時間：2023-03-27 16:46:32
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橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計的第一要務(wù)則是針對即將建造施工的地區(qū)選擇一項經(jīng)濟合理的方案，第二就是根據(jù)方案選取規(guī)范的安全系數(shù)，從理論上保證設(shè)計結(jié)構(gòu)的安全。橋梁的安全問題一般都出現(xiàn)在施工過程之中，耐久性不夠強這類問題往往是由于管理人員的疏忽。在施工之前，橋梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系、結(jié)構(gòu)材料的使用從開始動工到結(jié)束都需要技術(shù)人員的管理和核對，在這過程之中就有人員疏忽造成的材料結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)整體性和延長性不足，冗余性較長；另外還有設(shè)計的圖紙圖示不明，在施工時的混凝土的等級的達標(biāo)問題，所使用的鋼筋直徑的粗細程度，構(gòu)件的截面的厚度等問題都需要人員的核實。一旦某一個管理環(huán)節(jié)被疏忽或者遺漏就會造成橋梁的使用持久性下降。另外，橋梁的安全性和持久性還和使用環(huán)境的不同有很大的關(guān)系，這是一個不可抗拒因素，無論是再科學(xué)合理的設(shè)計方案和巨細無遺的管理方案都無法彌補由環(huán)境的更新帶來的問題。材料以及鋼架需要一段時間的適應(yīng)，這個問題的結(jié)構(gòu)就需要施工人員和設(shè)計人員對材料特性的了解以及豐富的經(jīng)驗和準(zhǔn)確的判斷。
橋梁的結(jié)構(gòu)性能的評比
橋梁的安全性和耐久性并不是被動的等到橋梁出現(xiàn)破損甚至倒塌才能夠鑒定出橋梁的建設(shè)及使用情況，專業(yè)的數(shù)據(jù)評估制度是完善橋梁建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)。在國家建立的專業(yè)的橋梁檢測標(biāo)準(zhǔn)中對使用年代較舊的橋進行檢測。對于橋梁的負荷承載標(biāo)準(zhǔn)比較低和橋梁存在隱患的城市橋梁按標(biāo)準(zhǔn)進行技術(shù)評價。對于不能夠達到建設(shè)時所設(shè)定的承載量的橋梁及時設(shè)置警示標(biāo)志。橋梁的評比也只是集中在橋梁的幾個重要方面，橋梁的變形觀測、橋梁路面的線形弧度、剪力、軸力和基準(zhǔn)線方向的偏離等等。國家還明確的規(guī)定了橋梁各個部件所使用的比例和限定額，在橋梁的施工后各項指標(biāo)都不能夠低于國家的標(biāo)準(zhǔn)。這也就有利于相關(guān)部門的審查與判斷，數(shù)據(jù)的使用也預(yù)先知道橋梁的建設(shè)情況，保證其使用的安全性。
安全性是橋梁建設(shè)的根本出發(fā)點
質(zhì)量橋梁建設(shè)的生命，橋梁作為溝通城市與城市之間的紐帶，保證橋梁的暢通性。車輛行駛在橋梁上更加注重的是其安全性以及舒適型，因此有關(guān)部門必須高度重視橋梁的安全。一般的橋梁主橋部分為鋼筋混凝土建成，鋼索使用預(yù)應(yīng)力混凝土的斜拉橋，建設(shè)過程中因地制宜的加筑排水孔，這些措施都是為了保證橋梁的安全性能。安全性是國家和人民都重視的問題，也是橋梁的基本特性，同時也是橋梁使用的意義所在。橋梁的施工、監(jiān)理等工作也是相互合作關(guān)系，施工方需要接受工程師的監(jiān)督、管理，這是創(chuàng)造監(jiān)理工作的核心所在。安全性則滿足設(shè)計的要求，施工工藝以及施工標(biāo)準(zhǔn)也均達標(biāo)。只有堅持嚴格的檢查，實行嚴格的責(zé)任問責(zé)制才能夠換來橋梁的安全使用。
耐久性對橋梁建設(shè)的重要意義
鋼筋的耐久性都是由材料的主要是由材料的使用以及設(shè)計的科學(xué)性，其中橋梁混凝土耐久性還受鋼筋銹蝕的威脅，這個對橋梁的耐久性破壞主要分為幾個表現(xiàn)，鋼筋的表面由于空氣自然因素出現(xiàn)了銹斑和銹片；隨著時間的推移鋼橋梁的筋的硬度發(fā)生了變化，進行膨脹，出現(xiàn)脹裂情況，橋梁的有效截面不斷的減小，導(dǎo)致橋梁的有效截面逐漸變小，對汽車等承載力下降，最后混凝土喪失其承載能力。堅強橋梁的耐久性對橋梁具有重要的意義，只是對人民財產(chǎn)安全的保障，也能夠為國家節(jié)省建設(shè)資本，同時又有于橋梁技術(shù)的發(fā)展。
橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強度，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的構(gòu)件不發(fā)生屈曲，喪失穩(wěn)定性。同時結(jié)構(gòu)也要具有較高的耐久性。由于作用荷載的隨機性、材料強度的離散性、制造與施工質(zhì)量的分散性、計算假定的近似性，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)計中存在缺陷，如采用橋型結(jié)構(gòu)不當(dāng)、設(shè)計假定不盡合理。
3．橋梁施工質(zhì)量差，未按設(shè)計要求和施工規(guī)程實施。
4．不重視橋梁后期養(yǎng)護工作，沒有及時消除己產(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—施丁組織設(shè)計—施工—驗收。
