朱漢華（浙江省公路管理局） 周智輝（中南大學）
工程結構首先要把握整體周邊環(huán)境（物質(zhì)、水）的穩(wěn)定平衡，再要把握局部環(huán)境與結構相互作用不但要滿足藝術上的形似平衡，更要從“力、變形、能量”等方面確保系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。“力和能量要有相應物質(zhì)載體，并具有相應傳遞或轉(zhuǎn)換途徑”，結構“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”和“外力做功有效轉(zhuǎn)換為結構彈性應變能”是統(tǒng)一的，變形協(xié)調(diào)又是能量法和力法結構分析的必要條件。確保“力、變形、能量”按設計路徑傳遞及方式轉(zhuǎn)化是結構穩(wěn)定、安全、合理的基本要求，也是維持設計形式不產(chǎn)生有害過程的基礎，根據(jù)實際情況，分別從“力、變形、能量”三要素中的一個或幾個要素可更好控制地下工程結構行為，一般來說用“力、能量”進行定性或定量分析結構行為，而用 “變形”進行控制結構行為。而確保結構的“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”，不僅需要目標控制，更需要圍繞目標實現(xiàn)結構安全合理的過程控制，否則結構就會不穩(wěn)定或破壞。牛頓力學、能量法、有限元等理論能夠解決結構穩(wěn)定平衡問題。虎克定律、本構關系等理論建立了材料力與變形之間的關系。而結構的變形協(xié)調(diào)問題（即構件內(nèi)部或構件與構件之間的力有效傳遞問題）并未凸顯出來，也缺乏明確的分析標準。對于簡單結構，基于成熟的構造措施以及經(jīng)實踐驗證合理的變形假定一般能夠解決變形協(xié)調(diào)問題。對于復雜結構而言，工法與構造創(chuàng)新雖然克服了大部分連接可靠性問題、但是構件之間或非均勻構件內(nèi)部或組合變形協(xié)調(diào)問題沒有往往重視不夠，有時導致結構開裂或不利變形甚至破壞。隨著材料性能、設備性能、分析方法、計算手段、工藝工法等進步和結構大型復雜化與外部條件復雜化等，雖然結構“力、變形、能量”三要素內(nèi)涵、屬性、過程是不變的，但把握復雜與難度增加，根據(jù)實際情況，分別從“力、變形、能量”三要素中的一個或幾個要素可更好控制工程結構行為。經(jīng)過反復模擬與試驗，做到理念和手段先進并到位，保證結構全過程穩(wěn)定平衡和安全合理，才能推進了大型復雜結構建設進程。
目前交通橋梁工程存在如下兩個問題應該引起交通部門重視。
（1）疲勞引起的結構積累損傷
（1.1）在重復荷載作用下非彈性體（例如高應力、應力集中、大變形構件、變形不協(xié)調(diào)構件組合等情況）外力做功除有效轉(zhuǎn)換為彈性應變能外還產(chǎn)生其他形式的能量（例如熱能：受拉桿件斷裂口發(fā)熱），就會由疲勞引起的結構積累損傷，最后造成強度破壞，影響結構使用壽命(例如：①中承式鋼筋混凝土肋拱橋的部分橋面系是漂浮體系，其中短吊桿不僅承受拉力（計算中包含），而且承受彎剪力（計算中不包含），以及長短吊桿變形不同造成受力不均，還有拱橋吊桿的防腐措施是否到位直接影響到橋梁的運營安全；②20m及以上小鉸縫鋼筋混凝土板梁剛度較小等；兩者均容易產(chǎn)生疲勞引起的積累損傷，因此單純用靜力分析很難說明為什么許多中小跨度橋梁在超載車輛作用下會突然垮塌，而用靜力分析和疲勞引起的積累損傷共同分析就能說明許多中小跨度橋梁在超載車輛作用下突然垮塌的原因)，事實上只有理想的彈性體存在外力做功等于結構彈性應變能關系，而非彈性體除產(chǎn)生彈性應變能外還會產(chǎn)生結構積累損傷能量引起材料劣化（見圖1）。
（1.2）當結構變形不協(xié)調(diào)時，結構實際受力和能量轉(zhuǎn)換不會按設計路徑傳遞或轉(zhuǎn)換進行，這樣結構可能處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)；若外力或外力做功較小時，結構變形協(xié)調(diào)，那么結構處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，但是在重復荷載作用下也會產(chǎn)生疲勞引起的結構積累損傷，最后造成強度破壞，影響結構使用壽命。
