结构易损性在桥梁工程中的应用与

290结构易损性在桥梁工程中的应用与研究 罗晓峰 邢国徽 浙江工业职业技术学院

摘 要：在不同强度的地震作用下，从概率的意义阐述了桥梁地震易损性的概念，从宏观的角度看，结构的破坏程度与地震动的强度有着非常密切的关系，同时也是研究地震风险及结构损失的重要组成部分，对其进行分析与研究可以为新桥的设计提供依据。　

关键词：桥梁工程；易损性；研究方法

1 结构易损性基本理论

结构易损性最初定义为物体物理碰撞的脆弱程度，多用在军事领域，如飞机碰撞或船体碰撞，随着科技的进步及相关研究的深入，易损性逐渐成为结构灾害研究和防灾减灾策略的一个中心主题，特别是 1911 事件中世贸双子大楼的连续性倒塌，使得结构易损性问题在土木工程领域引起了广泛关注，ASCE 和 CIB 等国际工程组织纷纷成立小组进行结构易损性的研究工作，并将结构的易损性定义为：结构在面对突发事件或正常使用中容易受到伤害或损伤的程度，它反映了特定条件下结构的脆弱性和结构对意外损伤的承受能力[1]。结构易损性主要体现在连续性破坏与倒塌问题中，即结构由于局部损伤造成的某些关键构件的缺失及传力路径的中断，使得关键构件原来所承担的荷载在结构内重新分布，进而引起结构不成比例的大范围倒塌甚至整体失去承载能力。必须及时发现体系中的关键易损性构件并确定其薄弱环节，在此基础上，通过分析研究，可以有效避免结构坍塌及恐怖袭击，以上所述也是结构易损性研究的意义所在。此外，结构易损性的研究可以为设计人员针对重要结构的不可预见的意外破坏提供一定的设计依据，尤其是通过结构易损性的分析研究可以将结构的关键传力路径明确确定，从而可以为结构健康监测提供准确合理的监测位置并可以确定构件正确的维护顺序[2]，从而避免结构中关键构件受到损伤，对制定关系国计民生的重要交通基础设施、地区标志性的建筑维护策略等都具有极其重要的意义。

2 结构易损性研究的方法

对于结构易损性的研究，很多国家都只是采取一些定性的研究措施，在此基础上提出了一些原则性的研究方法，并将其纳入相关规范中，这些措施如事件控制、间接设计（拉结力设计）和直接设计（备用荷载路径分析和特殊抗力设计）对改善结构的易损性起到了一定的作用。但是从本质上说，对易损性的问题认识还没有到达理性的层面。一些研究者鉴于不同的理念和角度建立了不同的关于结构易损性的定量分析模型。这方面的研究主要为两大类，一种是以结构拓扑为基础的研究，一种是以能量为基础的研究。

2.1 结构拓扑易损性研究

英国学者首先提出了结构拓扑易损性分析理论，通过研究结构构件的组合方式和可能发生的失效情况，研究结构中的薄弱环节部位，将易损性指标定义为分离度与破坏需求的比值。国内的刘西拉等学者在 2003 年开始针对突发事件造成的结构易损性进行定量分析研究，之后，柳承茂等[3]提出用构件的重要性系数，来描述结构的易损性，进一步建立其与冗余度的关系；高扬等从以移除构件前后的结构承载力变化为角度，得出了一个结构鲁棒性评价中计算构件的重要性系数的新途径。可是上述理论只对结构的拓扑进行分析，并没有考虑结构具体承受任何特定的荷载的情况。

2.2 基于能量方法的易损性研究

一些学者提出了基于能量吸收思路的单位体积容许损伤能量的概念，而且通过规定构件所需要的单位体积的极限容许损伤能量，进而保证结构能够吸收由意外荷载产生的损伤能量，满足对鲁棒性的要求；柳承茂基于结构中的应变能建立了结构易损性分析模型。张雷明等从结构中的能量流网络出发，提出了确定杆件重要性及最重要破坏路径模式的能量流途径，并以在地震自然灾害中倒塌的某厂房进行了确定荷载下易损性分析。这种增加了从能量角度出发的考虑比仅仅对结构拓扑的分析更加细致，可以具体地考虑到结构承受的一些常规荷载，计算方法相对简单，更适合于结构概念设计和决定构件拓扑关系是否有足够的鲁棒性的初步设计。但是该方法并没有考虑破坏荷载的动力作用这种情况，也没考虑结构损伤对能量耗散的影响的情况。

