橋梁結(jié)構(gòu)論文范文

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第1篇

橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，以承受作用于其上的重力和附加力；結(jié)構(gòu)各部必須具有足夠的剛度，以使其在荷載作用下不產(chǎn)生過大的撓曲和變形；結(jié)構(gòu)各部尺寸必須具有適當(dāng)大小，以使其承受軸向壓力時(shí)的構(gòu)件不發(fā)生屈曲，喪失穩(wěn)定性。同時(shí)結(jié)構(gòu)也要具有較高的耐久性。由于作用荷載的隨機(jī)性、材料強(qiáng)度的離散性、制造與施工質(zhì)量的分散性、計(jì)算假定的近似性，致使在長期使用過程中橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生病害，其具體原因如下：

1．原設(shè)計(jì)荷載偏低，交通發(fā)展后車輛荷載增大，橋梁因承載能力不足而產(chǎn)生病害。

2．結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在缺陷，如采用橋型結(jié)構(gòu)不當(dāng)、設(shè)計(jì)假定不盡合理。

3．橋梁施工質(zhì)量差，未按設(shè)計(jì)要求和施工規(guī)程實(shí)施。

4．不重視橋梁后期養(yǎng)護(hù)工作，沒有及時(shí)消除己產(chǎn)生的病害。

5．洪水等自然災(zāi)害使橋梁產(chǎn)生損壞。

6．地質(zhì)條件差，如滑坡、軟基等導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生病害。

二、橋梁加固的一般流程

在橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生病害后，需要采取措施進(jìn)行加固維修或者更換。橋梁加固工程一般應(yīng)遵循以下工作程序：

結(jié)構(gòu)可靠性鑒定—加固方案確定—加固設(shè)計(jì)—施丁組織設(shè)計(jì)—施工—驗(yàn)收。

結(jié)構(gòu)可靠性鑒定，主要是對病害結(jié)構(gòu)的病情診斷。加固方案好比處方，加固設(shè)計(jì)是現(xiàn)行規(guī)范及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對加固方案的深化過程。加固施工是對被加固結(jié)構(gòu)按加固設(shè)計(jì)進(jìn)行加固的施工過程，對于大型結(jié)構(gòu)加固，為確保質(zhì)量和安全，施工前應(yīng)編制施工組織設(shè)計(jì)。

三、橋梁加固增強(qiáng)技術(shù)

橋梁的增強(qiáng)改造可以分為裂縫修補(bǔ)和對橋梁結(jié)構(gòu)的加固增強(qiáng)，下面介紹其特點(diǎn)及其適用的場合。

（一）裂縫修補(bǔ)技術(shù)

裂縫修補(bǔ)的目的在于恢復(fù)結(jié)構(gòu)物的防水性和耐久性，主要技術(shù)有：

1．表面處理法，在微裂縫的表面涂抹填料及防水材料，以提高其防水性和耐久性。對于寬度發(fā)生變化的裂縫，要設(shè)法使用有伸縮性的材料。

2．注漿法，在裂縫中注入樹脂或水泥類材料，以提高其防水性及耐久性。主要注漿材料是環(huán)氧樹脂，多采用低壓低速注入法。環(huán)氧樹脂注入法與鋼釘并用，可以增強(qiáng)裂縫部位的整體性，是一種防止裂縫繼續(xù)發(fā)展的好辦法。

3．充填法，這是一種適合于修補(bǔ)較寬裂縫的方法，具體做法是沿裂縫鑿一條深槽，然后在槽內(nèi)嵌補(bǔ)各種粘結(jié)材料，如水泥砂漿、環(huán)氧砂漿、膨脹水泥砂漿、環(huán)氧樹脂硅、瀝青及各種化學(xué)補(bǔ)強(qiáng)劑等。4．表面噴涂法，噴漿修補(bǔ)是一種在經(jīng)鑿毛處理的裂縫表面，噴射一層密實(shí)而且粘度高的水泥砂漿保護(hù)層，來封閉裂縫的修補(bǔ)方法。噴漿前，需要把結(jié)構(gòu)表面的剝離部分除去，再用水沖洗清潔，并在開始噴漿之前把基層濕潤，然后再開始噴漿。

5．粘結(jié)鋼板封閉法,當(dāng)鋼筋硂構(gòu)件產(chǎn)生主拉應(yīng)力裂縫時(shí)，可對裂縫先進(jìn)行處理之后，再在裂縫處粘結(jié)鋼板，并用膨脹螺栓對鋼板加壓。鋼板粘結(jié)方向應(yīng)和裂縫方向垂直。

（二）橋梁加固增強(qiáng)技術(shù)

本文以最常見的橋梁結(jié)構(gòu)形式的上部結(jié)構(gòu)及其常見的加固方法進(jìn)行說明。

梁式橋上部結(jié)構(gòu)加固增強(qiáng)技術(shù)主要有加大截面加固法、外部粘貼加固法、外部預(yù)應(yīng)力加固法、改變結(jié)構(gòu)體系加固法、增設(shè)縱梁加固法。