以上（1.1）、（1.2）種情況屬于結構積累損傷現(xiàn)象，雖然實際結構受力與變形沒有產(chǎn)生突變，但在重復荷載作用下的積累損傷效應為結構受力或變形產(chǎn)生突變埋下隱患，結構實際受力或變形處于漸變轉(zhuǎn)化為突變前的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)的前兆，最后造成強度破壞，應該加以防范；特別在材質(zhì)不良、大交通流、超載、荷載分布差異等情況下，上述（1.1）、（1.2）種問題會更加突出。
實例1：中承式鋼筋混凝土肋拱橋的部分橋面系是漂浮體系，目前國內(nèi)部分拱橋倒塌主要原因是吊桿斷裂。因該類橋梁的橋面系是漂浮體系并由單吊桿支撐，其中短吊桿不僅承受拉力（計算中包含），而且承受彎剪力（計算中不包含），以及長短吊桿變形不同造成受力不均, 造成功能轉(zhuǎn)換產(chǎn)生應變能不有效耗散，就會產(chǎn)生結構積累損傷，另外橋面系吊桿錨固端部銹蝕嚴重，兩者都影響結構使用壽命。下面是某橋更換吊桿鋼索中的鋼絲掃描試驗結果，圖2為未損傷端的切片掃描照片，圖3為損傷端的切片掃描照片，對比兩組照片可以發(fā)現(xiàn)一些鋼筋內(nèi)部已經(jīng)存在一些損傷。
圖3 損傷端的切片掃描照片
實例2：某公鐵立交橋優(yōu)化寬幅空心板結構破壞性試驗結果分析
---------積累損傷情況
由表1可以看出，加載后與加載前縱向裂縫寬度比值介于1.12～1.14之間，卸載后與加載前裂縫寬度比值介于1.00～1.05之間，縱向裂縫基本恢復。
從圖5可以看出，加載初期，結構的剛度較大，隨著荷載的增大，裂縫的開展，剛度下降較快；繼續(xù)增加荷載，結構由彈性工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄怨ぷ鳡顟B(tài)，使得結構剛度退化程度略有減慢，在試驗加載后期，剛度退化剛度逐漸變緩，在達到極限承載之前，剛度的退化和變形幾乎成線性關系。
從優(yōu)化寬幅空心板結構破壞性試驗結果可以看出：優(yōu)化寬幅空心板結構由于剛度偏小，在荷載較大時，結構由彈性工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄怨ぷ鳡顟B(tài)，容易產(chǎn)生積累損傷。
因此中小跨度、剛度較小、存在局部不足等橋梁容易產(chǎn)生積累損傷。
（2）結構受力與變形產(chǎn)生突變
（2.1）當結構變形不協(xié)調(diào)時，在重復荷載作用下結構外力做功除有效轉(zhuǎn)換為彈性應變能外還產(chǎn)生其它能量（例如：結構坍塌產(chǎn)生的重力勢能），結構受力與變形會產(chǎn)生突變，使得結構開裂、不穩(wěn)定甚至破壞（例如：①2008年汶川地震中板墻結構或節(jié)頭不良的框架結構；②構造或剛度不利組合程度較高的橋梁結構；兩者均容易發(fā)生外力做功不能有效轉(zhuǎn)換為彈性應變能而造成開裂甚至破壞等）。
（2.2）當結構變形不協(xié)調(diào)時，若外力或外力做功又較大（例如：拉吊索橋梁因鋼絲銹蝕而產(chǎn)生脆斷破壞），結構受力與變形會產(chǎn)生突變，那么結構處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。
（2.3）當結構變形不協(xié)調(diào)時，結構雖然平衡但狀態(tài)不同（即a=0，而v=0、s=0；v=v1、s=s1；…v=vn、s=sn），這樣復雜結構可能會產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力甚至超過荷重內(nèi)力，那么結構可能出現(xiàn)開裂或破壞，而處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。
以上（2.1）、（2.2）、（2.3）種情況屬于結構受力與變形產(chǎn)生突變階段，結構處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，應該提前加以防范；特別在材質(zhì)不良、大交通流、超載、荷載分布差異等情況下，上述（2.1）、（2.2）、（2.3）種問題會非常突出。
