近年來(lái)，運(yùn)營(yíng)或建設(shè)中的橋梁時(shí)有發(fā)生垮塌，隧道開(kāi)挖和軟土基坑施工過(guò)程中也時(shí)有發(fā)生災(zāi)害事故，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)?yè)p失。例如2007年8月13日16時(shí)40分左右，已施工完畢正在拆除施工腳手架時(shí)發(fā)生了全長(zhǎng)約268米的二級(jí)公路沱江大橋整體垮塌事故，造成重大人員傷亡；2007年8月2日，幾十名工人正在特里大壩附近的一條隧道內(nèi)施工，隧道突然發(fā)生塌陷，造成28名工人死亡；2011年發(fā)生了多起橋梁隧道垮塌事故。有關(guān)專家認(rèn)為，自20世紀(jì)80年代橋梁優(yōu)化、柔性結(jié)構(gòu)和剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)等創(chuàng)新、不良地質(zhì)環(huán)境隧道新奧法模式化施工以來(lái)，我國(guó)橋隧建設(shè)發(fā)展很快，但也暗藏著不少質(zhì)量與事故隱患。雖然國(guó)家在安全生產(chǎn)方面做了大量工作，建立了許多制度，也采取了不少措施，但始終沒(méi)有遏制工程結(jié)構(gòu)破壞事故的發(fā)生。究其原因，尚有深層次的力學(xué)理論問(wèn)題（尤其是結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)、力的合理傳遞或轉(zhuǎn)移及其路徑等問(wèn)題）沒(méi)有引起足夠重視。特別是柔性結(jié)構(gòu)、剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)、不良地質(zhì)環(huán)境地下結(jié)構(gòu)等，應(yīng)該研究其力學(xué)行為、特征與規(guī)律，以及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全行為機(jī)理和安全保障措施。國(guó)家層面（如科研院校、建設(shè)部、鐵道部、交通部、安監(jiān)局等）加強(qiáng)研究，修訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確保新建和加固工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量與壽命，防止出現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)和施工符合標(biāo)準(zhǔn)但隱含穩(wěn)定平衡不足或風(fēng)險(xiǎn)，避免類似問(wèn)題周期性發(fā)生。對(duì)于復(fù)雜環(huán)境與結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用整體控制與細(xì)節(jié)把握，圍繞目標(biāo)（穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)）的過(guò)程控制（荷載多變性與結(jié)構(gòu)塑性變形、脆性斷裂、積累損傷、腐蝕環(huán)境等耦合；柔性、剛性組合結(jié)構(gòu)、不良地質(zhì)環(huán)境與力的合理傳遞或轉(zhuǎn)移路徑相協(xié)調(diào)等）方法來(lái)解決結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受力路徑與實(shí)際受力路徑全過(guò)程相同問(wèn)題，確保柔性結(jié)構(gòu)、剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)、不良地質(zhì)環(huán)境地下結(jié)構(gòu)等全過(guò)程安全問(wèn)題。
事實(shí)上，工程結(jié)構(gòu)安全事故，既有建設(shè)質(zhì)量問(wèn)題，更有工程結(jié)構(gòu)建造和使用全過(guò)程的受力是否安全的設(shè)計(jì)理念問(wèn)題。猶如人的猝死，外因是誘導(dǎo)因素，身體本身的毛病才是根本因素。合理的結(jié)構(gòu)是工程安全的根本。世界各國(guó)多見(jiàn)柔性結(jié)構(gòu)和剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)生垮塌和不良地質(zhì)環(huán)境地下結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中發(fā)生坍塌事故。分析橋梁和地下結(jié)構(gòu)安全與垮塌事故的原因，可以發(fā)現(xiàn)，如果橋梁剛度較大，不產(chǎn)生有害變形，能夠滿足功能合理轉(zhuǎn)換和力的合理傳遞，則橋梁安全；而部分橋梁剛度過(guò)小，使用過(guò)程中易產(chǎn)生局部的有害變形，甚至引起橋梁垮塌事故。地下結(jié)構(gòu)安全也完全類似，應(yīng)該滿足圍巖穩(wěn)定和開(kāi)挖建設(shè)過(guò)程中力合理轉(zhuǎn)移。猶如老人小孩容易摔跤，而青壯年人有恢復(fù)能力，不容易摔跤一樣，俗稱“自力、控變、防摔（塌）”。工程結(jié)構(gòu)安全事故頻發(fā)的深層次原因是：目前工程結(jié)構(gòu)建設(shè)規(guī)范只規(guī)定了力的關(guān)系、力與變形的關(guān)系，但沒(méi)有全面規(guī)定變形協(xié)調(diào)關(guān)系。為滿足工程實(shí)踐要求，應(yīng)修改現(xiàn)有變形不完善的規(guī)定，以確保工程結(jié)構(gòu)安全。
