目前我國(guó)公路鋼筋混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范，采用的是極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，包含承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩部分。承載能力極限狀態(tài)是以塑性理論為基礎(chǔ)，充分考慮了鋼筋混凝土材料的塑性性質(zhì)按極限平衡理論來(lái)進(jìn)行的，設(shè)計(jì)原則是：荷載效應(yīng)不利組合的設(shè)計(jì)值小于或等于結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)的設(shè)計(jì)值，其表達(dá)式為
，然而在計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力時(shí)卻仍然沿用傳統(tǒng)彈性方法，即完全不考慮鋼筋混凝土材料的塑性性質(zhì)，視鋼筋混凝土構(gòu)件為理想彈性體。運(yùn)用彈性方法分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力，截面設(shè)計(jì)則又采用塑性方法，兩者本身就顯得比較矛盾，也不很協(xié)調(diào)。眾所周知，在超靜定結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配與結(jié)構(gòu)各部的剛度大小有著直接的關(guān)系。當(dāng)結(jié)構(gòu)中某截面在力的作用下發(fā)生了塑性變形后，該截面剛度將會(huì)降低，截面的抗力也隨之減小，從而導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)上的內(nèi)力發(fā)生變化，此時(shí)若仍按彈性理論方法求解結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，已不能正確地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際內(nèi)力。因此在鋼筋混凝土連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在充分考慮材料的塑性性質(zhì)的基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析，才能使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際。
1.塑性內(nèi)力重分布原理
分析鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)，我們知道受拉鋼筋一旦達(dá)到了抗拉屈服強(qiáng)度后，鋼筋將出現(xiàn)塑流，從而受拉區(qū)砼裂縫迅速開(kāi)展，受壓區(qū)砼高度不斷減小，砼應(yīng)力不斷增加，并表現(xiàn)出明顯塑性（見(jiàn)圖1），即截面應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)入應(yīng)力階段Ⅲ。這一階段構(gòu)件的承載能力雖有增大趨勢(shì)，但是卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上變形的增長(zhǎng)速度。如果我們忽略從鋼筋開(kāi)始塑流到截面破壞前承載能力的增量（圖中虛線部分假定為水平線），則可認(rèn)為一旦受拉鋼筋屈服，截面將在承載能力不變的情況下，產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動(dòng)。構(gòu)件在鋼筋屈服截面好象形成了一鉸，工程中常常把這種“鉸”稱為“塑性鉸”。與理想鉸是有區(qū)別的，首先塑性鉸能承擔(dān)一定彎矩；其次塑性鉸只有在截面彎矩達(dá)到屈服彎矩時(shí)才能產(chǎn)生；第三在卸去載荷時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)變形與載荷正比表現(xiàn)為彈性性質(zhì)。
當(dāng)然，靜定結(jié)構(gòu)若在某截面上一旦形成塑性鉸，就意味著整個(gè)結(jié)構(gòu)變成幾何可變體系，喪失了繼續(xù)承擔(dān)荷載的能力，在工程中是絕對(duì)不允許的，但對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)情況就不同了。例如一兩跨連續(xù)梁，假定在外載作用下，首先在中間支座截面處形成了塑性鉸，塑性鉸的形成對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)只不過(guò)是減少了一個(gè)多余約束，使結(jié)構(gòu)由原來(lái)的兩跨連續(xù)梁變成了兩跨簡(jiǎn)支梁，整個(gè)結(jié)構(gòu)僅僅是體系的轉(zhuǎn)換，并沒(méi)有喪失繼續(xù)承擔(dān)荷載的功能。由此可知，超靜定結(jié)構(gòu)形成了塑性鉸后，結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)將與按彈性體系計(jì)算的受力狀態(tài)是不完全一致的，計(jì)算模式也完全不同，采用彈性方法計(jì)算內(nèi)力的結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實(shí)際會(huì)產(chǎn)生較大的偏差。為了清楚起見(jiàn)，我們?nèi)跃腿煽邕B續(xù)梁為例來(lái)說(shuō)明（見(jiàn)圖2）。假設(shè)在外載q’作用下，支座截面處形成塑性鉸，若兩跨跨中配筋足夠的話，B截面形成塑性鉸后，此梁仍可以簡(jiǎn)支梁形式承擔(dān)外載：