實例3：著名德國橋梁專家萊昂哈特非常注重結構構造的思想，他在《鋼筋混凝土及預應力混凝土橋建筑原理》一書中強調(diào)：“有關橋梁性能的好的構造細節(jié)較之復雜的計算更為重要”。這樣結構有限元分析中梁單元隱含“平截面假定”，對于復雜結構而言，最好由“好的構造細節(jié)”措施來保證，避免“復雜的計算”可能引起計算結果與實際結果差別很大，確保結構受力安全，更要防止用有限元分析或試驗研究證明不合理結構也是成立的。
實例4：變形協(xié)調(diào)概念的具體例證，幼小孩站和走不穩(wěn)定自身會摔跤，外推力只是誘因；趙州橋砌塊之間沒有砂漿，砌塊為料石是關鍵。
實例5：變形協(xié)調(diào)概念在具體橋隧等結構的正反例證
實例5：變形協(xié)調(diào)在橋梁結構伸縮裝置中的應用
（1）懸索橋伸縮縫損壞原因分析與改造某大橋主橋為兩跨連續(xù)鋼箱梁懸索橋?qū)儆跇蛎嫦凳瞧◇w系，位于受臺風影響頻繁的海域，橋梁梁體在風力、車載等作用會產(chǎn)生水平與豎向轉(zhuǎn)角變形及扭轉(zhuǎn)變位，其所使用的模數(shù)式橋梁伸縮縫無法滿足梁體的變形要求，中梁鋼在扇形變位及擠壓狀態(tài)下發(fā)生塑性形變無法回復，底部承壓支座損壞脫落，最終將會導致中梁鋼下陷或折斷，嚴重影響交通安全。國內(nèi)同類橋梁使用的模數(shù)式橋梁伸縮縫也再現(xiàn)了同樣的損壞現(xiàn)象。因為在不利條件下主梁位移或變形偏大，伸縮縫要么約束變形要么額外變形，主梁與伸縮縫或伸縮縫內(nèi)部變形不協(xié)調(diào)會產(chǎn)生較大約束或額外內(nèi)力，致使伸縮縫材料產(chǎn)生應力積累損傷，減少伸縮縫使用壽命甚至可能發(fā)生意外安全事故。而其他與主梁連接的細部構件是否存在變形不協(xié)調(diào)情況呢？有待認真觀察或觀測！
應用在同類型鋼箱梁懸索橋“重慶魚嘴長江橋”的“RB單元式多向變位梳形板橋梁伸縮裝置”，其通過裝置的多向變位鉸機構，主動地適應橋梁梁體的水平、豎向和扭轉(zhuǎn)等三維變形要求，能很好的解決該類技術問題。就象人的頸部有約200多塊肌肉適應并支撐頭部多維運動。
圖10 某大橋伸縮縫因阻止熱漲伸長損壞照片
改進措施：橋面瀝青混凝土施工前先用木條和泡沫塞好大橋伸縮縫便于橋梁熱漲伸長防止橋面等結構損壞。
工程結構首先要把握整體周邊環(huán)境（物質(zhì)、水）的穩(wěn)定平衡，再要把握局部環(huán)境與結構相互作用不但要滿足藝術上的形似平衡，更要從“力、變形、能量”等方面確保系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。“力和能量要有相應物質(zhì)載體，并具有相應傳遞或轉(zhuǎn)換途徑”，結構“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”和“外力做功有效轉(zhuǎn)換為結構彈性應變能”是統(tǒng)一的，變形協(xié)調(diào)又是能量法和力法結構分析的必要條件。確保“力、變形、能量”按設計路徑傳遞及方式轉(zhuǎn)化是結構穩(wěn)定、安全、合理的基本要求，也是維持設計形式不產(chǎn)生有害過程的基礎，根據(jù)實際情況，分別從“力、變形、能量”三要素中的一個或幾個要素可更好控制地下工程結構行為，一般來說用“力、能量”進行定性或定量分析結構行為，而用 “變形”進行控制結構行為。而確保結構的“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”，不僅需要目標控制，更需要圍繞目標實現(xiàn)結構安全合理的過程控制，否則結構就會不穩(wěn)定或破壞。牛頓力學、能量法、有限元等理論能夠解決結構穩(wěn)定平衡問題。虎克定律、本構關系等理論建立了材料力與變形之間的關系。而結構的變形協(xié)調(diào)問題（即構件內(nèi)部或構件與構件之間的力有效傳遞問題）并未凸顯出來，也缺乏明確的分析標準。對于簡單結構，基于成熟的構造措施以及經(jīng)實踐驗證合理的變形假定一般能夠解決變形協(xié)調(diào)問題。對于復雜結構而言，工法與構造創(chuàng)新雖然克服了大部分連接可靠性問題、但是構件之間或非均勻構件內(nèi)部或組合變形協(xié)調(diào)問題沒有往往重視不夠，有時導致結構開裂或不利變形甚至破壞。隨著材料性能、設備性能、分析方法、計算手段、工藝工法等進步和結構大型復雜化與外部條件復雜化等，雖然結構“力、變形、能量”三要素內(nèi)涵、屬性、過程是不變的，但把握復雜與難度增加，根據(jù)實際情況，分別從“力、變形、能量”三要素中的一個或幾個要素可更好控制工程結構行為。經(jīng)過反復模擬與試驗，做到理念和手段先進并到位，保證結構全過程穩(wěn)定平衡和安全合理，才能推進了大型復雜結構建設進程。