1、工程結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的力學(xué)關(guān)系與總體思路
從總體上看工程結(jié)構(gòu)構(gòu)造與力變形相關(guān)性的實(shí)際應(yīng)用，合理的工程結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足三個(gè)關(guān)系：①三維力學(xué)穩(wěn)定平衡、②三維力與變形協(xié)調(diào)、③三維變形穩(wěn)定與協(xié)調(diào)。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究了關(guān)系①、關(guān)系②和關(guān)系③的專門問(wèn)題應(yīng)用研究，則工程結(jié)構(gòu)體系的傳統(tǒng)力學(xué)平衡方程是不變的；而合理結(jié)構(gòu)應(yīng)該系統(tǒng)研究關(guān)系①、關(guān)系②和關(guān)系③對(duì)關(guān)系①、關(guān)系②的影響，則當(dāng)變形不協(xié)調(diào)時(shí)，會(huì)改變結(jié)構(gòu)體系力的合理傳遞或轉(zhuǎn)移路徑，使得設(shè)計(jì)狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)不一致，其力學(xué)平衡方程在實(shí)際施工和使用過(guò)程中是變化的，只有采用合理的結(jié)構(gòu)和有效的過(guò)程控制，保障結(jié)構(gòu)體系變形協(xié)調(diào)，才能最終確保結(jié)構(gòu)體系處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)需要解決不同構(gòu)件、不同材料組合結(jié)構(gòu)中變形協(xié)調(diào)性并防止力和變形突變。雖然力的平衡與變形協(xié)調(diào)是經(jīng)典的力學(xué)概念，但由于以往的工程結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、材料使用也相對(duì)單一，變形協(xié)調(diào)問(wèn)題不突出，沒(méi)有在工程實(shí)踐中得到充分的重視，實(shí)際應(yīng)用中有成功也有迷茫，例如建于1173年意大利比薩斜塔，由于地基不均勻變形，塔身慢慢傾斜，多次工程措施才逐漸得到控制；2012年4月邀請(qǐng)德國(guó)和日本專家談工程結(jié)構(gòu)安全歷史，他們都說(shuō)工業(yè)革命初期工程結(jié)構(gòu)也存在許多安全風(fēng)險(xiǎn)，逐步修改了不合理結(jié)構(gòu)構(gòu)造，才達(dá)到現(xiàn)在的安全水平。目前伴隨新材料的使用和結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新發(fā)展，結(jié)構(gòu)組合體系的變形協(xié)調(diào)問(wèn)題日益突出，再也不能簡(jiǎn)單地停留在力學(xué)概念上，而是需要從認(rèn)知、設(shè)計(jì)與建造過(guò)程等各方面去完整把握變形協(xié)調(diào)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，確保結(jié)構(gòu)體系內(nèi)部初始應(yīng)力和附加荷載的合理轉(zhuǎn)移或傳遞，在力的重新分配過(guò)程中不產(chǎn)生產(chǎn)生有害變形或局部破壞，維持結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。分析已有研究結(jié)果，目前對(duì)變形協(xié)調(diào)問(wèn)題主要限于力與變形協(xié)調(diào)、變形穩(wěn)定與協(xié)調(diào)的理論探索及專門問(wèn)題的應(yīng)用研究，例如研究累積損傷和穩(wěn)定等。就全面解決結(jié)構(gòu)受力安全的需要，應(yīng)該從工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，系統(tǒng)地研究維持力與變形協(xié)調(diào)、變形穩(wěn)定與協(xié)調(diào)的合理工程結(jié)構(gòu)或措施，以及研究減少或消除因不滿足變形穩(wěn)定與協(xié)調(diào)對(duì)力與變形協(xié)調(diào)的不利影響。雖然在設(shè)計(jì)上滿足三維力學(xué)穩(wěn)定平衡關(guān)系，但非協(xié)調(diào)變形的局部破壞可能發(fā)生積累效應(yīng)，最終會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的破壞。也就是說(shuō)，應(yīng)重點(diǎn)研究維持三維變形穩(wěn)定與協(xié)調(diào)的合理工程結(jié)構(gòu)或措施，確保滿足三維力學(xué)穩(wěn)定平衡，或滿足三維力與變形協(xié)調(diào)直至確保滿足三維力學(xué)穩(wěn)定平衡，否則結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生力的重新分配或不合理轉(zhuǎn)移，改變甚至破壞結(jié)構(gòu)體系原有或設(shè)計(jì)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，形成新的設(shè)計(jì)上沒(méi)有考慮到的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，這些風(fēng)險(xiǎn)因素或在結(jié)構(gòu)安全范圍之內(nèi)、或使結(jié)構(gòu)帶病害或裂縫工作、或使結(jié)構(gòu)施工或運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)不可控和安全沒(méi)有保障。