加大截面加固法采用增大構(gòu)件的截面面積，根據(jù)荷載大小和凈空條件不同，可分為以加大截面面積為主和加配鋼筋為主兩種加固方案。

外部粘貼加固法系用型鋼、玻璃鋼等材料通過環(huán)氧樹脂等粘合劑粘貼在結(jié)構(gòu)外部，以提高結(jié)構(gòu)承載能力的一種方法。適用于構(gòu)件尺寸受限制但又必須大幅度提高結(jié)構(gòu)承載能力的場合，必須保證粘和劑的質(zhì)量

外部預(yù)應(yīng)力加固法指運(yùn)用預(yù)應(yīng)力原理，在增設(shè)的構(gòu)件或原有構(gòu)件上施加一定初始應(yīng)力的一種加固方法。采用對受拉區(qū)施加預(yù)加壓力，可以抵消部分自重應(yīng)力，起到卸載、減小跨中撓度、減小裂縫寬度或閉合裂縫的作用。

改變結(jié)構(gòu)體系加固法通過增設(shè)支撐或橋墩，把簡支變?yōu)檫B續(xù)、在梁下增設(shè)如鋼架等加勁梁或疊合梁，以減小梁內(nèi)控制截面峰值彎矩，提高承載能力的一種加固方法。

增設(shè)縱梁加固法在橋梁墩、臺(tái)基礎(chǔ)穩(wěn)定，并具有足夠承載能力的情況下，可采用增設(shè)承載能力高和剛度大的新縱梁，這些新梁與舊梁連接在一起共同受力。由于應(yīng)運(yùn)中的車輛荷載在新增主梁后的橋梁結(jié)構(gòu)中重新分布，使原梁中所受荷載得以減少，加固后的橋梁承載能力和剛度得以提高。當(dāng)增設(shè)的縱梁位于主梁的一側(cè)或兩側(cè)時(shí)，兼有拓寬的作用。此法適用于梁體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)完好，而承載能力不能滿足要求的場合。

（三）橋梁結(jié)構(gòu)加固新技術(shù)——錨噴

第2篇

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)橋梁分形

一、系統(tǒng)論

1945年貝塔郎菲提出了一般系統(tǒng)論的新思維，隨后維納、申農(nóng)分別提出了控制論和信息論，從而使得人們對事物整體和部分的關(guān)系看法由機(jī)械整體性發(fā)展到系統(tǒng)整體性。60～70年代間，系統(tǒng)科學(xué)出現(xiàn)了耗散結(jié)構(gòu)論（普里高津）、協(xié)同論（哈肯）、超循環(huán)論（艾根）和突變論（托姆），主要討論系統(tǒng)的存在、發(fā)展和消亡，強(qiáng)調(diào)任何一個(gè)凈化系統(tǒng)都能夠自行組織，并且不同要素之間具有協(xié)調(diào)作用。70年代以來，對系統(tǒng)最核心的問題即系統(tǒng)機(jī)制的研究得到廣泛關(guān)注，出現(xiàn)了對系統(tǒng)機(jī)制解釋的混飩理論、分形理論、孤波理論等，構(gòu)成了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，主要考察系統(tǒng)的非線性機(jī)制。

凡物皆系統(tǒng)，考察任何系統(tǒng)都要對其要素、結(jié)構(gòu)、功能、環(huán)境等方面進(jìn)行分析。系統(tǒng)具有以下主要特性：①加和性和非加和性；②整體不等于部分之和；③整體功能取決于要素、結(jié)構(gòu)和環(huán)境；④結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)處于非平衡態(tài)，需要外加的能量（或信息）來維持，因此，能夠產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)一定是開放的。系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)失穩(wěn)以至形成新的結(jié)構(gòu)要依賴于非線性的反常漲落。漲落在遠(yuǎn)離平衡時(shí)起驅(qū)動(dòng)作用，不可逆性會(huì)導(dǎo)致新的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生新的質(zhì)。

系統(tǒng)論已被應(yīng)用于很多領(lǐng)域，本文旨在應(yīng)用系統(tǒng)研究的思想來系統(tǒng)地理解橋梁結(jié)構(gòu)的一些新領(lǐng)域，進(jìn)而將系統(tǒng)機(jī)制理論引入橋梁系統(tǒng)的研究。

二、橋架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

橋梁是由多種材料、不同結(jié)構(gòu)組合而成的復(fù)雜系統(tǒng)。橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的要素、結(jié)構(gòu)、功能及環(huán)境的簡要示意圖。橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是橋梁工程大系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，不同的橋梁結(jié)構(gòu)體系又構(gòu)成各個(gè)更低層次的子系統(tǒng)。要素中的各種基本構(gòu)件也構(gòu)成一個(gè)層面上的系統(tǒng)，有其自身的要素、結(jié)構(gòu)、功能和環(huán)境。

橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體不等于部分之和。單個(gè)基本構(gòu)件，比如單個(gè)梁構(gòu)件，是無法實(shí)現(xiàn)跨越峽谷甚至海峽的目的的，而多個(gè)構(gòu)件按照一定的構(gòu)造規(guī)則組成懸索橋或斜拉橋就可以實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體功能取決于構(gòu)件單元、結(jié)構(gòu)體系和環(huán)境狀況，其中起決定性的是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通常只有大跨斜拉橋和懸索橋才能作為跨海大橋的候選橋型，對抗震性能要求較高的地區(qū)，應(yīng)選用抗震性能較好的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如連續(xù)剛構(gòu)、斜拉橋等，或?qū)B續(xù)梁等橋型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，設(shè)計(jì)支座單元，達(dá)到減震目的。

耗散結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為，在遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的非平衡區(qū)內(nèi)，在非線性的非平衡作用下系統(tǒng)演化方向是不確定的，系統(tǒng)的平衡可能失穩(wěn)，發(fā)生突變或分又，系統(tǒng)呈現(xiàn)出新的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)是一種非平衡的結(jié)構(gòu)，接受環(huán)境注入系統(tǒng)的負(fù)熵流才能穩(wěn)定。橋梁的非線同樣體現(xiàn)了這一思想，橋梁的失穩(wěn)為系統(tǒng)突變所致，地震荷載作用下的橋梁系統(tǒng)的延性抗震性能也是結(jié)構(gòu)非線性性能的體現(xiàn)。

三、橋架結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究思路

1．系統(tǒng)識(shí)別與健康監(jiān)測

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識(shí)別是通過試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的建模。橋梁結(jié)構(gòu)可以看作一?quot;灰箱"系統(tǒng)，處于一定環(huán)境中的橋梁結(jié)構(gòu)，一定的輸入對應(yīng)一定的輸出，通過對系統(tǒng)輸出和輸入的分析，可以實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的判斷和識(shí)別。對這樣一個(gè)灰箱的識(shí)別首先應(yīng)確立一個(gè)由梁整體監(jiān)測的許多困難，對橋梁在使用年限內(nèi)工作特性的變化缺乏全面深入的研究，難以建立客觀同一的橋梁狀態(tài)評估標(biāo)準(zhǔn)。所以整個(gè)技術(shù)的成功開發(fā)乃至系統(tǒng)目標(biāo)的最終實(shí)現(xiàn)有賴于更好地結(jié)合系統(tǒng)自身的要素、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)工作環(huán)境。

具體實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的健康監(jiān)測與狀態(tài)評估，當(dāng)前主要有以下幾方面的工作【2】

（1）針對系統(tǒng)輸出：開發(fā)和應(yīng)用以無線通訊技術(shù)為手段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；開發(fā)能適用于交通荷載風(fēng)荷載及定點(diǎn)測試荷載的傳感器最優(yōu)布設(shè)技術(shù)；

（2）針對系統(tǒng)輸入和輸出的反向分析：采用動(dòng)態(tài)邊界子結(jié)構(gòu)原理，開發(fā)以結(jié)構(gòu)模型修正法為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)；研究非線性結(jié)構(gòu)模型的時(shí)域評估方法及系統(tǒng)識(shí)別技術(shù)；尋找更適合橋梁監(jiān)測的新指紋；開發(fā)橋梁觀察與監(jiān)測收據(jù)管理系統(tǒng)及決策專家系統(tǒng)；綜合良態(tài)建模技術(shù)，改善有限元模型修正方法；

（3）系統(tǒng)分析的終端應(yīng)用：根據(jù)觀察與監(jiān)測的結(jié)果分析實(shí)橋的剩余承載能力；建立橋梁安全準(zhǔn)則及能用于橋梁整個(gè)壽命過程經(jīng)濟(jì)評價(jià)的估價(jià)模型。

2．系統(tǒng)控制

古典控制理論起源于本世紀(jì)20年代，主要以單變量線性定常系統(tǒng)為研究對象，以頻率法為主要方法研究控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。50年代以來，逐漸出現(xiàn)了多變量系統(tǒng)、系統(tǒng)靈敏度分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)測試狀態(tài)空間方法和Bellman動(dòng)態(tài)規(guī)劃等現(xiàn)代控制理論方法【5】。

在系統(tǒng)與控制理論中，主要研究動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。橋梁結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下，表現(xiàn)為不確定性的隨機(jī)系統(tǒng)，其非線受到越來越多的關(guān)注和研究。尤其在橋梁的抗震和抗風(fēng)領(lǐng)域，近年來從傳統(tǒng)的抗震抗風(fēng)設(shè)計(jì)思路發(fā)展到結(jié)構(gòu)控制思想。目前的結(jié)構(gòu)控制方式主要有被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和混合控制，被動(dòng)控制是通過支座、阻尼器等裝置來消耗輸入系統(tǒng)的外部環(huán)境能量；主動(dòng)控制的基本思想是通過主動(dòng)施加外部能量來抵消和消耗環(huán)境輸入能量，使偏高平衡狀態(tài)的系統(tǒng)在新的注入能量流作用下找到平衡。