目前交通橋梁工程存在如下兩個問題應該引起交通部門重視。
（1）疲勞引起的結構積累損傷
（1.1）在重復荷載作用下非彈性體（例如高應力、應力集中、大變形構件、變形不協(xié)調(diào)構件組合等情況）外力做功除有效轉(zhuǎn)換為彈性應變能外還產(chǎn)生其他形式的能量（例如熱能：受拉桿件斷裂口發(fā)熱），就會由疲勞引起的結構積累損傷，最后造成強度破壞，影響結構使用壽命(例如：①中承式鋼筋混凝土肋拱橋的部分橋面系是漂浮體系，其中短吊桿不僅承受拉力（計算中包含），而且承受彎剪力（計算中不包含），以及長短吊桿變形不同造成受力不均，還有拱橋吊桿的防腐措施是否到位直接影響到橋梁的運營安全；②20m及以上小鉸縫鋼筋混凝土板梁剛度較小等；兩者均容易產(chǎn)生疲勞引起的積累損傷，因此單純用靜力分析很難說明為什么許多中小跨度橋梁在超載車輛作用下會突然垮塌，而用靜力分析和疲勞引起的積累損傷共同分析就能說明許多中小跨度橋梁在超載車輛作用下突然垮塌的原因)，事實上只有理想的彈性體存在外力做功等于結構彈性應變能關系，而非彈性體除產(chǎn)生彈性應變能外還會產(chǎn)生結構積累損傷能量引起材料劣化（見圖1）。
（1.2）當結構變形不協(xié)調(diào)時，結構實際受力和能量轉(zhuǎn)換不會按設計路徑傳遞或轉(zhuǎn)換進行，這樣結構可能處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)；若外力或外力做功較小時，結構變形協(xié)調(diào)，那么結構處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，但是在重復荷載作用下也會產(chǎn)生疲勞引起的結構積累損傷，最后造成強度破壞，影響結構使用壽命。
以上（1.1）、（1.2）種情況屬于結構積累損傷現(xiàn)象，雖然實際結構受力與變形沒有產(chǎn)生突變，但在重復荷載作用下的積累損傷效應為結構受力或變形產(chǎn)生突變埋下隱患，結構實際受力或變形處于漸變轉(zhuǎn)化為突變前的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)的前兆，最后造成強度破壞，應該加以防范；特別在材質(zhì)不良、大交通流、超載、荷載分布差異等情況下，上述（1.1）、（1.2）種問題會更加突出。
實例1：中承式鋼筋混凝土肋拱橋的部分橋面系是漂浮體系，目前國內(nèi)部分拱橋倒塌主要原因是吊桿斷裂。因該類橋梁的橋面系是漂浮體系并由單吊桿支撐，其中短吊桿不僅承受拉力（計算中包含），而且承受彎剪力（計算中不包含），以及長短吊桿變形不同造成受力不均, 造成功能轉(zhuǎn)換產(chǎn)生應變能不有效耗散，就會產(chǎn)生結構積累損傷，另外橋面系吊桿錨固端部銹蝕嚴重，兩者都影響結構使用壽命。下面是某橋更換吊桿鋼索中的鋼絲掃描試驗結果，圖2為未損傷端的切片掃描照片，圖3為損傷端的切片掃描照片，對比兩組照片可以發(fā)現(xiàn)一些鋼筋內(nèi)部已經(jīng)存在一些損傷。
實例2：某公鐵立交橋優(yōu)化寬幅空心板結構破壞性試驗結果分析
---------積累損傷情況
由表1可以看出，加載后與加載前縱向裂縫寬度比值介于1.12～1.14之間，卸載后與加載前裂縫寬度比值介于1.00～1.05之間，縱向裂縫基本恢復。
從圖5可以看出，加載初期，結構的剛度較大，隨著荷載的增大，裂縫的開展，剛度下降較快；繼續(xù)增加荷載，結構由彈性工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄怨ぷ鳡顟B(tài)，使得結構剛度退化程度略有減慢，在試驗加載后期，剛度退化剛度逐漸變緩，在達到極限承載之前，剛度的退化和變形幾乎成線性關系。
從優(yōu)化寬幅空心板結構破壞性試驗結果可以看出：優(yōu)化寬幅空心板結構由于剛度偏小，在荷載較大時，結構由彈性工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄怨ぷ鳡顟B(tài)，容易產(chǎn)生積累損傷。
