橋梁結構的極限承載力分析與安全性評估建筑工程論文
摘 要：橋梁是公路交通運輸的咽喉和樞紐，對公路交通運輸起著越來越重要的作用。不僅拉動了國民經濟的建設，而且推動了社會的穩步發展。任何一個橋梁都有其極限的承載能力和服役時間，隨著服役時間的不斷增長，橋梁的結構以及相關材料的性能在外界環境和內部因素的交互作用下將不可避免地發生劣化衰變，無法避免地出現承載力的下降，從而影響橋梁的安全工作。文章以橋梁結構為中心，因而需要對橋梁結構的承載力和安全性進行相關問題展開探討。安全評價的重要內容是分析橋梁結構的整體安全性和控制截面的安全性。
關鍵詞：橋梁結構；極限承載力；分析
隨著國內經濟的飛速發展，交通動輸業也越來越繁榮。因此，對交通運輸的咽喉—橋梁提出了更高的要求。橋梁是地面交通的樞紐，有著投資密集，技術難度大的特點。盡管在橋梁的設計和建造階段能夠保證工程質量，但是由于外部環境和材料老化等因素，橋梁結構的性能會逐漸下降。相對的承載能力也會降柢，影響橋梁的使用和安全，甚至由于承載力不足引發嚴重事故。因此，對橋梁結構的極限承載力有正確分析，對人民的生命財產安全和社會的發展都有十分重要的意義。
1 結構極限分析的相關理論
1.1 橋梁結構極限承載力的概念
傳統的強度設計以構件最大工作應力乘以安全系數不大于材料的屈服應力為依據，一般情況下，構件某截面開始屈服（或者局部屈曲）并不代表結構完全破壞，結構所承受的荷載通常較構件開始屈服（或者局部屈曲）時的荷載為大，為了利用這一強度富裕度，提出了極限設計和極限荷載的概念。極限荷載即引起結構“完全崩潰”的荷載；極限設計將結構的工作荷載取為極限荷載的一個部分。所以說，結構的極限承載力是從“極限設計”的思想中引出的概念。
橋梁的極限承載力是指橋梁完全崩潰前所能承受外荷載的最大能力。其大小與以下因素有關：材料特性：極限強度、應力應變關系等；結構和構件的剛度及幾何尺寸：面積、慣矩等；結構所處的狀態：施工階段、運營階段等；結構承受的荷載形式：恒載、組合荷載等；荷載的加載路徑。
也就是說，不同施工方法、不同荷載形式和加載路徑，橋梁結構極限承載力不同，即極限承載力不是一個定值。
1.2 需要分析的主要問題
結構型性極限分析需要解決的問題主要有以下幾個方面：
（1）結構塑性極限荷載的求解。塑性極限荷載是指結構喪失工作能力情況下的荷載，如果能夠科學地計算工程的極限荷載，那么就可以明確各種情況下的安全情況，從而對結構進行科學的評估。
（2）在極限狀態下，結構滿足變形規律和機動條件，處理好這個問題對于抗震結構的設計有非常重要的意義。現在一般的結構設計通常只考慮結構的彈性工作階段，在遇到地震等情況的時候才偶爾考慮結構的承載力。這種方式并沒有將構材料的強度進行充分發揮，同時也導致了經濟性較差。科學地分析塑性極限，不但可以將材料的性能充分發揮，而且可以起到降低成本的作用。
2 極限承載力與極限狀態的關系
極限狀態與極限的承載力是兩個不同的概念，但是二者之間有十分密切的聯系。極限狀態是指在結構分析和設計中，需要明確規定結構狀態的界限。這些界限包括：安全性、適用性、耐用性等方面。我們將這樣的界限稱為極限狀態。也就是說，極限狀態實際上是一個閾值，一旦超過了這個閾值，那么結構就會處在不安全或者不適用的狀態。
結構的極限狀態可以是客觀規定的，也可以是由人為控制即相關專家論證給定的。在我國，結構的極取狀態主要分為兩種：正常使用極限狀態以及承載能力極限狀態。
極限狀態與極限承載能力主要有以下幾種關系：
（1）通常情況下，正常使用的極限狀態都是在設計構件時需要考慮的方面。例如：設計混凝土彎構件時，既要保證構件的正截面和斜截面強度，又要保證控制構件的裂縫寬度和變形，使其在規范允許的范圍內。