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)計進行加固的施工過程，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。
三、橋梁加固增強技術(shù)
橋梁的增強改造可以分為裂縫修補和對橋梁結(jié)構(gòu)的加固增強，下面介紹其特點及其適用的場合。
（一）裂縫修補技術(shù)
裂縫修補的目的在于恢復(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)補強劑等。4．表面噴涂法，噴漿修補是一種在經(jīng)鑿毛處理的裂縫表面，噴射一層密實而且粘度高的水泥砂漿保護層，來封閉裂縫的修補方法。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，可對裂縫先進行處理之后，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行說明。
梁式橋上部結(jié)構(gòu)加固增強技術(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，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
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，強調(diào)任何一個凈化系統(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)機制的研究得到廣泛關(guān)注，出現(xiàn)了對系統(tǒng)機制解釋的混飩理論、分形理論、孤波理論等，構(gòu)成了系統(tǒng)動力學(xué)理論，主要考察系統(tǒng)的非線性機制。
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。漲落在遠離平衡時起驅(qū)動作用，不可逆性會導(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，進而將系統(tǒng)機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)的一個子系統(tǒng)，不同的橋梁結(jié)構(gòu)體系又構(gòu)成各個更低層次的子系統(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。單個基本構(gòu)件，比如單個梁構(gòu)件，是無法實現(xiàn)跨越峽谷甚至海峽的目的的，而多個構(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)梁等橋型進行結(jié)構(gòu)的改進，設(shè)計支座單元，達到減震目的。
耗散結(jié)構(gòu)理論認為，在遠離平衡狀態(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)識別與健康監(jiān)測
結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識別是通過試驗和計算機來實現(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，可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的判斷和識別。對這樣一個灰箱的識別首先應(yīng)確立一個由梁整體監(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)。所以整個技術(shù)的成功開發(fā)乃至系統(tǒng)目標(biāo)的最終實現(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)損傷識別技術(shù)；研究非線性結(jié)構(gòu)模型的時域評估方法及系統(tǒng)識別技術(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壽命過程經(jīng)濟評價的估價模型。
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、動態(tài)系統(tǒng)測試狀態(tài)空間方法和Bellman動態(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，主要研究動力學(xué)系統(tǒng)。橋梁結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下，表現(xiàn)為不確定性的隨機系統(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控制、主動控制和混合控制，被動控制是通過支座、阻尼器等裝置來消耗輸入系統(tǒng)的外部環(huán)境能量；主動控制的基本思想是通過主動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)的被動控制。Constantinou在1991年提出了采用位移控制裝置和滑動支座相結(jié)合的滑動隔震體系，最大限度地減少了輸入能量向結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的傳遞[4].