即關(guān)系③直接影響關(guān)系①；或通過(guò)影響關(guān)系②，最終影響關(guān)系①。也就是說(shuō)，工程結(jié)構(gòu)體系的傳統(tǒng)力學(xué)平衡方程是不變的，而當(dāng)變形不協(xié)調(diào)時(shí)其力學(xué)平衡方程在實(shí)際施工和使用過(guò)程中是變化的，只有采用合理的結(jié)構(gòu)和有效的過(guò)程控制，保障結(jié)構(gòu)體系變形協(xié)調(diào)，才能最終確保結(jié)構(gòu)體系處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。這是一種普遍關(guān)系，既聯(lián)系結(jié)構(gòu)體系研究中傳統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定、疲勞、耐久性等力學(xué)問(wèn)題，又聯(lián)系結(jié)構(gòu)體系力的傳遞、轉(zhuǎn)移、重新分配、荷載路徑多變性、防止誘發(fā)新的附加荷載、防止出現(xiàn)平衡關(guān)系重建的不確定性等新的力學(xué)問(wèn)題，有利于解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定平衡問(wèn)題，防止出現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)和施工符合標(biāo)準(zhǔn)但隱含穩(wěn)定平衡不足或風(fēng)險(xiǎn)。猶如牛頓力學(xué)適用有限物體低速運(yùn)動(dòng)范圍，后來(lái)適應(yīng)新的需要發(fā)展出量子力學(xué)和相對(duì)論等。在工程實(shí)踐過(guò)程中，解決不同工程結(jié)構(gòu)滿足三個(gè)關(guān)系的形式亦不相同，具體表現(xiàn)為三個(gè)層面：
第一層面：關(guān)系①可由牛頓力學(xué)、有限元等理論解決；關(guān)系②由虎克定律、本構(gòu)關(guān)系等理論解決；對(duì)于簡(jiǎn)單問(wèn)題關(guān)系③認(rèn)定已解決或自然滿足（對(duì)應(yīng)類似“蘋果落地點(diǎn)預(yù)測(cè)”等相對(duì)簡(jiǎn)單成熟工程問(wèn)題）；而對(duì)于復(fù)雜問(wèn)題關(guān)系③不一定滿足或難于解決（對(duì)應(yīng)類似“樹(shù)葉落地點(diǎn)預(yù)測(cè)”等相對(duì)復(fù)雜的新型工程問(wèn)題）。第二層面：構(gòu)件之間或非均勻構(gòu)件內(nèi)部或組合變形不協(xié)調(diào)問(wèn)題，可能會(huì)產(chǎn)生兩方面現(xiàn)象：⑴功能不能合理轉(zhuǎn)換、⑵力不能合理傳遞或轉(zhuǎn)移?？赡軐?dǎo)致兩種結(jié)果：⑴在重復(fù)荷載作用下會(huì)加速結(jié)構(gòu)或構(gòu)件積累損傷過(guò)程，甚至引起結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞；⑵工程結(jié)構(gòu)受力全過(guò)程存在安全隱患甚至引起結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞或破壞前變形出現(xiàn)突變過(guò)程的類似結(jié)構(gòu)分支點(diǎn)失穩(wěn)破壞形式，這種破壞形態(tài)往往難于監(jiān)控預(yù)警。
第三層面：⑴傳統(tǒng)力與變形關(guān)系的解決辦法：關(guān)系①+關(guān)系②（認(rèn)定關(guān)系③自然滿足，只適用于類似“蘋果落地點(diǎn)預(yù)測(cè)”等相對(duì)簡(jiǎn)單成熟工程問(wèn)題）；⑵改進(jìn)力與變形協(xié)調(diào)關(guān)系的綜合解決辦法：關(guān)系①+關(guān)系②+關(guān)系③，特別是柔性結(jié)構(gòu)、剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)、不良地質(zhì)環(huán)境地下結(jié)構(gòu)等，采用整體控制與細(xì)節(jié)把握，圍繞目標(biāo)（穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)）的過(guò)程控制（積累損傷、力的合理傳遞或轉(zhuǎn)移路徑等）方法解決結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)問(wèn)題，把類似“樹(shù)葉落地點(diǎn)預(yù)測(cè)”等相對(duì)復(fù)雜新型工程問(wèn)題，轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃?ldquo;蘋果落地點(diǎn)預(yù)測(cè)”的相對(duì)簡(jiǎn)單成熟工程問(wèn)題，才能簡(jiǎn)單有效利用傳統(tǒng)解決方法去解決類似“樹(shù)葉落地點(diǎn)預(yù)測(cè)”的相對(duì)復(fù)雜新型工程問(wèn)題。
“正確的路線確定之后，干部就是決定的因素”。首先需要正確的思想路線為指導(dǎo)，但不能止于此，更需要實(shí)施行動(dòng)的人。工程應(yīng)用中應(yīng)該堅(jiān)持正確的理論（即結(jié)構(gòu)體系中力與變形滿足三個(gè)關(guān)系，尤其是規(guī)范變形協(xié)調(diào)），更需要研究具體的工程措施，達(dá)到實(shí)踐中能夠符合正確理論的要求。