早在1890年，最早的隔震器就產(chǎn)生了，當(dāng)前已應(yīng)用的有疊層橡膠、旋轉(zhuǎn)彈簧等多種支座和彈塑性、粘性、干摩擦等阻尼器用于對系統(tǒng)的被動(dòng)控制。Constantinou在1991年提出了采用位移控制裝置和滑動(dòng)支座相結(jié)合的滑動(dòng)隔震體系，最大限度地減少了輸入能量向結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的傳遞[4].

有些主動(dòng)控制技術(shù)（如AMD）已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，在日本已經(jīng)建成了一批主動(dòng)控制的建筑。通過主動(dòng)控制，一方面可以用最有效的方法抵抗外部激勵(lì)，另一方面可以直接減小輸入到結(jié)構(gòu)上的激勵(lì)水平。當(dāng)前有主動(dòng)連桿控制技術(shù)和主動(dòng)調(diào)質(zhì)阻尼器系統(tǒng)（AMD）技術(shù)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的主動(dòng)控制。混合控制系統(tǒng)當(dāng)前主要有對振動(dòng)控制系統(tǒng)、混合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)和可變阻尼系統(tǒng)。當(dāng)前的這些技術(shù)還處于發(fā)展之中，不但在橋梁抗震抗風(fēng)領(lǐng)域，而且在房屋等建筑領(lǐng)域甚至是整個(gè)土木工程都有廣闊的應(yīng)用前景。

3．系統(tǒng)非線性機(jī)理

傳統(tǒng)自然科學(xué)趨向于強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定、有序、單一、均勻與平衡，帶有線性的色彩，到本世紀(jì)70年代前后，自然科學(xué)的鋒芒開始轉(zhuǎn)向現(xiàn)實(shí)世界的失穩(wěn)、無序、多重性、不均勻和非平衡等方面。非線性系統(tǒng)已成為自然科學(xué)的主要研究對象，因?yàn)榉蔷€性是一切復(fù)雜現(xiàn)象的本源[5]。

1973年，費(fèi)根包姆提出的混飩理論大大推進(jìn)了非線性理論在系統(tǒng)科學(xué)中的應(yīng)用，混飩理論、分形論、孤波理論共同構(gòu)成系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，探討系統(tǒng)的非線性機(jī)制。橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)也是一個(gè)混飩系統(tǒng)，具有不可預(yù)測性、不可分解性和存在規(guī)律性，而且這一混飩系統(tǒng)具有分形性質(zhì)，即自相似性。這里重點(diǎn)討論橋梁系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為特別是橋梁抗震系統(tǒng)中的分形特征。

（1）分形與分維

1977年，Mandelbrot出版了專著《分形、機(jī)遇和維數(shù)》（Fractal：Form，ChanceandDimension，F(xiàn)reemen，SanFrancisco,1977），標(biāo)志著分形理論的誕生。分形是其組成部分以某種方式與整體相似的形，即分形是指一類無規(guī)則、混亂而復(fù)雜但其局部與整體有相似性的體系。

數(shù)學(xué)家按一定的規(guī)則構(gòu)造出具有嚴(yán)格自相似性的規(guī)則分形集合。如康托爾三分集、謝爾賓斯基墊片、柯曲折線等。柯曲折線的結(jié)構(gòu)，具有嚴(yán)格的自相似性。自然界中被認(rèn)為是分形系統(tǒng)的海岸線、云層邊緣、地球表面、斷口表面以及液體湍流等，沒有一個(gè)嚴(yán)格意義上的分形，其自相似性是近似的或統(tǒng)計(jì)意義上的相似，分形自然體在局部和整體的某種相似性通常只是在某些特定的尺度范圍內(nèi)才成立，這些尺度范圍被稱為"無標(biāo)度區(qū)"，這種只在無標(biāo)度區(qū)內(nèi)具有自相似性的分形也稱隨機(jī)分形。形態(tài)（結(jié)構(gòu)）、信息、功能或時(shí)間上具有自相似性的客體稱為廣義分形[6]。

在實(shí)際問題中，為了考察一個(gè)事物是否存在局部和整體的相似性，只要檢驗(yàn)該事物是否存在"無標(biāo)度區(qū)"即可。以尺度r把事物分成N個(gè)相似的部分，對變化的r畫出igr－lgN曲線，然后檢驗(yàn)曲線上是否存在明顯的直線段，直線段對應(yīng)的r的區(qū)域即是無標(biāo)度區(qū)。此方法的理論依據(jù)是自相似集的相似維數(shù)（一lgN／lgr）是不依賴于尺度r的一個(gè)常數(shù)。分維是描述分形特征的定量參數(shù)，因?yàn)樗枋龅木唧w對象不同，分維計(jì)算的具體形式也有多種，如相似維數(shù)、容量維數(shù)、信息維數(shù)、關(guān)聯(lián)維數(shù)、集團(tuán)分維和質(zhì)量分維等。