有些主動控制技術(shù)（如AMD）已經(jīng)進入實用階段，在日本已經(jīng)建成了一批主動控制的建筑。通過主動控制，一方面可以用最有效的方法抵抗外部激勵，另一方面可以直接減小輸入到結(jié)構(gòu)上的激勵水平。當(dāng)前有主動連桿控制技術(shù)和主動調(diào)質(zhì)阻尼器系統(tǒng)（AMD）技術(shù)實現(xiàn)對系統(tǒng)的主動控制?；旌峡刂葡到y(tǒng)當(dāng)前主要有對振動控制系統(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)域甚至是整個土木工程都有廣闊的應(yīng)用前景。
3．系統(tǒng)非線性機理
傳統(tǒng)自然科學(xué)趨向于強調(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，因為非線性是一切復(fù)雜現(xiàn)象的本源[5]。
1973年，費根包姆提出的混飩理論大大推進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)動力學(xué)理論，探討系統(tǒng)的非線性機制。橋梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)也是一個混飩系統(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。這里重點討論橋梁系統(tǒng)動力學(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?？虑劬€的結(jié)構(gòu)，具有嚴格的自相似性。自然界中被認為是分形系統(tǒng)的海岸線、云層邊緣、地球表面、斷口表面以及液體湍流等，沒有一個嚴格意義上的分形，其自相似性是近似的或統(tǒng)計意義上的相似，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分形。形態(tài)（結(jié)構(gòu)）、信息、功能或時間上具有自相似性的客體稱為廣義分形[6]。
在實際問題中，為了考察一個事物是否存在局部和整體的相似性，只要檢驗該事物是否存在"無標(biāo)度區(qū)"即可。以尺度r把事物分成N個相似的部分，對變化的r畫出igr－lgN曲線，然后檢驗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的一個常數(shù)。分維是描述分形特征的定量參數(shù)，因為所描述的具體對象不同，分維計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)、集團分維和質(zhì)量分維等。
地震學(xué)界已開始對地震的時、空、強度分維及其多分維進行了大量研究。普遍認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對一個具有兩個自由度的梁構(gòu)件模型在瞬時沖擊荷載作用下的彈塑性反應(yīng)進行了分維研究，計算得自相似維數(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，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)報的新參數(shù)。
②地震動反應(yīng)譜，作為地震動特性與結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)相互聯(lián)系的紐帶，也是統(tǒng)計意義上的分形結(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)動力分析領(lǐng)域中的關(guān)鍵點。通過對國內(nèi)外大量已有實橋動力特性資料的統(tǒng)計和橋例分析可見［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)計分形特征，利用分數(shù)維，可以得到比常用估算公式更為接近實橋值的基頻簡化計算公式。
③對于梁橋動力特性的大量實測結(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)的認識可以定量描述，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)識別和健康監(jiān)測的重點，特別是結(jié)構(gòu)的指紋分析；
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產(chǎn)品的質(zhì)量。這種靠人們經(jīng)驗評定其產(chǎn)品可靠、比較可靠、不可靠，沒有一個量的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。1939年，英國航空委員會出版的《適航性統(tǒng)計學(xué)注釋》一書中，首次提出飛機故障率不應(yīng)超過10-5次3h，這可以認為是最早的飛機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。他提出用概率乘積法則，將系統(tǒng)的可靠度看成是各個子系統(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)院一個研究室開始對真空管的可靠性進行深入的調(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。于是引起了美國軍方對可靠性問題的高度重視，同時率先對可靠性問題進行了系統(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)備可靠性報告》。