桥梁结构的极限承载力分析与安全性评估建筑工程论文

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篇1：桥梁结构的极限承载力分析与安全性评估建筑工程论文

桥梁结构的极限承载力分析与安全性评估建筑工程论文

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Q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），，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，.

[4] 钟善桐.钢管混凝土结构[M].黑龙江科学技术出版社，1994.

篇2：探讨市政桥梁设计的安全性与耐久性建筑工程论文

探讨市政桥梁设计的安全性与耐久性建筑工程论文

摘 要：随着近年来市政工程建设的不断发展，市政桥梁设建设也给人们生活、交通提供很大便利。市政桥梁建设也是我国经济稳定发展的重要基础建设。但是，随着时间的推移，很多桥梁出现了结构性的破坏，给人们及国家带来严重的经济损失。

关键词：市政桥梁设计；安全性；耐久性

从某种意义上来讲，桥梁设计的耐久性及安全性对于桥梁的使用寿命有着极其重要的影响。所以设计人员在进行桥梁设计过程中，必须将以往的设计经验及专业知识充分发挥其中，同时可以借鉴国内外先进的成功案例，这样很大程度上便能提高市政桥梁安全性及耐久性，延长其使用寿命。设计的合理性还能提高桥梁的整体刚度及稳定性，所以在桥梁设计中必须因地制宜，结合实际需要进行合理设计。

1 市政桥梁安全性、耐久性较差的原因

1.1 缺乏合理的设计方案及结构体系选择

在市政桥梁设计中，我们要想提高设计质量，首先就应该选择一个既经济又合理的结构方案，采用规范的安全系数或可靠性指标，来保证结构的安全性，但是从目前市政工程桥梁设计的实际情况来看，很多设计人员在进行桥梁的设计时，大部分设计人员都只顾设计的独特性和新颖性，而忽略了其安全性的设计标准以及结构构造体系，其设计指标往往只能满足规范上对结构强度计算上的安全度要求，而不考虑从可能出现的问题方面去加强结构的安全性和耐久性设计，进而出现了有的结构整体性和延性不足、冗余性小，有的计算图式和受力路线不明确而造成局部受力过大，有的混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄等，这些都严重影响了市政桥梁的结构耐久性，直接为工程的质量埋下了安全隐患，而且目前大多数设计人员都仅仅依靠规范。但针对不同的环境和使用要求，对于结构体系的选择也是不一样的，设计人员应该结合实际情况，选择适合且合理的设计方案和结构体系。

1.2 忽略研究路桥疲劳损伤情况

疲劳损伤对混凝土结构同样有着很重要的影响，应加强对它的重视。动荷载产生的直接应力会导致组成桥梁的材料内部出现一些微观裂缝，这些微观裂缝进一步发展成为宏观裂缝，而这些裂缝并不容易被检测出来也就容易被人们所忽视，如果没有对这些裂缝做一些相应的措施，随着时间的积累，必将给桥梁带来较大的安全隐患。

1.3 缺乏对于安全性和耐久性设计的意识

在进行市政桥梁设计时，会有很大一部分设计人员只是单纯的顾及一些经济因素，只考虑怎么能为企业提高效益，节约成本，进而忽略了对桥梁的安全性及耐久性的设计，在设计时缺乏全面的考量，简单完成设计工作，这就会使桥梁工程在施工过程中出现一些由于桥梁安全性和耐久性不够而引发的问题，如果这些问题不能及时予以解决，则就会造成市政桥梁建成后的质量不达标。

1.4 与实际的材料供应情况脱节

从某种意义上来讲，桥梁设计必须符合实际施工作业需要，这样才能充分发挥桥梁设计的重要意义，但是由于桥梁施工作业环境的特殊性，并不是所有的桥梁设计都完全符合施工作业环境需要，如在一些偏远地区，由于建筑施工材料匮乏，很难保障设计中所使用的建筑材料与实际施工作业相符，这样就会给施工作业环境造成一定的阻碍，降低桥梁设计在实际施工作业环境的作用。

2 提高市政桥梁设计中安全性及耐久性的`措施

2.1 把设计方案进行科学合理化

设计方案是否科学合理，将直接影响施工过程是否能顺利进行，因此，保证设计方案的科学合理性，对保证市政工程桥梁安全性及耐久性方面起着不可估量的作用，对于市政桥梁的设计来说，我们一定要进行与实际情况相符的科学化、合理化设计，制定科学合理的设计方案，并按照设计方案进行施工，使市政桥梁的施工能正常有序进行，为保证市政道路桥梁的安全性和耐久性奠定基础。

2.2 重视对疲劳损伤的研究

市政桥梁结构所承受的车辆荷载和风荷载都是动荷d，会在结构内产生循环变化的应力，不但会引起结构的振动，还会引起结构的累积疲劳损伤。由于市政桥梁所采用的材料并非是均匀性和连续性的，实际上存在许多微小的缺陷，在循环荷载作用下，这些微缺陷会逐渐发展、合并形成损伤，并逐步在材料中形成宏观裂纹，如果宏观裂纹不得到有效控制，极有可能会引起材料、结构的损伤，早期疲劳损伤往往不易被检测到，但其带来的后果往往是灾难性的。

2.3 合理选用高性能材质

材质的选择也是提高结构耐久性的有效途径之一，在选材时选用屈服性能高、强度高、韧性强、焊接性能良好、耐腐蚀性强的钢筋将会使混凝土结构的耐久性大幅度的提高。在混凝土的选材上也要尽量选用高性能的混凝土，面层混凝土选用环氧沥青混凝土不仅可以提高桥顶路面的耐磨性和密实性，同时也能够有效的提高路面的强度，减少对于内部结构的破坏。而对于处于水下的桥基础部分，则应该优先选用抗渗性能良好的混凝土，如果情况特殊需采用硅酸盐水泥，则水泥的标号应高于42.5，水泥含量要在370kg/m3，拌合时水灰比不应低于0.45。

2.4 加强桥梁的细节设计

从某种意义上来讲，细节决定成败，在桥梁设计过程中，细节也是至关重要的。细节的准确性将提高桥梁整体的稳定性和耐久性。针对不同的桥梁设计可以选择恰当的建筑材料作为其保护层，这样将降低桥梁钢筋被腐蚀的概率，与此同时可以在桥梁设计过程中加入排水及防水层作业设计，这样就能提高桥梁的防水性能，即便是雨水天气也能够起到很好的保护作用。

3 结语

在我国市政道梁的设计中，对安全性和耐久性的设计尤为重要，只有做好了市政桥梁设计的安全性和耐久性设计的工作，才能够确保市政桥梁的质量，进而保证人民出行的安全，基于这一点，我们就一定要及时找出可能导致路桥安全性及耐久性下降的因素，并及时进行解决。

参考文献

[1] 郭丰振.浅析公路桥梁设计应注意的要点[J].黑龙江科技信息，2012（30）.

[2] 再努拉・库尔班.公路桥梁设计中的安全性和耐久性探讨[J].交通标准化，2012（24）：55-56.