从能量入手是明智的，但不能仅仅停留在构件的层次上，还要考虑荷载的传递路径等方面。显然，仅仅对结构倒塌状态前的情况进行分析是不够的，还必须进行对倒塌起因、过程及后果的全过程分析。这种情形下有三个难点：不连续位移场的阐述，对接触-碰撞分析以及结构倒塌过程中的大位移、大转动的分析。

3 结构易损性在桥梁工程中的应用研究

桥梁结构作为城市的生命线工程，其受爆炸袭击后的易损性也成为了目前的一个研究热点。香港的 Chang 和 Dong 以独塔斜拉桥和双塔斜拉桥为例，首先基于塑性铰理论探讨了桥梁的失效模式与极限承载力，其次基于概率理论分析了爆炸袭击后桥梁的倒塌概率，为深入了解斜拉桥的结构特性及为桥梁考虑突发事件的设计提供了理论基础；美国的 Bensi 和Bhattacharya 基于概率理论，针对一座简支梁桥分析了受爆炸袭击后桥梁评估的关键性指标以及修复的资金投入。桥梁结构受爆炸等荷载的突然作用时，受影响区域的局部破坏是不可避免的，为了使结构具有足够的冗余度，而且能抵御永久荷载下的整体结构倒塌，必须对相应的设计方案进行调整，但是每种方案的实行都必须付出一定的经济代价，设防方案

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的等级越高，其付出的经济代价就越大。因此，根据易损性的分析结果，可以在安全性和经济性之间进行权衡。

4 结论

易损性问题的研究主要都集中在了突发灾害的易损性方面，而对桥梁在正常使用状态下的易损性研究很少。随着易损性研究的深入，关注易损性对桥梁结构的养护决策及加固将起到更大作用。它可将桥梁维护的重心转移到结构体系本身，关注其中的薄弱构件，并将桥梁加固的应急行为转为维护的日常行为，从而把灾后的响应研究拓宽到灾前的预防和备灾。

参考文献：

[1] 刘西拉, 徐俊祥. 突发事件中结构易损性的研究现状与展望[J]. 工业建筑, 2007, (增刊):18-24.

[2] 姜绍飞, 杨博. 易损性分析在结构抗震及健康监测中的应用[J]. 建筑科学与工程学报, 2008, 25(2):15-23.

[3] 柳承茂, 刘西拉. 基于刚度的构件重要性评估及其与冗余度的关系[J]. 上海交通大学学报, 2005, 39(5):746-750.

（3）对于沉桩上浮问题，由于基桩施工、超静孔隙水压力消散和上浮均未完成，应对上浮桩暂不处理。后期施工时，工作人员应严格按从中心到外侧对称、均匀及跳打方式进行，将沉桩速率控制为每天 1～2根；同时做好施工及监测记录以及加强位移监测。待压桩完成后再对上浮量超出 100mm 的桩进行复压处理。

总结出一套比较完整、成熟的高强预应力混凝土管桩施工中所遇主要技术问题及处理方法，是我们工程师在工程实践中不断努力的方向，在今后的理论学习和工程实践中不断地补充、完善，成为科学、合理、可靠的技术解决方案。

参考文献：

[1] 黄春满. 引孔静压桩施工技术难题研究[D]. 厦门大学, 2009.[2] 吕才能, 冯庆华. 预应力管桩沉桩过程中的常见问题分析及

施工处理措施[J]. 中小企业管理与科技, 2009, 8:226.

[3] 刘亚洋. 海南红土基坑边坡稳定性分析—以新海航大厦工程为例

[4] 唐九顺, 李昂. 沿海滩涂地区风机基础预应力高强混凝土管桩施工技术[J]. 水利水电施工, 2010, 6:84-88.