報告中提出了一套完整的評估產(chǎn)品可靠性的理論和方法。該報告被公認為是可靠性研究的奠基性文獻。1965年，國際電子技術(shù)委員會(IEC)設(shè)立了可靠性技術(shù)委員會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)部門擴展到電機與電力系統(tǒng)、機械設(shè)備、動力、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年匈牙利布達佩斯的卡欽奇就是提出用統(tǒng)計數(shù)學(xué)的方法研究荷載及材料強度問題；1926年德國的邁耶提出了基于隨機變量均值和方差的設(shè)計方法，這是最早提出應(yīng)用概率理論進行結(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)計的方法，但當(dāng)時方法不夠嚴格，因此，未付諸實施。1935年斯特列律茨基，1947年爾然尼欽和蘇拉等人相繼發(fā)表了這方面的文章，結(jié)構(gòu)安全度的研究逐漸開始進入了應(yīng)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計學(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開展了結(jié)構(gòu)可靠性的研究工作。他提出的在隨機荷載作用下結(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)展的主要時期?，F(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)計方法逐漸被工程界所接受。但在這一時期，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)計方法當(dāng)時在人們頭腦中根深蒂固，認為沒必要改變已用的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，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)是由于人為差錯造成的，并非結(jié)構(gòu)設(shè)計方法問題。
2．基于概率理論的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法似乎比傳統(tǒng)的確定性結(jié)構(gòu)設(shè)計方法麻煩，涉及到當(dāng)時比較難處理的統(tǒng)計數(shù)學(xué)問題。
3．當(dāng)時有用的統(tǒng)計數(shù)據(jù)極少，不足以定義重要的荷載、強度的尾部分布。
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）即使是對一個簡單的結(jié)構(gòu)，其失效模式可能多到難以計數(shù)，更不用說進行可靠度分析。
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，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)實用的一次二階矩設(shè)計方法，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)的可靠性理論達到實用的目的。
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際可接受的設(shè)計方法聯(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正態(tài)變量求法，這種方法經(jīng)過系統(tǒng)改進之后，作為結(jié)構(gòu)安全度聯(lián)合委員會（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)計過程中，存在著考慮強度多而考慮耐久性少;重視強度極限狀態(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，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，并已出版了許多專著，對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度分析和先進的計算方法蓬勃發(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：
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，計算系統(tǒng)可靠度并進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法；利用蒙特卡洛（Monte-Carlo）法采用重要抽樣技術(shù)計算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度等，同時，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，除考慮強度極限狀態(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)部分解決了這個問題，但與實際情況相比，這方面的問題還遠遠沒有解決。
4．人為差錯的分析。許多結(jié)構(gòu)的失效并非由荷載、強度的不確定性造成，而往往是設(shè)計、施工、使用等環(huán)節(jié)中人為差錯造成的，這方面事例很多，已成為目前研究熱點之一。