地震學(xué)界已開始對地震的時(shí)、空、強(qiáng)度分維及其多分維進(jìn)行了大量研究。普遍認(rèn)為地震是多重分形的。分維值在地震前后的變化為探討地震前兆場的復(fù)雜性提供了有效的分析工具。在橋梁抗震中，結(jié)構(gòu)破壞與地震輸入和結(jié)構(gòu)反應(yīng)特征有關(guān)。從彈性反應(yīng)譜的三聯(lián)譜中，很容易發(fā)現(xiàn)無論是巖石場地彈性反應(yīng)譜還是結(jié)構(gòu)的彈性反應(yīng)譜均具有明顯的分形特征。P．S．Symonds對一個(gè)具有兩個(gè)自由度的梁構(gòu)件模型在瞬時(shí)沖擊荷載作用下的彈塑性反應(yīng)進(jìn)行了分維研究，計(jì)算得自相似維數(shù)為0.78，表明位移反應(yīng)圖對沖擊荷載標(biāo)度具有獨(dú)立性［7]。

（2）橋梁抗震及分形特征

如同分形廣泛存在于自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的諸多領(lǐng)域中一樣，分形同樣存在于橋梁抗震領(lǐng)域［10］

①作為輸入荷載的地震動(dòng)，其能量具有分形特征，而且能量分維Dfe有可能成為地震預(yù)報(bào)的新參數(shù)。

②地震動(dòng)反應(yīng)譜，作為地震動(dòng)特性與結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)相互聯(lián)系的紐帶，也是統(tǒng)計(jì)意義上的分形結(jié)構(gòu)，它也決定了結(jié)構(gòu)反應(yīng)的分形特征，特別是以周期為標(biāo)度，結(jié)構(gòu)反應(yīng)應(yīng)該與反應(yīng)譜具有一致的無標(biāo)度區(qū)。

③對墩柱破壞準(zhǔn)則的研究發(fā)現(xiàn)，變形一能量雙重破壞準(zhǔn)則的破壞指數(shù)是劃分橋梁域往不同破壞程度的合理指標(biāo)，以輸入地震動(dòng)的峰值或以墩柱體積配箍率為標(biāo)度，破壞指數(shù)具有近似分維特征。建立連續(xù)梁橋等代分析模型，代替復(fù)雜的結(jié)構(gòu)有限元模式來分析結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。通過理論分析與橋例計(jì)算可見，以剛度比為標(biāo)度，結(jié)構(gòu)周期、墩底彎矩和墩頂位移反應(yīng)存在無標(biāo)度區(qū)；以周期為標(biāo)度．墩底彎矩和墩頂位移反應(yīng)同樣具有明顯的分形特征．與反應(yīng)譜所體現(xiàn)的分形特征一致【8】。

結(jié)合南京長江二橋南漢橋和楊浦大橋兩個(gè)橋例，建立有限元模型，考慮邊跨主跨跨徑比、梁墩剛度、局部構(gòu)件、支座單元等對結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的影響。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，對于不同的標(biāo)度，無論是跨度比、梁墩剛度比還是支座的剛度等等。動(dòng)力反應(yīng)都表現(xiàn)出近似多重分形特征，分維值可以反映動(dòng)力反應(yīng)對于不同標(biāo)度的敏感程度【9】。

研究橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性是否具有分形特征，是分形和分維概念應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析領(lǐng)域中的關(guān)鍵點(diǎn)。通過對國內(nèi)外大量已有實(shí)橋動(dòng)力特性資料的統(tǒng)計(jì)和橋例分析可見［10］：

①斜拉橋的縱飄基頻對于跨徑尺度，主塔側(cè)彎基頻對于塔高，體系堅(jiān)彎基頻對于跨徑，側(cè)彎基頻對于跨寬比以及扭轉(zhuǎn)基頻對于跨徑都具有統(tǒng)計(jì)意義上的分形特征。

②懸索橋豎彎基頻、側(cè)彎基頻及扭轉(zhuǎn)基頻對于跨徑或主纜垂度，具有統(tǒng)計(jì)分形特征，利用分?jǐn)?shù)維，可以得到比常用估算公式更為接近實(shí)橋值的基頻簡化計(jì)算公式。