[5] 冯致海. 江苏响水风电场风机基础预应力高强混凝土管桩施工技术研究[J]. 四川水力发电, 2011, 30(6):8-12.

[6] 李宏铭, 杨晓梅. 关于预应力混凝土管桩施工中的几个技术问题[J]. 科技情报开发与经济, 2010, 20(1):207-209.

作者简介：陈晓，女，1977年7月生，黎族，海南万宁人；大学本科毕业；海南华地珠江基础工程有限公司工程师；研究方向：高强预应力管桩基础施工和管理

通讯地址：海南省海口市龙昆北路2号龙珠大厦22层

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止。由于结构胶调配后的时限性较强，施工时应根据每处灌浆用量进行调配，以免灌浆前结构胶固化造成材料浪费。压力灌浆是采用专用压力罐配以空压机进行灌浆。待封口胶泥干透后，即可进行灌浆作业。在灌浆过程中，应不断用手锤对钢板进行轻敲，以便排除钢板空腔内的气泡，亦是对密实度的检查。

3 结束语

采用外包钢加固后框架结构的结构周期变小,频率增高,整体结构刚性显著。用外包钢法进行结构构件加固可减小加固楼层的层间位移,引起构件内力的重分布,个别构件弹性内力增加幅度较大,应当将局部构件(或楼层)加固与结构整体抗震性能结合起来,从构件截面层次和结构整体变形两方面来评价加固结构的抗震性能。刚度软弱层引起结构构件内力变化幅度较大,强度薄弱层引起结构楼层塑性变形集中,使结构出现隐含危险转移现象。所以应避免弹性状态下形成刚度软弱层和弹塑性状态下形成强度薄弱层。

参考文献：

[1]赵海凤;湿式外包钢柱轴心受压承载力计算及其可靠度分析[D];武汉大学;2005年

[2]凌程建;工业厂房加固方法研究与实际应用[D];四川大学;2006年

[3]范涛;外包钢加固钢筋混凝土构件的计算及有限元分析[D];西南交通大学;2006年

[4]王丽莉;地下室结构抗核爆效应及平战功能转换设计研究[D];武汉理工大学;2003年

作者简介：刘雯明（1978－ ），女（汉族），天津市大港人，本科生，主要研究方向：建筑工程结构设计。

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3.1.2 绑扎

汽车吊扶直桁架时，起重机吊钩对准上弦中心，吊索左右对称，并与水平面夹角为 450。绑扎点选在上弦节点处，采用 4 点绑扎法。

3.1.3 吊升、对位和临时固定

在指挥人员的指挥下，先将桁架梁吊离地面 30mm 后，检查起重机、吊具吊索状态完好后可继续向上提升，超过承重脚手架约300mm 后，桁架梁与承重脚手架相平行，然后起重机向前爬杆，将桁架梁缓缓放在承重脚手架的小钢架上。3.2 桁架梁的高空作业

桁架梁在每个轴线相应的立柱位置搭设承重脚手架，以保证施工安全。承重脚手架采用可拆卸式结构，安装拆卸方便，施工速度快。承重脚手架上设夹板抱箍及桁架校正器夹板抱箍的作用是临时固定和调整桁架在承重脚手架上的位置。一般桁架在施工的过程中要严格按照钢管接口要求来反复调整夹板和抱箍的正确性，并通过相关仪器进行监测。

4 结论

根据某厂房改造工程多专业同时施工和吊装的实际情况，对于桁架梁在施工中需要进行合理的分段，并且选用能够适应于当前实际施工要求的起吊设备、施工方案和设置合理正确的吊点。在施工中，制订了桁架梁的吊装工艺，设计了多种吊装专用机械、器具和辅助安装支架，在吊装过程中严格执行施工方案和工艺文件要求，加强对施工现场的监督和管理，对现场信息处理速度和解决问题能力有了极大的提高和促进，保证了安装就位精度和焊接质量，确保了大跨度桁架梁吊装安全和吊装焊接质量目标的实现。

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