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)、檢驗手段、建筑物的維修使用狀況等有密切的關(guān)系。同時，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．模糊隨機可靠度的研究[10]。模糊隨機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，模糊隨機可靠度理論也必將進一步完善和發(fā)展。
五、結(jié)語
橋梁工程問題的解決總是理論與工程經(jīng)驗的結(jié)合，掌握的知識越多，主觀經(jīng)驗越少，橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計越合理，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、評估及維修決策之中尚有許多細致的工作要做。
參考文獻
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[8]張建仁，劉揚．結(jié)構(gòu)可靠度理論及其在橋梁工程中的應(yīng)用[M]．北京：人民交通出版社．2003．
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產(chǎn)品的質(zhì)量。這種靠人們經(jīng)驗評定其產(chǎn)品可靠、比較可靠、不可靠，沒有一個量的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。1939年，英國航空委員會出版的《適航性統(tǒng)計學(xué)注釋》一書中，首次提出飛機故障率不應(yīng)超過10-5次3h，這可以認為是最早的飛機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。他提出用概率乘積法則，將系統(tǒng)的可靠度看成是各個子系統(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)院一個研究室開始對真空管的可靠性進行深入的調(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。于是引起了美國軍方對可靠性問題的高度重視，同時率先對可靠性問題進行了系統(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)備可靠性報告》。報告中提出了一套完整的評估產(chǎn)品可靠性的理論和方法。該報告被公認為是可靠性研究的奠基性文獻。1965年，國際電子技術(shù)委員會(IEC)設(shè)立了可靠性技術(shù)委員會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)部門擴展到電機與電力系統(tǒng)、機械設(shè)備、動力、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年匈牙利布達佩斯的卡欽奇就是提出用統(tǒng)計數(shù)學(xué)的方法研究荷載及材料強度問題；1926年德國的邁耶提出了基于隨機變量均值和方差的設(shè)計方法，這是最早提出應(yīng)用概率理論進行結(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)計的方法，但當(dāng)時方法不夠嚴格，因此，未付諸實施。1935年斯特列律茨基，1947年爾然尼欽和蘇拉等人相繼發(fā)表了這方面的文章，結(jié)構(gòu)安全度的研究逐漸開始進入了應(yīng)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計學(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開展了結(jié)構(gòu)可靠性的研究工作。他提出的在隨機荷載作用下結(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)展的主要時期?，F(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?；诟怕收摰慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計方法逐漸被工程界所接受。但在這一時期，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)計方法當(dāng)時在人們頭腦中根深蒂固，認為沒必要改變已用的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，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)是由于人為差錯造成的，并非結(jié)構(gòu)設(shè)計方法問題。
2．基于概率理論的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法似乎比傳統(tǒng)的確定性結(jié)構(gòu)設(shè)計方法麻煩，涉及到當(dāng)時比較難處理的統(tǒng)計數(shù)學(xué)問題。
3．當(dāng)時有用的統(tǒng)計數(shù)據(jù)極少，不足以定義重要的荷載、強度的尾部分布。
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）即使是對一個簡單的結(jié)構(gòu)，其失效模式可能多到難以計數(shù)，更不用說進行可靠度分析。