雖然理論上設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定平衡狀態(tài)，但在實(shí)際施工或使用過(guò)程中，可能因某些假設(shè)與實(shí)際情況的差異，導(dǎo)致建造的結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)，造成力不能按照設(shè)計(jì)的方式合理傳遞或功能不能合理轉(zhuǎn)換，其結(jié)果可能使得設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)失去原有的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，出現(xiàn)設(shè)計(jì)中未研究過(guò)的新平衡狀態(tài)，造成結(jié)構(gòu)在實(shí)際施工或使用過(guò)程中產(chǎn)生工程風(fēng)險(xiǎn)或累積損傷，影響結(jié)構(gòu)安全或使用。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須研究“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”互補(bǔ)問(wèn)題，控制結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)力的合理傳遞或轉(zhuǎn)移，真正達(dá)到設(shè)計(jì)合理，以滿足全過(guò)程（全壽命）穩(wěn)定平衡的目的。具體工程實(shí)踐中，在符合正確的整體或戰(zhàn)略概念的前提下，可采用已有的技術(shù)或計(jì)算方法達(dá)成目標(biāo)。
2、改進(jìn)力與變形協(xié)調(diào)關(guān)系-解決結(jié)構(gòu)累積損傷與變形突變問(wèn)題
確保“力、變形、能量”按設(shè)計(jì)路徑傳遞及方式轉(zhuǎn)化是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全的基本要求，也是維持設(shè)計(jì)形式不產(chǎn)生有害過(guò)程的基礎(chǔ)。根據(jù)實(shí)際情況，可以從“力、變形、能量”三要素中的一個(gè)或幾個(gè)要素控制工程結(jié)構(gòu)行為。結(jié)構(gòu)的“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”，不僅需要目標(biāo)控制，更需要圍繞目標(biāo)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全合理的過(guò)程控制，否則結(jié)構(gòu)就會(huì)不穩(wěn)定或破壞。
對(duì)于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，基于成熟的構(gòu)造措施以及經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證合理的變形假定，一般能夠解決變形協(xié)調(diào)問(wèn)題。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，工法與構(gòu)造創(chuàng)新雖然克服了大部分連接的可靠性問(wèn)題，但是構(gòu)件之間或非均勻構(gòu)件內(nèi)部是否滿足變形協(xié)調(diào)的問(wèn)題就不易把握或不一定滿足，對(duì)此問(wèn)題以往沒(méi)有得到足夠的重視，有時(shí)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂或不利變形甚至結(jié)構(gòu)破壞。
（1）疲勞引起的結(jié)構(gòu)累積損傷問(wèn)題
受重復(fù)荷載作用，在高應(yīng)力、應(yīng)力集中、大變形構(gòu)件、變形不協(xié)調(diào)構(gòu)件組合等情況下，結(jié)構(gòu)處于非完全彈性狀態(tài)，外力做功除轉(zhuǎn)換為彈性應(yīng)變能外，還產(chǎn)生其他形式的能量（例如熱能：受拉桿件斷口發(fā)熱等），就會(huì)由因材料疲勞引起結(jié)構(gòu)累積損傷，最后造成強(qiáng)度破壞，影響結(jié)構(gòu)使用壽命，猶如人的過(guò)勞死，長(zhǎng)期高強(qiáng)度勞動(dòng)會(huì)影響人的健康和壽命。因此單純用靜力分析很難說(shuō)明為什么許多中小跨度橋梁在超載車輛作用下會(huì)突然垮塌，需要結(jié)合疲勞引起的累積損傷進(jìn)行分析。
?。?）部分結(jié)構(gòu)受力與變形出現(xiàn)突變問(wèn)題
當(dāng)結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)時(shí)，結(jié)構(gòu)雖然平衡但狀態(tài)不同。即結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)加速度a=0，而結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)速度、位移可以是v=0、s=0；也可以是v=v1、s=s1；…或是v=vn、s=sn。這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)（特別是柔性結(jié)構(gòu)）會(huì)改變力的合理傳遞路徑，或產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力甚至超過(guò)荷載內(nèi)力，那么結(jié)構(gòu)就可能出現(xiàn)開(kāi)裂或破壞，而處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。