，疊加后的彎矩為圖中實(shí)線所示?？梢?jiàn)同樣承受外載q，按彈性方法計(jì)算的彎矩與考慮塑性鉸出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中實(shí)際彎矩是不同的。由于塑性鉸的出現(xiàn)，支座截面負(fù)彎矩值降低，跨中截面的正彎矩卻相應(yīng)增加， 內(nèi)力在整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中產(chǎn)生了重分布。
通過(guò)以上分析我們可以得出，在超靜定結(jié)構(gòu)體系中人們可以采取對(duì)塑性鉸出現(xiàn)的位置和承載能力的控制，人為地改變結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下的內(nèi)力分布情況，從而達(dá)到我們的預(yù)期目的。
2.塑性內(nèi)力重分布原理在鋼筋混凝土
連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用連續(xù)梁用料經(jīng)濟(jì)，同時(shí)具有較平滑的變形曲線，減少行車時(shí)的沖擊作用，是橋梁常用的結(jié)構(gòu)形式之一。但是我們?cè)谶B續(xù)梁橋的設(shè)計(jì)中，一直是采用彈性理論方法分析結(jié)構(gòu)彎矩、剪力，按彎矩、剪力包絡(luò)圖進(jìn)行配備鋼筋。然而，彎矩、剪力包絡(luò)圖是代表了在各種可能的荷載分布情況下，結(jié)構(gòu)各截面可能出現(xiàn)的最大內(nèi)力，在實(shí)際情況中，這些最大的內(nèi)力同時(shí)出現(xiàn)的概率相當(dāng)小。如在活載以某種分布作用時(shí)，支座彎矩出現(xiàn)最大值。而以另一種分布作用時(shí)，跨中彎矩將出現(xiàn)最大值，因此當(dāng)梁中支座截面配筋充分發(fā)揮作用時(shí)，跨中截面配筋則有富余，整個(gè)結(jié)構(gòu)中各截面的材料強(qiáng)度不可能同時(shí)得到充分利用。由此可見(jiàn)，應(yīng)用包絡(luò)圖原理對(duì)砼連續(xù)梁橋配置鋼筋， 雖然安全可靠，但不太經(jīng)濟(jì)。為了解決這一問(wèn)題，現(xiàn)仍以兩跨連續(xù)梁為例來(lái)分析采用塑性理論計(jì)算的方法。
前面我們已經(jīng)闡述了超靜定結(jié)構(gòu)體系塑性內(nèi)力重分布原理，即塑性鉸的出現(xiàn)，會(huì)使整個(gè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重新分布，且塑性鉸出現(xiàn)的位置可以人為地進(jìn)行控制。如果我們?nèi)藶榈貙⒅ё孛姘磸椥詢?nèi)力計(jì)算所需的鋼筋面積調(diào)整，使塑性鉸出現(xiàn)在支座B上緣處，即當(dāng)活載作用于兩跨時(shí)，截面出現(xiàn)塑性鉸，但此時(shí)跨中截面的彎矩值小于設(shè)計(jì)值； 當(dāng)活載作用于一跨上時(shí)，B截面并未出現(xiàn)塑性鉸，連續(xù)粱處于彈性工作階段。由此，我們?cè)谥ё孛骐m然減少了一些鋼筋，跨中截面的配筋也不會(huì)因支座截面鋼筋用量減少而增加，梁的承載能力并沒(méi)有降低，仍能正常工作。因而采用塑性內(nèi)力重分布理論設(shè)計(jì)可減少連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的用鋼量，同時(shí)會(huì)因支座負(fù)彎矩用鋼量減少，緩解因支座截面鋼筋數(shù)量太多而造成的擁擠，有利于澆灌混凝土。
3.按塑性內(nèi)力重分布方法設(shè)計(jì)的原則
(1)按塑性內(nèi)力重分布方法設(shè)計(jì)是通過(guò)調(diào)整支座負(fù)彎矩來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從理論上來(lái)說(shuō)支座負(fù)彎矩降低越多，經(jīng)濟(jì)效果就越大，但是不能無(wú)休止的調(diào)整， 當(dāng)跨中彎矩出現(xiàn)最大值時(shí)，支座截面應(yīng)處于彈性工作階段。
(2)應(yīng)保證鋼筋具有足夠好的塑性性質(zhì)。因?yàn)楫?dāng)混凝土截面受壓高度很小時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)角就很大，鋼筋的拉應(yīng)變
將很大，如果鋼筋的塑性不好就難以保證轉(zhuǎn)角的實(shí)現(xiàn)。
(3)通過(guò)調(diào)整支座處負(fù)彎矩，支座可能產(chǎn)生開(kāi)裂，同時(shí)裂縫處鋼筋還會(huì)產(chǎn)生銹蝕，從而影響正常使用。因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)裂縫進(jìn)行驗(yàn)算，限制裂縫寬度和深度。為防鋼筋銹蝕，可以通過(guò)在支座處設(shè)置假縫并用瀝青填充。
參考文獻(xiàn)：
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