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，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)實用的一次二階矩設(shè)計方法，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)的可靠性理論達到實用的目的。
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際可接受的設(shè)計方法聯(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正態(tài)變量求法，這種方法經(jīng)過系統(tǒng)改進之后，作為結(jié)構(gòu)安全度聯(lián)合委員會（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)計過程中，存在著考慮強度多而考慮耐久性少;重視強度極限狀態(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，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，并已出版了許多專著，對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度分析和先進的計算方法蓬勃發(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：
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，計算系統(tǒng)可靠度并進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法；利用蒙特卡洛（Monte-Carlo）法采用重要抽樣技術(shù)計算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度等，同時，一些學(xué)者還研究了系統(tǒng)可靠度界限的問題?？傊到y(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，除考慮強度極限狀態(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)部分解決了這個問題，但與實際情況相比，這方面的問題還遠遠沒有解決。
4．人為差錯的分析。許多結(jié)構(gòu)的失效并非由荷載、強度的不確定性造成，而往往是設(shè)計、施工、使用等環(huán)節(jié)中人為差錯造成的，這方面事例很多，已成為目前研究熱點之一。
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)、檢驗手段、建筑物的維修使用狀況等有密切的關(guān)系。同時，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．模糊隨機可靠度的研究[10]。模糊隨機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，模糊隨機可靠度理論也必將進一步完善和發(fā)展。
五、結(jié)語
橋梁工程問題的解決總是理論與工程經(jīng)驗的結(jié)合，掌握的知識越多，主觀經(jīng)驗越少，橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計越合理，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、評估及維修決策之中尚有許多細致的工作要做。
參考文獻
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1工程概況
某橋梁工程6#墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)之上為承臺，每個承臺上設(shè)一個墩柱，雙墩柱之上為蓋梁。6#墩樁基礎(chǔ)、承臺、墩柱和蓋梁結(jié)構(gòu)均處于鐵路30m范圍內(nèi)，施工均列入臨近營業(yè)線施工范圍。所有施工都必須在鐵路運行天窗進行，且必須嚴格按照臨近運營線施工安全管理規(guī)定進行，施工環(huán)境非常復(fù)雜、施工條件差、施工難度大。
2主要施工方法
(1)基礎(chǔ)施工
6#墩基礎(chǔ)是由4根準(zhǔn)1.2m長的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)組成，，樁的長度為22m，可用C30混凝土灌注，灌注樁時注意讓樁端嵌入巖層。樁基礎(chǔ)持力層為中風(fēng)化巖層，可用CZ－5型沖擊鉆機鉆進成孔。在成孔前要先確定鉆機的位置，注意使鉆機鉆錘的中心與樁孔的中心保持在同一垂線上，穩(wěn)定好扒桿和攬風(fēng)繩。在成孔鉆進過程中，要先用小沖程慢慢的鉆進，使鉆頭全部進入土層后，查看樁位復(fù)測是否合格，合格后再進行正常鉆速鉆進。同時要注意，地勘結(jié)果不同的地層，要采用不同的沖程和泥漿的比重，做好記錄。在鉆進中遇到數(shù)據(jù)突變等異常情況時要及時排查原因，排除隱患，再進行鉆進。吊放鋼筋籠時也要據(jù)計算確定吊裝點，注意入孔時須對準(zhǔn)孔位輕放、慢放，防止碰撞孔壁，混凝土澆筑要保證一次性連續(xù)澆筑完成，這樣可保證整根樁混凝土均勻，密實。
(2)承臺施工