結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)時(shí)，重復(fù)荷載作用、外力做功較大或結(jié)構(gòu)處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)，可能會(huì)使結(jié)構(gòu)受力與變形進(jìn)入突變階段。結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，即可能產(chǎn)生類似結(jié)構(gòu)分支點(diǎn)失穩(wěn)問(wèn)題（難于監(jiān)控預(yù)警），應(yīng)該提前加以防范或通過(guò)加固改造變?yōu)楹侠斫Y(jié)構(gòu)，使其破壞前有明顯的變形過(guò)程，易于監(jiān)測(cè)預(yù)警，即轉(zhuǎn)為類似結(jié)構(gòu)極值點(diǎn)失穩(wěn)問(wèn)題（能監(jiān)控預(yù)警）。
當(dāng)工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的變形不協(xié)調(diào)時(shí)，結(jié)構(gòu)體系受力方式將發(fā)生變化，力的傳遞或轉(zhuǎn)移路徑亦會(huì)出現(xiàn)變化，可能會(huì)在某些部位出現(xiàn)不應(yīng)有的應(yīng)力集中或受力方式（如拉壓得改變），破壞結(jié)構(gòu)體系原有或設(shè)計(jì)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，形成新的設(shè)計(jì)沒(méi)有研究的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，這些風(fēng)險(xiǎn)因素或在結(jié)構(gòu)安全范圍之內(nèi)、或使結(jié)構(gòu)帶病害或裂縫工作、或使結(jié)構(gòu)施工或運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)不可控和安全沒(méi)有保障。
?。?）橋梁事故案例分析
統(tǒng)計(jì)近年發(fā)生事故的橋梁類型歸納為簡(jiǎn)支板梁、組合拱橋、剛架橋等，均屬于柔性結(jié)構(gòu)、剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)，由于這類結(jié)構(gòu)常常處于彈塑性階段，受力過(guò)程不具有疊加性，而與應(yīng)力路徑有關(guān)，恰恰汽車重復(fù)荷載路徑多變性不像火車或工業(yè)吊車重復(fù)荷載路徑相對(duì)穩(wěn)定，這樣柔性結(jié)構(gòu)、剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)在汽車重復(fù)荷載作用下橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力可能很不相同，容易產(chǎn)生積累損傷，降低橋梁使用壽命，可能導(dǎo)致橋梁提前損壞或破壞，就存在行車安全風(fēng)險(xiǎn)。而火車或工業(yè)吊車重復(fù)荷載橋梁設(shè)計(jì)規(guī)定在彈性階段工作，設(shè)計(jì)應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力基本相同，行車安全風(fēng)險(xiǎn)較??；例如：20m標(biāo)準(zhǔn)板梁自重26t，而汽車最大規(guī)定重量55t，每塊板承受27.5t（1/2）, 行車安全風(fēng)險(xiǎn)較大，特別是超載影響更大；著名橋梁工程師茅以升主持設(shè)計(jì)和施工的錢塘江大橋?yàn)榻?jīng)典成熟的鋼桁梁橋，由結(jié)構(gòu)剛度控制，安全度有富余、材料質(zhì)量穩(wěn)定、基本處于彈性工作狀態(tài)，行車安全風(fēng)險(xiǎn)也較小。
3、改進(jìn)力與變形協(xié)調(diào)關(guān)系-解決不良地質(zhì)環(huán)境安全隱患問(wèn)題
在軟弱不良地質(zhì)環(huán)境條件下，地下工程建造和使用全過(guò)程存在安全隱患甚至引起工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞，改進(jìn)力與變形協(xié)調(diào)關(guān)系尤為重要。
?。?）理論繼承與借鑒改進(jìn)
在地下工程建設(shè)中，傳統(tǒng)“松弛荷載理論”和現(xiàn)代“巖承理論”是在解決特定地下工程建設(shè)問(wèn)題過(guò)程中提出的一般理論，實(shí)際應(yīng)用中有成功也有迷茫。
地下工程建設(shè)理論的共同價(jià)值是“充分發(fā)揮圍巖的自承能力”與 “基本維持圍巖的原始狀態(tài)”，達(dá)到“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”互補(bǔ)，就能維持地下工程圍巖穩(wěn)定，保證地下工程開(kāi)挖卸載的合理轉(zhuǎn)移，而不產(chǎn)生有害的圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞，使得需要的支護(hù)抗力盡可能小，才能符合支護(hù)能量最小原理的理念。地下工程開(kāi)挖過(guò)程中形成新的臨空面，改變圍巖的自然應(yīng)力平衡狀態(tài)，產(chǎn)生應(yīng)力重分布。在力的轉(zhuǎn)移過(guò)程中，圍巖變形和局部破壞，都將影響力的轉(zhuǎn)移路徑。而圍巖的破壞是不可逆過(guò)程，如果不能合理控制圍巖重分布應(yīng)力的轉(zhuǎn)移路徑，就會(huì)引起局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致圍巖在施工過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)量的破壞區(qū)，甚至出現(xiàn)安全隱患。對(duì)于不良地質(zhì)條件, 地下工程開(kāi)挖支護(hù)方式不同，圍巖變形特征和力的轉(zhuǎn)移路徑就不同，合理開(kāi)挖支護(hù)方案非常重要，有利于達(dá)到力的合理轉(zhuǎn)移和結(jié)構(gòu)受力安全。