③對于梁橋動(dòng)力特性的大量實(shí)測結(jié)果表明，簡支梁橋基頻對于跨徑標(biāo)度是分維為0.923～0.933的統(tǒng)計(jì)分形結(jié)構(gòu)。以橋長為標(biāo)度，小跨徑橋梁的基本側(cè)向周期分維為1.20。橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)涉及參數(shù)多，統(tǒng)一的規(guī)律多存在于定性階段。分維的概念使得對于性質(zhì)的認(rèn)識(shí)可以定量描述，正如在許多領(lǐng)域，分維對非線性、無規(guī)則現(xiàn)象的描述那樣。顯然，這還需要大量的工作和艱辛的努力。以上分析表明，混飩系統(tǒng)存在規(guī)律性，分形就是描述這種規(guī)律的一種理論，事實(shí)上，分形規(guī)律不僅僅在橋梁抗震領(lǐng)域存在，在橋梁大系統(tǒng)中乃至整個(gè)土木工程領(lǐng)域中都廣泛存在著。

四、結(jié)論

通過以上分析可見：

（1）橋梁結(jié)構(gòu)是一個(gè)要素和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、具有生存環(huán)境和結(jié)構(gòu)功能的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)；

（2）系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分--結(jié)構(gòu)是橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識(shí)別和健康監(jiān)測的重點(diǎn)，特別是結(jié)構(gòu)的指紋分析；

第3篇

關(guān)鍵詞：工程結(jié)構(gòu)可靠度綜述

對于結(jié)構(gòu)可靠性這一學(xué)科，從其誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有了長足的發(fā)展：從基于概率論的隨機(jī)可靠性到基于模糊理論的模糊可靠性以及近年來提出的非概率可靠性，使得這一理論日臻豐富和完善，并深入滲透到各個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域。

一、結(jié)構(gòu)可靠性理論研究歷史

長期以來，人們就廣泛采用“可靠性”這一概念來定性評價(jià)產(chǎn)品的質(zhì)量。這種靠人們經(jīng)驗(yàn)評定其產(chǎn)品可靠、比較可靠、不可靠，沒有一個(gè)量的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。1939年，英國航空委員會(huì)出版的《適航性統(tǒng)計(jì)學(xué)注釋》一書中，首次提出飛機(jī)故障率不應(yīng)超過10-5次3h，這可以認(rèn)為是最早的飛機(jī)安全性和可靠性定量指標(biāo)[1]；二戰(zhàn)后期，德國的火箭專家R.Lusser首次對產(chǎn)品的可靠性作出了定量表達(dá)。他提出用概率乘積法則，將系統(tǒng)的可靠度看成是各個(gè)子系統(tǒng)可靠度的乘積，從而算得V-Ⅱ型火箭誘導(dǎo)裝置的可靠度為75%[2]；1942年，美國麻省理工學(xué)院一個(gè)研究室開始對真空管的可靠性進(jìn)行深入的調(diào)查研究工作。二戰(zhàn)期間，軍用電子設(shè)備的大量失效使美國付出了相當(dāng)慘重的代價(jià)。于是引起了美國軍方對可靠性問題的高度重視，同時(shí)率先對可靠性問題進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，并于1952年成立了“電子設(shè)備可靠性咨詢組”，簡稱AGREE(AdvisoryGrouponReliabilityofElectronicEquipment)。該組織于1957年發(fā)表了著名的《電子設(shè)備可靠性報(bào)告》。報(bào)告中提出了一套完整的評估產(chǎn)品可靠性的理論和方法。該報(bào)告被公認(rèn)為是可靠性研究的奠基性文獻(xiàn)。1965年，國際電子技術(shù)委員會(huì)(IEC)設(shè)立了可靠性技術(shù)委員會(huì)TC-56，協(xié)調(diào)了各國間可靠性術(shù)語和定義、可靠性的數(shù)據(jù)測定方法、數(shù)據(jù)表示方法等。上世紀(jì)60年代以來，可靠性的研究已經(jīng)從電子、航空、宇航、核能等尖端工業(yè)部門擴(kuò)展到電機(jī)與電力系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)備、動(dòng)力、土木建筑、冶金、化工等部門[3]。

結(jié)構(gòu)可靠性理論的產(chǎn)生，是以20世紀(jì)初期把概率論及數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)安全度分析為標(biāo)志，在結(jié)構(gòu)可靠度理論發(fā)展初期，只有少數(shù)學(xué)者從事這方面的研究工作，如1911年匈牙利布達(dá)佩斯的卡欽奇就是提出用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)的方法研究荷載及材料強(qiáng)度問題；1926年德國的邁耶提出了基于隨機(jī)變量均值和方差的設(shè)計(jì)方法，這是最早提出應(yīng)用概率理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全度分析的學(xué)者之一。1926～1929年，前蘇聯(lián)的哈奇諾夫和馬耶羅夫制定了概率設(shè)計(jì)的方法，但當(dāng)時(shí)方法不夠嚴(yán)格，因此，未付諸實(shí)施。1935年斯特列律茨基，1947年?duì)柸荒釟J和蘇拉等人相繼發(fā)表了這方面的文章，結(jié)構(gòu)安全度的研究逐漸開始進(jìn)入了應(yīng)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的階段。值得指出的是，弗羅伊登徹爾差不多和爾然尼欽等人同時(shí)開展了結(jié)構(gòu)可靠性的研究工作。他提出的在隨機(jī)荷載作用下結(jié)構(gòu)安全度的基本問題首次得到工程界的贊同和接受。1947年他發(fā)表了“結(jié)構(gòu)安全度”[4]一文，奠定了結(jié)構(gòu)可靠性的理論基礎(chǔ)。