根據(jù)本承臺基坑支護的特點，可采用支護結(jié)構(gòu)受力簡單，明確的鋼板樁支護方案，它不僅對基坑支護有很可靠的穩(wěn)定性，其在插打工藝上機械設(shè)備也都狠成熟，工程造價低，可在鋼板樁插打后拔除重復(fù)使用，施工速度也挺快。對于6#墩的承臺，它的平面尺寸是4.8m×4.8m，厚度是2.4m的鋼筋混凝土做的矩形承臺。承臺的開挖主要以機械為主，人工為鋪的分層開挖，按基坑邊坡1∶1的比例開挖。當(dāng)基坑開挖超過基坑底標(biāo)高的20cm時，改用人工開挖，破壞基底的原狀土結(jié)構(gòu)，便于之后的施工。在整平基底后，進行基底驗槽，合格后才能開始用混凝土澆筑墊層，在樁基檢測合格后，才能進行承臺的施工。承臺模板由于都是采用大塊拼裝的鋼模板，在用吊機分塊吊裝時注意用法蘭螺栓連接，并用混凝土一次連貫建筑成型，澆筑砂石泵采用6BS，并采用初凝時間大于6小時的C30標(biāo)號混凝土，其塌落度在15－18cm間，注意澆筑中應(yīng)充分振搗，使混凝土密實。
(3)墩柱施工
本工程6#墩墩柱為雙柱墩，墩平面為1.7×1.85m(橫橋向×縱橋向)的矩形，高6.641m，平面四角設(shè)半徑15cm的倒圓，采用C40混凝土澆筑。為了能夠保證墩柱的外觀質(zhì)量，墩柱模板可采用表面平整光滑，拼接嚴密的定型鋼模板，連接時可采用連接螺栓來栓接，為保證接縫的平整，還可設(shè)定準(zhǔn)確的定位孔并用銷釘過渡配合使用。墩柱混凝土澆筑是分層澆筑的，但每層的澆筑都必須保證一次澆筑完成，每層的厚度也都要控制在30cm左右?？梢杂么蚕铝?，要注意串筒口與澆筑面間的距離盡量控制在2m內(nèi)，邊澆筑邊用振動棒振搗，這樣可保證澆筑的混凝土的密實性。
(4)蓋梁施工
蓋梁支架采用滿堂式和碗扣式鋼管腳手架，支架底落在承臺頂高程處，承臺間及兩頭需開挖并進行地基硬化處理，其中承臺基坑范圍用山皮石回填，基坑范圍外用30cm厚山皮石回填，用10cm厚碎石墊層和20cm厚C20混凝土進行硬化，來達到滿足支架地基的承載力。安裝蓋梁模板，先要沿著橫橋方向在碗扣支架頂托上安放10槽鋼，并在沿橋縱向槽鋼上每隔20cm布置10×10方木，在方木上鋪設(shè)15mm厚竹膠板，蓋梁側(cè)模板用15mm厚竹膠板，模板外側(cè)在豎直方向每隔15cm安放5×10方木，方木外側(cè)安放2道水平鋼管圍棱，另外還需沿水平方向和豎向每間距0.61m設(shè)置準(zhǔn)20對拉螺桿，保證模板穩(wěn)定。蓋梁骨架鋼筋采用閃光對焊或雙面焊接成型，鋼筋骨架在平地上制作焊接成型，吊裝至蓋梁上搭架子進行安裝，局部需焊接時底部需墊木板，焊接時不能燒壞底模，雙面焊縫長度不小于5d，焊縫要滿足要求。本工程蓋梁為變高蓋梁，結(jié)構(gòu)體積將近200m3，為大體積混凝土結(jié)構(gòu)。蓋梁混凝土澆筑擬分3次進行，第1次澆筑3.2m+0.55m高+擋塊部分，第2次澆筑1.84m高+擋塊部分，第3次澆筑支承墊石。蓋梁混凝土用C40商品混凝土，混凝土分層澆筑，每層澆筑厚度控制在30cm左右，邊澆筑邊用插入式振搗器振搗充分使混凝土密實。為防止混凝土內(nèi)部因水泥水化熱反應(yīng)導(dǎo)致溫度過高產(chǎn)生不良溫度裂紋，影響蓋梁施工質(zhì)量，在蓋梁內(nèi)每隔2m設(shè)置準(zhǔn)=32mm的循環(huán)冷卻水管，在高度和寬度方向各布置一道。在澆筑承臺混凝土前應(yīng)進行閉水試驗，保證管道嚴密性，管道還應(yīng)與鋼筋綁扎牢固，確保管道在澆筑混凝土?xí)r不發(fā)生位移。
二橋梁下部結(jié)構(gòu)施工中的質(zhì)量控制關(guān)鍵點
1模板配置
橋墩的施工中，主要的就是模板的配置問題，它可以直接影響到整個橋墩工程施工的質(zhì)量，所以，配置模板一般要注意以下幾點:首先就是確保模板的材料，數(shù)量齊全，保證施工所需;其次，對模板本身來說，它的質(zhì)量，尺寸要嚴格按照規(guī)范要求執(zhí)行，質(zhì)量偏差要控制在有效范圍內(nèi);然后，用洗刷脫模劑的話，便于拆卸;最后，模板的剛度和強度上要保證，避免在施工中發(fā)生變形或者裂縫等現(xiàn)象，影響施工進度。
2鋼筋質(zhì)量控制鋼筋
在橋梁施工中占據(jù)著重要的紐帶作用，是很重要的施工材料，因此在鋼筋入庫時，都要進行嚴格的質(zhì)量檢測，檢驗等。鋼筋材料一定要有齊全的相關(guān)證書，經(jīng)技術(shù)主管審核后可進入開料的程序，把鋼筋按編碼分開堆放，做好防潮防雨等措施，避免在使用前生銹而影響后期使用，要嚴格控制鋼筋的質(zhì)量。
3混凝土質(zhì)量控制
在混凝土質(zhì)量控制上，主要就是控制各個實驗室的配比單操作了，是把各類原料按照一定比例混合攪拌生成混凝土，這個過程要加強監(jiān)督，管理，控制原料的用量，成分，以及質(zhì)量上要合格，才能生成合格的混凝土材料。
4施工管理要加強施工中的管理
對施工隊伍而言，要明確各個崗位的負責(zé)人，分工明確，落實到位，職責(zé)分明。指定完善的規(guī)章制度，和建立質(zhì)量管理小組，健全質(zhì)量管理體系。
三結(jié)語
首先根據(jù)剪力連接件對鋼與混凝土結(jié)合面相對滑移約束程度的不同將組合梁分類，結(jié)合典型實例，對適用于不同形式鋼-混組合梁的傳統(tǒng)與新型剪力連接件的構(gòu)造與受力特點進行比較分析，探討了剪力連接件在組合結(jié)構(gòu)橋梁上的應(yīng)用與鋼混結(jié)合面設(shè)計的新理念。
完全組合梁的剪力連接件設(shè)計