（2）在研究承載能力極限狀態的過程中，極限承載力是重要的參考依據，二者既有區別又有聯系：整個結構或其一部分作為剛體失去平衡（一致）；結構或構件喪失穩定（有區別）；結構轉變為機動體系（一致）；結構構件或其連接因材料強度被超過而破壞，或因過度的塑性變形而不適于繼續承載。（基本一致）
（3）兩者的研究方式不同，極限狀態主要采用理論研究，而確定性的研究方式主要針對極限承載能力的研究。
3 極限承載力的研究方法及原理
3.1 物理的非線性研究方式
由于受力性能的非線性的影響，例如鋼筋混凝土拱橋，混凝土的非線性及鋼筋會產生較大屈服。這些變化會使結構力學特征發生改變，構件的截面剛度會呈現非線性的性能。因此，在構件過程中，需要不斷修正結構的總剛度陣。
由于荷載的不斷增加，會形成塑性鉸。鉸的形成原因是由于某個節點的內力不為增大，到一定程度后，位移增大，截面彎距不再增大，最終就形成了鉸。鉸的形成會使橋梁結構發生改變，荷載增量要在結構中產生反應。
3.2 彈性補償法
彈性補償法是計算極限載荷的一種常用方法，這種方法廣泛應用于安全評定工作中。通過彈性補償法更能反映結構的真實狀態，使材料的了載潛力得到充分的發揮。利用彈性有限分析的方法是有限元法經常使用的.方式，調整單元的彈性模量，引起應力重分布，通過不斷的迭代分析，使低應力單元的彈性模量不斷增加，高應力單元的彈性模量不斷減小。通過這種方式，最終可以模似結構塑料實效行為。
3.3 模量縮減法
彈性補償法雖然是使用范圍較廣的一種方法，但是也有其局限性。對于體型較為簡單同時使用材料對單一的工程結構比交適用。相反，對于體型較大并且材料比較復雜的結構的進行分析，這種方式就很難發揮作用。因此，另一種分析方法隨之產生。這種應用與復雜結構分析工作中的方法稱為模量縮減法。
結構模量需要調整的參數，將承載比均勻度進行定義：
在彈性模量調整過程中，dk會隨著結構承載力分布的變化而變化。我們可以通過這個數值變化分析結構中單元承載比分布情況。
4 展望
筆者對橋梁結構進行了全面的分析，在對原有的分析方法進行研究的同時，也提出了一些新想法，希望通過大家的研究其可行性。
（1）對于預應力混凝土結構的分析，要從不同的角度進行全面的考慮。對這種結構進行分析時，需要采用分層法以材料的非線性的性能進行綜合的考慮。另外，對于大跨徑橋梁的結構，還需要對其本身的幾何特性進行全面的考慮。在目前的計算中，雖然考慮了材料的非線性的性能，但是仍然采用線彈性理論進行結構計算。這種計算方式存在問題，彩用這用方工計算出來的極限承載力要比實際的承載力小，這就直接影響力材料的合理利用，一定程度上造成了材料的浪費。
（2）在混凝土的收縮和變化時間的分析方面，應該采用更加精確的分析方法，注意應力隨時間的而變化。由于受時間的影響，鋼筋會發生松馳，引起預應力的不足；混凝土在較長的時間變化中會發生現收縮。這些問題都需要考慮時間的變化因素。由于時間因素會在很大程度上影響混凝土的結構，因此應該劃分多個時間段，進行逐步的增量計算。但是在目前計算過程中，為了計算的簡便，常常忽略了對相關問題的深入思考。這樣，很可能造成設計的承載力與實際的承載力產生誤差，最終影響橋梁的有效利用。
（3）在預應力混凝土結構中，普通的鋼筋會延遲混凝土裂縫產生的破壞效果，這就在一定程度上提升了結構的極限承載能力。在目前的計算過程中，通常為了簡化計算，并沒有將普通鋼筋的影響因素納入計算過程中。因此，這種計算得出的承載力的結果是偏于安全的。
5 結語
隨著我國交通運輸的快速發展，橋梁作為重要的運輸基礎其他位也越發重要。交通運輸量的增加對橋梁提出了更高的要求，必須保證橋梁結構有優越的性能，才能承受往日益增長的運輸壓力。因此，科學分析橋梁結構的極限承載力對于保證橋梁的使用能力顯得十分重要。我們要通過不斷的研究，對橋梁的極限承載力建立更加科學更加全面的評估方式，從而國橋梁結構的安全和交通運輸業的發展提供重要保障。
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