根據(jù)地質(zhì)環(huán)境特殊性，從結(jié)構(gòu)與工法等設(shè)計(jì)來(lái)控制開(kāi)挖過(guò)程中圍巖應(yīng)力合理轉(zhuǎn)移路徑，選擇合理施工工法和過(guò)程控制措施，確保施工全過(guò)程“基本維持圍巖的原始狀態(tài)”，不出現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移過(guò)程中的應(yīng)力集中導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)局部有危害性的破壞，達(dá)到“自力、控變、防塌”目標(biāo)。因此，需要合理控制開(kāi)挖步驟和支護(hù)方式及時(shí)機(jī)，達(dá)到“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”狀態(tài)，有效發(fā)揮圍巖和支護(hù)系統(tǒng)的整體承載能力，確保地下工程施工過(guò)程安全。
?。?）地下工程平衡穩(wěn)定理論是“松散荷載理論”和“巖承理論”的繼承與發(fā)展
“松弛荷載理論”曾經(jīng)產(chǎn)生過(guò)重要的影響，作為圍巖壓力的近似計(jì)算方法，應(yīng)用比較簡(jiǎn)便，在巖體破碎或淺埋隧道情況下其計(jì)算結(jié)果仍有一定的價(jià)值，至今仍在一些國(guó)家廣泛應(yīng)用。但對(duì)于圍巖偏差和偏好的情況存在工程風(fēng)險(xiǎn)和支護(hù)過(guò)度的情況。
“巖承理論”是基于圍巖位移支護(hù)特性曲線進(jìn)行圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)“充分發(fā)揮圍巖的自承能力”的目標(biāo)。圍巖位移支護(hù)特性曲線雖然解決了隧道圍巖結(jié)構(gòu)受力平衡問(wèn)題，但很難把握軟弱圍巖隧道結(jié)構(gòu)的平衡穩(wěn)定性問(wèn)題。依據(jù)“巖承理論”的新奧法源于硬巖，雖然強(qiáng)調(diào)了硬巖與軟巖應(yīng)用有區(qū)別，但在不良地質(zhì)條件下，對(duì)于類似結(jié)構(gòu)分支點(diǎn)失穩(wěn)的工程問(wèn)題，很難把握圍巖與支護(hù)共同受力平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性。因此“松弛荷載理論”荷載模式猶如抱小孩；而“巖承理論”荷載模式猶如牽小孩。
環(huán)境（物質(zhì)、水）的穩(wěn)定平衡是地下工程平衡穩(wěn)定的基礎(chǔ)，應(yīng)通過(guò)整體力學(xué)分析研究地層支護(hù)結(jié)構(gòu)組合系統(tǒng)的力學(xué)狀態(tài)與過(guò)程，用平衡穩(wěn)定理論把傳統(tǒng)“松弛荷載理論”和現(xiàn)代“巖承理論”的基本內(nèi)容有機(jī)組合起來(lái)。地下工程平衡穩(wěn)定包括兩層含義：第一、結(jié)構(gòu)受力平衡與變形協(xié)調(diào)；第二、結(jié)構(gòu)受力平衡與變形協(xié)調(diào)狀態(tài)的穩(wěn)定。
對(duì)于不良地質(zhì)條件的地下工程（基坑與隧道開(kāi)挖），施工全過(guò)程首先要研究力學(xué)“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”互補(bǔ)問(wèn)題，確保相互作用力形成合理轉(zhuǎn)移路徑；其次才考慮施工便利與經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。
（1）對(duì)于不良地質(zhì)條件，地下工程設(shè)計(jì)與施工。首先，應(yīng)初步分析開(kāi)挖過(guò)程中巖土體變形規(guī)律，采用合理開(kāi)挖支護(hù)方式，做到整體控制；然后，按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)和施工，落實(shí)目標(biāo)控制和過(guò)程控制及細(xì)節(jié)把握；同時(shí)，施工中堅(jiān)持動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工，及時(shí)修正設(shè)計(jì)和施工方案，控制變形和力的合理轉(zhuǎn)移路徑，確保地下工程施工安全。
?。?）動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工是有條件的，應(yīng)當(dāng)引起業(yè)界重視。前提是把握變形規(guī)律，采用合理開(kāi)挖支護(hù)方式，基本確保力的合理轉(zhuǎn)移路徑；其次是根據(jù)地質(zhì)和施工情況，及時(shí)修正設(shè)計(jì)和施工方案。如果對(duì)圍巖的基本特性沒(méi)有正確認(rèn)識(shí)，過(guò)分地依賴動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工，就可能出現(xiàn)工程災(zāi)害。正像抱嬰幼兒一樣，由于嬰幼兒本身變形控制能力不足，開(kāi)始就必須認(rèn)識(shí)到要摟著屁股抱著腰，在抱的過(guò)程中逐漸調(diào)整手的位置，使嬰幼兒舒適安全，否則會(huì)使嬰幼兒受傷。