圓柱頭焊釘連接件。圓柱頭焊釘連接件是完全組合梁最常用的剪力連接件。其在剪切方向上的力學(xué)性能具有各向同性，密布時可有效限制鋼與混凝土之間的相對滑移；圓柱頭焊釘?shù)念^部埋入混凝土中，可起到抗拉拔的作用，防止混凝土板掀起[1]。上海浦東內(nèi)環(huán)高架的一座跨線橋采用了鋼板梁與混凝土板結(jié)合的組合梁橋形式，其剪力連接件采用了密布的焊釘，如圖2所示，實橋施工階段測試顯示梁端鋼混相對滑移量很小[2]。美國ArthurRavenelJr橋為鋼與混凝土組合梁斜拉橋，索梁錨固區(qū)采用了錨拉板結(jié)構(gòu)，剪力連接件也采用了密布的焊釘，索梁錨固區(qū)焊釘布置如圖3所示。根據(jù)同類結(jié)構(gòu)的有限元仿真計算分析結(jié)果[3]顯示：由于索力會引起錨固區(qū)局部鋼梁相對于混凝土板較強的滑移趨勢，因此在該處設(shè)置密集、直徑較大的焊釘連接件時，將導(dǎo)致錨固區(qū)結(jié)合部焊釘受到的剪力很不均勻，錨固區(qū)附近的焊釘剪力常常過大，不易滿足規(guī)范要求，其他區(qū)域的焊釘剪力較小而不能充分發(fā)揮作用，錨固區(qū)附近的混凝土也因為焊釘剪力集中而引起局部較大的拉應(yīng)力。
開孔鋼板連接件。開孔鋼板連接件主要通過鋼板圓孔中混凝土的抗剪能力將鋼與混凝土組合為整體，如圖4所示。沿主梁縱向連續(xù)布置開孔鋼板連接件，可提供較大的結(jié)合面抗剪剛度與抗剪承載力。日本北陸新干線鐵路上的連續(xù)梁橋，采用鋼管混凝土構(gòu)件作為主梁，在負彎矩區(qū)設(shè)置開孔鋼板連接件，在正彎矩區(qū)設(shè)置焊釘連接件，在不同位置的鋼管中分別填充氣泡混凝土及其輕骨料混凝土，并在橋面板負彎矩區(qū)使用鋼纖維混凝土[1]，如圖5所示。開孔鋼板連接件存在的一個問題是其設(shè)置將削弱混凝土板縱向截面積，對橋面板橫向受力會產(chǎn)生一定影響，設(shè)計時宜加以考慮。
復(fù)合粘結(jié)層連接件。瑞士的Lebet教授等[4]通過試驗研究了一種粘結(jié)作用很強的新型鋼混結(jié)合方式，即在結(jié)合面上設(shè)置了帶刻痕的鋼板并涂裝復(fù)合材料粘結(jié)層，以使鋼混間形成很強的粘結(jié)作用，如圖6所示。試驗顯示，這種結(jié)合形式受力前期鋼混結(jié)合面抗滑移能力很大，一旦結(jié)合面進入塑性后，抗滑移能力下降很快，但后期仍能依靠殘余的粘結(jié)摩擦等因素抵抗一定量的結(jié)合面剪力，具有較好的后期延性。
部分組合梁的剪力連接件設(shè)計
2.1部分組合梁的設(shè)計新理念。在滿足鋼-混凝土結(jié)合面抗剪承載力要求的前提下，適當(dāng)減小結(jié)合面抗剪剛度，允許其發(fā)生適量的相對滑移，即將組合梁設(shè)計為部分組合梁，使各剪力連接件剪力分布更加均勻，是改善鋼與混凝土組合梁受力性能的設(shè)計理念之一。通過合理改進剪力連接件的構(gòu)造，設(shè)計開發(fā)一種抗剪承載力較大、抗剪剛度較小、施工簡易的新型柔性連接件，是上述理念付諸實踐的一個研究方向。
2.2剛度時變型連接件。日本學(xué)者北川幸二等人[5-7]曾研究了根部包裹樹脂的剛度時變型焊釘并應(yīng)用于多座組合梁橋，如圖7所示。當(dāng)混凝土板早期收縮發(fā)展迅速時，其樹脂的硬度較低，此時該焊釘?shù)目辜魟偠容^小，混凝土板前期可以較自由地伸縮變形，約束應(yīng)力相對較小，且預(yù)應(yīng)力施加效率較高，一定程度上降低了混凝土板受拉開裂的風(fēng)險。當(dāng)后期荷載施加后，樹脂已經(jīng)變硬，此時該焊釘?shù)目辜魟偠忍嵘?，滑移將會被控制在較小的范圍內(nèi)。對直徑為19mm、高度為110mm、外包樹脂高度為70mm、外包樹脂厚度為8mm的樹脂硬化前、硬化后以及普通焊釘?shù)娜M焊釘試件進行了推出試驗，圖8所示為試驗所得的剪力-滑移曲線，可見：對于硬化前的試件，加載前期抗剪剛度較普通焊釘試件小，加載后期抗剪剛度明顯較前期提升，且抗剪極限承載力與普通焊釘抗剪極限承載力接近；對于硬化后試件，加載全程中抗剪剛度的發(fā)展同普通焊釘類似，且抗剪極限承載力與普通焊釘抗剪極限承載力接近。
外包橡膠柔性焊釘連接件。實橋焊釘往往密布，對于剛度時變型焊釘連接件，逐一包裹塑性的樹脂是較為繁瑣的工作，鋼筋的布置也易引起樹脂的破壞，樹脂在混凝土內(nèi)的硬化時間會對工期產(chǎn)生影響。袁明等[8]提出了外包橡膠套管的柔性焊釘連接件的設(shè)計理念。外包橡膠柔性焊釘連接件是一種在根部安裝了橡膠套管的結(jié)構(gòu)工程用焊釘抗剪連接件，其焊釘采用標(biāo)準(zhǔn)的電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘，橡膠套管采用低硬度、耐久性好的天然橡膠制成，如圖9所示。其施工較剛度時變型焊釘連接件方便，且同樣能達到抗剪剛度較同規(guī)格焊釘小、抗剪抗剪極限承載力與普通焊釘抗剪極限承載力接近的效果[3]。
非組合梁的剪力連接件設(shè)計
設(shè)計中通常認為簡單疊合起來的梁結(jié)構(gòu)的極限承載力等于混凝土板與鋼梁各自極限承載力的較小值，梁的強度不會因為疊合而得到提高。實際按照非組合梁設(shè)計的結(jié)構(gòu)中，由于正常使用的需要，常常會在鋼混交界面的鋼板上布置一定數(shù)量的柔性連接件，例如圖10所示的鋼筋連接件。如果想進一步提升鋼板與混凝土的粘結(jié)效果，還可以在鋼板上鋪灑環(huán)氧樹脂和硅砂。
結(jié)語
第二次世界大戰(zhàn)以后，組合結(jié)構(gòu)以其整體受力的經(jīng)濟性，發(fā)揮鋼與混凝土兩種材料各自優(yōu)勢的合理性以及便于施工的突出優(yōu)點，在歐美各國和日本橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。