從20世紀(jì)40年代初期到60年代末期，是結(jié)構(gòu)可靠性理論發(fā)展的主要時(shí)期。現(xiàn)在所說的經(jīng)典結(jié)構(gòu)可靠性理論概念大致就是這一時(shí)期出現(xiàn)的。隨著結(jié)構(gòu)可靠性理論研究工作的深入，經(jīng)典的結(jié)構(gòu)可靠性理論得到了全面的發(fā)展。基于概率論的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法逐漸被工程界所接受。但在這一時(shí)期，結(jié)構(gòu)可靠性理論還未能馬上被工程界廣泛應(yīng)用，其原因如下[5]：

1．傳統(tǒng)的確定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法當(dāng)時(shí)在人們頭腦中根深蒂固，認(rèn)為沒必要改變已用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，而且，結(jié)構(gòu)的失效很少發(fā)生，即使發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，絕大數(shù)是由于人為差錯(cuò)造成的，并非結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法問題。

2．基于概率理論的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法似乎比傳統(tǒng)的確定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法麻煩，涉及到當(dāng)時(shí)比較難處理的統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)問題。

3．當(dāng)時(shí)有用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)極少，不足以定義重要的荷載、強(qiáng)度的尾部分布。

除上述妨礙結(jié)構(gòu)可靠性理論應(yīng)用的原因外，當(dāng)時(shí)結(jié)構(gòu)可靠性理論本身也面臨兩大難題：

（1）結(jié)構(gòu)可靠性理論所采用的數(shù)學(xué)模型不足以完全準(zhǔn)確地反映應(yīng)用情況，即模型誤差是未知的。

（2）即使是對一個(gè)簡單的結(jié)構(gòu)，其失效模式可能多到難以計(jì)數(shù)，更不用說進(jìn)行可靠度分析。

因此，二十世紀(jì)60年代初期，許多學(xué)者致力于克服上述困難的研究。例如林德等人把規(guī)范化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題定義為尋求一套荷載和抗力系數(shù)的最優(yōu)值問題，他們建議采用一種迭代過程確定結(jié)構(gòu)的安全度和造價(jià)，康奈爾（C.A.Cornell）等人提出了與爾然尼欽相同的一次二階矩法，并建立了比較系統(tǒng)實(shí)用的一次二階矩設(shè)計(jì)方法，利用結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)β，而不是失效概率Pf，，作為結(jié)構(gòu)可靠性的一種量度量，使結(jié)構(gòu)的可靠性理論達(dá)到實(shí)用的目的。

二、國內(nèi)外工程結(jié)構(gòu)可靠性理論研究現(xiàn)狀

二十世紀(jì)70年代至80年代，是結(jié)構(gòu)可靠性理論完善并被各國規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)相繼采用時(shí)期，自從康奈爾（C.A.Cornell）提出了一次二階矩法之后，林德（N.C.Lind）根據(jù)康奈爾（C.A.Cornell）的可靠指標(biāo)，推證出一整套荷載和抗力安全系數(shù)，這次研究使可靠度分析與實(shí)際可接受的設(shè)計(jì)方法聯(lián)系起來。隨后，德國的拉克維茨（R.Rackwitz）和菲斯勒（B.Fiessler），對基本變量為非正態(tài)分布情況提出了一種等價(jià)正態(tài)變量求法，這種方法經(jīng)過系統(tǒng)改進(jìn)之后，作為結(jié)構(gòu)安全度聯(lián)合委員會(huì)（JCSS）的文件附錄推薦給土模工程界。該方法也被許多國家規(guī)范所采納，我國的《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ68-84）[6]也是以該方法作為可靠性校準(zhǔn)的基礎(chǔ)[7]。