（3）基坑施工事故案例分析
目前城市地鐵車站或地下車庫(kù)等工程建設(shè)中，大部分工程進(jìn)展順利、質(zhì)量安全良好，但也存在部分工程失效或出現(xiàn)安全事故問(wèn)題。調(diào)查發(fā)現(xiàn)的基本現(xiàn)象：在不良軟弱地質(zhì)環(huán)境下，凡是地下基坑開(kāi)挖工藝與支護(hù)結(jié)構(gòu)合理，使得圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用受力平衡狀態(tài)處于穩(wěn)定，工程進(jìn)展順利、質(zhì)量安全良好；大量破壞現(xiàn)象的發(fā)生則是由于不滿足整體穩(wěn)定平衡。如圖1（a）所示，由于在建地下車庫(kù)邊墻失穩(wěn)，土體變形改變了原來(lái)結(jié)構(gòu)荷載向下傳遞的作用力方向，形成向下和側(cè)向并存的作用力，又受堆填土側(cè)向力作用，即使沒(méi)有堆填土側(cè)向力作用，PHC管柱抗側(cè)傾能力低等也會(huì)導(dǎo)致房屋倒塌，其核心是巖土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)組合體系缺乏足夠的變形協(xié)調(diào)能力（即支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和防止底部失穩(wěn)突泥），共同控制巖土變形防止出現(xiàn)新的受力狀態(tài)（即使設(shè)計(jì)狀態(tài)受力與實(shí)際狀態(tài)受力相同）。圖1（b）所示的在建地下基坑同樣處于不良軟弱地質(zhì)環(huán)境和旁邊高樓林立，施工過(guò)程中開(kāi)挖工藝與支護(hù)結(jié)構(gòu)合理，基坑邊墻穩(wěn)定確保了原來(lái)向下作用力轉(zhuǎn)移路徑和原始相互作用力狀態(tài)，保證了附近房屋的穩(wěn)定與安全。
圖1 基坑開(kāi)挖導(dǎo)致房屋倒塌與合理開(kāi)挖支護(hù)保證附近房屋穩(wěn)定與安全
4、近12年研究團(tuán)隊(duì)的成功實(shí)踐
因?yàn)楣こ毯奢d路徑多變性或誘發(fā)新的附加荷載、結(jié)構(gòu)體系力的重新分配或轉(zhuǎn)移等與結(jié)構(gòu)的塑性變形、脆性斷裂、積累損傷、環(huán)境腐蝕等耦合，使工程結(jié)構(gòu)（特別是標(biāo)準(zhǔn)梁）的分析計(jì)算結(jié)果具有較大的不確定性。柔性結(jié)構(gòu)與剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)、不良地質(zhì)環(huán)境等條件下，力的合理傳遞或轉(zhuǎn)移路徑控制與變形協(xié)調(diào)控制等問(wèn)題十分復(fù)雜。所以，實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)最好基本處于彈性階段，保持變形協(xié)調(diào)和設(shè)計(jì)受力路徑與實(shí)際受力路徑全過(guò)程相同，使求解的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，保證工程結(jié)構(gòu)的安全可靠。
在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算過(guò)程中應(yīng)該謹(jǐn)記如下兩點(diǎn)：①工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要把握好兩個(gè)前提條件，即在全面分析結(jié)構(gòu)體系力學(xué)規(guī)律前提下，合理結(jié)構(gòu)和過(guò)程控制（避免積累損傷、保證力的傳遞或轉(zhuǎn)移路徑合理等），才能解決結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)問(wèn)題，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受力路徑與實(shí)際受力路徑全過(guò)程相同；②力學(xué)分析軟件合理應(yīng)用的前提條件是要建立正確的計(jì)算模型，模型應(yīng)能夠反映結(jié)構(gòu)建造和使用的實(shí)際過(guò)程。分析計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到有塑性破壞或積累損傷時(shí)的結(jié)構(gòu)受力與應(yīng)力路徑有關(guān)，不滿足線彈性力學(xué)分析的應(yīng)力疊加原理。如果分析計(jì)算忽略結(jié)構(gòu)建造和使用過(guò)程中的某些重要環(huán)節(jié)，就可能忽略局部塑性變形或積累損傷對(duì)最終計(jì)算結(jié)果的影響。當(dāng)前分析軟件應(yīng)用存在的主要問(wèn)題是人們只與友好的軟件界面溝通，缺乏分析過(guò)程的基本力學(xué)原理的把握，因此在實(shí)際培訓(xùn)和應(yīng)用軟件中往往忽視力學(xué)模型合理構(gòu)建。這正如許多人使用了很長(zhǎng)時(shí)間的傻瓜相機(jī)拍照，卻不了解光圈、速度和感光度的配置要求，在良好光照條件下不會(huì)出現(xiàn)拍攝問(wèn)題，但在不良光照條件下，就會(huì)導(dǎo)致照片不清晰等問(wèn)題。
