指桥梁完全崩溃前所能承受外荷载的最大能力。其大小与以下因素有关:材料特性:极限强度、应力应变关系等;结构和构件的刚度及几何尺寸:面积、惯矩等;结构所处的状态:施工阶段、运营阶段等;结构承受的荷载形式:恒载、组合荷载等;荷载的加载路径。

  也就是说,不同施工方法、不同荷载形式和加载路径,桥梁结构极限承载力不同,即极限承载力不是一个定值。

  1.2 需要分析的主要问题

  结构型性极限分析需要解決的问题主要有以下几个方面:

  (1)结构塑性极限荷载的求解。塑性极限荷载是指结构丧失工作能力情况下的荷载,如果能够科学地计算工程的极限荷载,那么就可以明确各种情况下的安全情况,从而对结构进行科学的评估。

  (2)在极限状态下,结构满足变形规律和机动条件,处理好这个问题对于抗震结构的设计有非常重要的意义。现在一般的结构设计通常只考虑结构的弹性工作阶段,在遇到地震等情况的时候才偶尔考虑结构的承载力。这种方式并没有将构材料的强度进行充分发挥,同时也导致了经济性较差。科学地分析塑性极限,不但可以将材料的性能充分发挥,而且可以起到降低成本的作用。

  2 极限承载力与极限状态的关系

  极限状态与极限的承载力是两个不同的概念,但是二者之间有十分密切的联系。极限状态是指在结构分析和设计中,需要明确规定结构状态的界限。这些界限包括:安全性、适用性、耐用性等方面。我们将这样的界限称为极限状态。也就是说,极限状态实际上是一个阈值,一旦超过了这个阈值,那么结构就会处在不安全或者不适用的状态。

  结构的极限状态可以是客观规定的,也可以是由人为控制即相关专家论证给定的。在我国,结构的极取状态主要分为两种:正常使用极限状态以及承载能力极限状态。

  极限状态与极限承载能力主要有以下几种关系:

  (1)通常情况下,正常使用的极限状态都是在设计构件时需要考虑的方面。例如:设计混凝土弯构件时,既要保证构件的正截面和斜截面强度,又要保证控制构件的裂缝宽度和变形,使其在规范允许的范围内。

  (2)在研究承载能力极限状态的过程中,极限承载力是重要的参考依据,二者既有区别又有联系:整个结构或其一部分作为刚体失去平衡(一致);结构或构件丧失稳定(有区别);结构转变为机动体系(一致);结构构件或其连接因材料强度被超过而破坏,或因过度的塑性变形而不适于继续承载。(基本一致)

  (3)两者的研究方式不同,极限状态主要采用理论研究,而确定性的研究方式主要针对极限承载能力的研究。

  3 极限承载力的研究方法及原理

  3.1 物理的非线性研究方式

  由于受力性能的非线性的影响,例如钢筋混凝土拱桥,混凝土的非线性及钢筋会产生较大屈服。这些变化会使结构力学特征发生改变,构件的截面刚度会呈现非线性的性能。因此,在构件过程中,需要不断修正结构的总刚度阵。

  由于荷载的不断增加,会形成塑性铰。铰的形成原因是由于某个节点的内力不为增大,到一定程度后,位移增大,截面弯距不再增大,最终就形成了铰。铰的形成会使桥梁结构发生改变,荷载增量要在结构中产生反应。

  3.2 弹性补偿法

  弹性补偿法是计算极限载荷的一种常用方法,这种方法广泛应用于安全评定工作中。通过弹性补偿法更能反映结构的真实状态,使材料的了载潜力得到充分的发挥。利用弹性有限分析的方法是有限元法经常使用的方式,调整单元的弹性模量,引起应力重分布,通过不断的迭代分析,使低应力单元的弹性模量不断增加,高应力单元的弹性模量不断减小。通过这种方式,最终可以模似结构塑料实效行为。

  3.3 模量缩减法

  弹性补偿法虽然是使用范围较广的一种方法,但是也有其局限性。对于体型较为简单同时使用材料对单一的工程结构比交适用。相反,对于体型较大并且材料比较复杂的结构的进行分析,这种方式就很难发挥作用。因此,另一种分析方法随之产生。这种应用与复杂结构分析工作中的方法称为模量缩减法。

  结构模量需要调整的参数,将承载比均匀度进行定义:

  在弹性模量调整过程中,dk会随着结构承载力分布的变化而变化。我们可以通过这个数值变化分析结构中单元承载比分布情况。

  4 展望

  笔者对桥梁结构进行了全面的分析,在对原有的分析方法进行研究的同时,也提出了一些新想法,希望通过大家的研究其可行性。

  (1)对于预应力混凝土结构的分析,要从不同的角度进行全面的考虑。对这种结构进行分析时,需要采用分层法以材料的非线性的性能进行综合的考虑。另外,对于大跨径桥梁的结构,还需要对其本身的几何特性进行全面的考虑。在目前的计算中,虽然考虑了材料的非线性的性能,但是仍然采用线弹性理论进行结构计算。这种计算方式存在问题,彩用这用方工计算出来的极限承载力要比实际的承载力小,这就直接影响力材料的合理利用,一定程度上造成了材料的浪费。

  (2)在混凝土的收缩和变化时间的分析方面,应该采用更加精确的分析方法,注意应力随时间的而变化。由于受时间的影响,钢筋会发生松驰,引起预應力的不足;混凝土在较长的时间变化中会发生现收缩。这些问题都需要考虑时间的变化因素。由于时间因素会在很大程度上影响混凝土的结构,因此应该划分多个时间段,进行逐步的增量计算。但是在目前计算过程中,为了计算的简便,常常忽略了对相关问题的深入思考。这样,很可能造成设计的承载力与实际的承载力产生误差,最终影响桥梁的有效利用。

  (3)在预应力混凝土结构中,普通的钢筋会延迟混凝土裂缝产生的破坏效果,这就在一定程度上提升了结构的极限承载能力。在目前的计算过程中,通常为了简化计算,并没有将普通钢筋的影响因素纳入计算过程中。因此,这种计算得出的承载力的结果是偏于安全的。

  5 结语

  随着我国交通运输的快速发展,桥梁作为重要的运输基础其他位也越发重要。交通运输量的增加对桥梁提出了更高的要求,必须保证桥梁结构有优越的性能,才能承受往日益增长的运输压力。因此,科学分析桥梁结构的极限承载力对于保证桥梁的使用能力显得十分重要。我们要通过不断的研究,对桥梁的极限承载力建立更加科学更加全面的评估方式,从而国桥梁结构的安全和交通运输业的发展提供重要保障。

  参考文献

  [1] 徐秉业,刘信声.结构塑性极限分析[M].中国建筑工业出版社,1985.

  [2] 颜全胜,骆宁安.大跨度拱桥的非线性与稳定分析[J].华南理工大学学报(自然科学版),2000,28(06):64-68.

  [3] 钟善桐.钢管混凝土统一理论-研究与应用[M].北京:清华大学出版社,2006.

  [4] 钟善桐.钢管混凝土结构[M].黑龙江科学技术出版社,1994.

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