三、橋梁結(jié)構(gòu)可靠性理論研究現(xiàn)狀

橋梁可靠性設(shè)計(jì)要解決的問題是[8]：在結(jié)構(gòu)承受外荷載和結(jié)構(gòu)抗力的統(tǒng)計(jì)特征已知的條件下，根據(jù)規(guī)定的目標(biāo)可靠指標(biāo)，選擇結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)截面幾何參數(shù),使結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，保證其可靠度不低于預(yù)先給定的值。可靠性的數(shù)量描述一般用可靠度。我國對結(jié)構(gòu)可靠度的研究只限于理論方面，且側(cè)重于可靠度設(shè)計(jì)方面，對結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究，特別是對耐久性評估理論的研究還很落后。實(shí)際上對現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)做出正確的可靠性評估，準(zhǔn)確預(yù)測出其剩余壽命，才能保證結(jié)構(gòu)在壽命延續(xù)期內(nèi)的安全性，節(jié)省大量的維修加固資金。我國在橋梁設(shè)計(jì)過程中，存在著考慮強(qiáng)度多而考慮耐久性少;重視強(qiáng)度極限狀態(tài)不重視使用極限狀態(tài);重視橋梁結(jié)構(gòu)的建造而忽視其檢測和維護(hù)，使結(jié)構(gòu)安全性存在不同程度的隱患和缺陷。近幾年來，國內(nèi)發(fā)生的幾起大橋坍塌或局部破壞事故在很大程度上是由于構(gòu)件疲勞損壞(如結(jié)構(gòu)開裂、變形過大等)所導(dǎo)致，從而嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力和使用性能。為了保證橋梁安全運(yùn)營、延長其使用壽命以及提高橋梁的安全性和耐久性，減少早期橋梁病害，從而節(jié)約后期橋梁的維修費(fèi)用，因而對橋梁結(jié)構(gòu)可靠性研究非常必要和迫切[9]。

四、工程結(jié)構(gòu)可靠性理論研究發(fā)展趨勢

進(jìn)入二十世紀(jì)80年代后，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性理論研究工作已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)工程中的研究熱點(diǎn)，并已出版了許多專著，對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度分析和先進(jìn)的計(jì)算方法蓬勃發(fā)展。概括而言，如下幾方面是結(jié)構(gòu)可靠度理論研究的熱點(diǎn)：

1．結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度分析。對于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度分析的非常復(fù)雜的研究課題，許多學(xué)者對此從不同角度進(jìn)行了研究，提出了一些概念和方法。如結(jié)構(gòu)可靠度分析的一階矩概念及荷載為FerryBorgesCastanheta組合情況下的計(jì)算方法問題；利用系統(tǒng)系數(shù)，針對結(jié)構(gòu)各種破壞水平所對應(yīng)的極限狀態(tài)不同，計(jì)算系統(tǒng)可靠度并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法；利用蒙特卡洛（Monte-Carlo）法采用重要抽樣技術(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度等，同時(shí)，一些學(xué)者還研究了系統(tǒng)可靠度界限的問題。總之，系統(tǒng)可靠度分析研究內(nèi)容豐富，難度較大。

2．對結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)分析的改進(jìn)，除考慮強(qiáng)度極限狀態(tài)外，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的正常使用極狀態(tài)、破壞安全極限狀態(tài)，以及地震和其他特殊情況下考慮能量耗損極限狀態(tài)等。

3．目標(biāo)可靠度的量化問題。雖然校準(zhǔn)法已經(jīng)部分解決了這個(gè)問題，但與實(shí)際情況相比，這方面的問題還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有解決。

4．人為差錯(cuò)的分析。許多結(jié)構(gòu)的失效并非由荷載、強(qiáng)度的不確定性造成，而往往是設(shè)計(jì)、施工、使用等環(huán)節(jié)中人為差錯(cuò)造成的，這方面事例很多，已成為目前研究熱點(diǎn)之一。

5．在役結(jié)構(gòu)的可靠性評估與維修決策問題。對在役建筑結(jié)構(gòu)的可靠性評估與維修決策正成為建筑結(jié)構(gòu)學(xué)的邊緣學(xué)科，它不僅涉及結(jié)構(gòu)力學(xué)、斷裂力學(xué)、建筑材料科學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)等基礎(chǔ)理論，而且，與施工技術(shù)、檢驗(yàn)手段、建筑物的維修使用狀況等有密切的關(guān)系。同時(shí)，經(jīng)典的結(jié)構(gòu)可靠性理論，在在役結(jié)構(gòu)的可靠性評估中也必將得到相應(yīng)的發(fā)展。

6．模糊隨機(jī)可靠度的研究[10]。模糊隨機(jī)可靠度理論研究是工程結(jié)構(gòu)廣義可靠度理論研究的重要內(nèi)容，隨著模糊數(shù)學(xué)理論與方法的完善，模糊隨機(jī)可靠度理論也必將進(jìn)一步完善和發(fā)展。

五、結(jié)語

橋梁工程問題的解決總是理論與工程經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合，掌握的知識(shí)越多，主觀經(jīng)驗(yàn)越少，橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)越合理，這也正是橋梁工程技術(shù)研究追求的目標(biāo)。橋梁結(jié)構(gòu)可靠度理論研究是內(nèi)容極其豐富且復(fù)雜的重大研究課題，不僅僅在理論上有許多重大問題需要解決，而且，將其應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、評估及維修決策之中尚有許多細(xì)致的工作要做。

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