因此中小跨度、剛度較小、存在局部不足等橋梁容易產(chǎn)生積累損傷。
（2）結構受力與變形產(chǎn)生突變
（2.1）當結構變形不協(xié)調(diào)時，在重復荷載作用下結構外力做功除有效轉(zhuǎn)換為彈性應變能外還產(chǎn)生其它能量（例如：結構坍塌產(chǎn)生的重力勢能），結構受力與變形會產(chǎn)生突變，使得結構開裂、不穩(wěn)定甚至破壞（例如：①2008年汶川地震中板墻結構或節(jié)頭不良的框架結構；②構造或剛度不利組合程度較高的橋梁結構；兩者均容易發(fā)生外力做功不能有效轉(zhuǎn)換為彈性應變能而造成開裂甚至破壞等）。
（2.2）當結構變形不協(xié)調(diào)時，若外力或外力做功又較大（例如：拉吊索橋梁因鋼絲銹蝕而產(chǎn)生脆斷破壞），結構受力與變形會產(chǎn)生突變，那么結構處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。
（2.3）當結構變形不協(xié)調(diào)時，結構雖然平衡但狀態(tài)不同（即a=0，而v=0、s=0；v=v1、s=s1；…v=vn、s=sn），這樣復雜結構可能會產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力甚至超過荷重內(nèi)力，那么結構可能出現(xiàn)開裂或破壞，而處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。
以上（2.1）、（2.2）、（2.3）種情況屬于結構受力與變形產(chǎn)生突變階段，結構處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，應該提前加以防范；特別在材質(zhì)不良、大交通流、超載、荷載分布差異等情況下，上述（2.1）、（2.2）、（2.3）種問題會非常突出。
實例3：著名德國橋梁專家萊昂哈特非常注重結構構造的思想，他在《鋼筋混凝土及預應力混凝土橋建筑原理》一書中強調(diào)：“有關橋梁性能的好的構造細節(jié)較之復雜的計算更為重要”。這樣結構有限元分析中梁單元隱含“平截面假定”，對于復雜結構而言，最好由“好的構造細節(jié)”措施來保證，避免“復雜的計算”可能引起計算結果與實際結果差別很大，確保結構受力安全，更要防止用有限元分析或試驗研究證明不合理結構也是成立的。
實例4：變形協(xié)調(diào)概念的具體例證，幼小孩站和走不穩(wěn)定自身會摔跤，外推力只是誘因；趙州橋砌塊之間沒有砂漿，砌塊為料石是關鍵。
實例5：變形協(xié)調(diào)概念在具體橋隧等結構的正反例證
實例5：變形協(xié)調(diào)在橋梁結構伸縮裝置中的應用
（1）懸索橋伸縮縫損壞原因分析與改造某大橋主橋為兩跨連續(xù)鋼箱梁懸索橋?qū)儆跇蛎嫦凳瞧◇w系，位于受臺風影響頻繁的海域，橋梁梁體在風力、車載等作用會產(chǎn)生水平與豎向轉(zhuǎn)角變形及扭轉(zhuǎn)變位，其所使用的模數(shù)式橋梁伸縮縫無法滿足梁體的變形要求，中梁鋼在扇形變位及擠壓狀態(tài)下發(fā)生塑性形變無法回復，底部承壓支座損壞脫落，最終將會導致中梁鋼下陷或折斷，嚴重影響交通安全。國內(nèi)同類橋梁使用的模數(shù)式橋梁伸縮縫也再現(xiàn)了同樣的損壞現(xiàn)象。因為在不利條件下主梁位移或變形偏大，伸縮縫要么約束變形要么額外變形，主梁與伸縮縫或伸縮縫內(nèi)部變形不協(xié)調(diào)會產(chǎn)生較大約束或額外內(nèi)力，致使伸縮縫材料產(chǎn)生應力積累損傷，減少伸縮縫使用壽命甚至可能發(fā)生意外安全事故。而其他與主梁連接的細部構件是否存在變形不協(xié)調(diào)情況呢？有待認真觀察或觀測！
應用在同類型鋼箱梁懸索橋“重慶魚嘴長江橋”的“RB單元式多向變位梳形板橋梁伸縮裝置”，其通過裝置的多向變位鉸機構，主動地適應橋梁梁體的水平、豎向和扭轉(zhuǎn)等三維變形要求，能很好的解決該類技術問題。就象人的頸部有約200多塊肌肉適應并支撐頭部多維運動。
改進措施：橋面瀝青混凝土施工前先用木條和泡沫塞好大橋伸縮縫便于橋梁熱漲伸長防止橋面等結構損壞。