不注意應(yīng)力傳遞或轉(zhuǎn)移路徑的正確把握，可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力與結(jié)構(gòu)實(shí)際受力很不相同，導(dǎo)致施工和使用中隱含安全風(fēng)險(xiǎn)。
（1）在寧波市交通委員會(huì)大力支持下，寧波市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司等單位在以下橋梁工程上根據(jù)研究成果進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)：采用合理結(jié)構(gòu)構(gòu)造和合理配筋的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁。
（1.1）海鹽大橋
海鹽大橋主橋布跨為45＋70＋45m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，橋梁全寬27m，該橋于2000年4月開(kāi)工，2001年10月完工，十年來(lái)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，使用情況良好。見(jiàn)下圖：
?。?.2）梅山大橋
梅山大橋主橋布跨為75+130+75m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，上下行分幅布置，單幅橋梁寬度13.55m，該橋于2008年3月開(kāi)工，2010年5月完工，2年來(lái)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，使用情況非常好。見(jiàn)下圖：
?。?.3）舟山大陸連島工程寧波連接線
本項(xiàng)目路線總長(zhǎng)4.143公里，設(shè)置主線高架橋全長(zhǎng)3.845km/1座，與寧波繞城高速公路相交的蛟川樞紐互通立交1處，主線收費(fèi)站1處。主線高架橋橋梁寬度26m，主線高架橋采整體式等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，標(biāo)準(zhǔn)跨徑30m，該工程于2007年12月開(kāi)工，2009年11月完工，2年多來(lái)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，使用情況非常好。見(jiàn)下圖：
?。?）不良地質(zhì)環(huán)境地下工程的合理開(kāi)挖支護(hù)措施
對(duì)于不良地質(zhì)條件, 地下工程開(kāi)挖支護(hù)方式不同，變形特征與卸載方式和力的轉(zhuǎn)移路徑就不同，合理開(kāi)挖支護(hù)方案非常重要，有利于達(dá)到力的合理轉(zhuǎn)移路徑和結(jié)構(gòu)受力與安全。
十八跳隧道位于浙皖交界附近，為一座越嶺隧道，全長(zhǎng)為1160m，凈寬10.5m，凈高5m，拱頂凈高6.98m。隧址區(qū)屬侵蝕山嶺地貌，植被發(fā)育，沿軸線地形起伏大。區(qū)內(nèi)主要分布有古生代寒武系地層，依次是荷塘組炭質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、硅質(zhì)泥巖，楊柳崗組泥質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)泥巖、條帶狀灰?guī)r和華嚴(yán)寺組白云質(zhì)條帶灰?guī)r及第四系覆蓋層和巖脈侵入體。2001年5月隧道施工到K30+359遇到擠壓破碎帶，并出現(xiàn)拱頂局部坍塌，采用小管棚短臺(tái)階法控制開(kāi)挖過(guò)程應(yīng)力轉(zhuǎn)移路徑，防止圍巖局部破壞，保障了隧道建造獲得成功。西灣隧道、海游連拱隧道等施工也是一樣。
在浙江大成建設(shè)有限公司大力支持下，2008年6月杭州地鐵九堡站基坑施工過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)局部軟弱土體改變了原來(lái)向下作用力轉(zhuǎn)移路徑現(xiàn)象，采用現(xiàn)澆基坑圈梁并焊接原橫撐鋼管等合理結(jié)構(gòu)構(gòu)造，確保支撐體系穩(wěn)定，避免發(fā)生基坑坍塌事故。2011年杭州市地鐵1號(hào)線城湖區(qū)間為雙線單圓盾構(gòu)區(qū)間8號(hào)盾構(gòu)施工效果良好。
?。?）結(jié)構(gòu)體系中變形協(xié)調(diào)對(duì)力的合理傳遞或轉(zhuǎn)移和力的重新分配等影響
非常必要全面系統(tǒng)從工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)研究維持力與變形協(xié)調(diào)、變形穩(wěn)定與協(xié)調(diào)的合理工程結(jié)構(gòu)或措施，以及研究減少或消除變形穩(wěn)定與協(xié)調(diào)對(duì)力與變形協(xié)調(diào)的不利影響。雖然在設(shè)計(jì)上滿足三維力學(xué)穩(wěn)定平衡關(guān)系，但非協(xié)調(diào)變形的局部破壞可能發(fā)生積累效應(yīng)，最終會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的破壞。也就是說(shuō)，應(yīng)重點(diǎn)研究維持三維變形穩(wěn)定與協(xié)調(diào)的合理工程結(jié)構(gòu)或措施，確保滿足三維力學(xué)穩(wěn)定平衡、或滿足三維力與變形協(xié)調(diào)直至確保滿足三維力學(xué)穩(wěn)定平衡，否則結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程在可能會(huì)產(chǎn)生力的重新分配或轉(zhuǎn)移，改變甚至破壞結(jié)構(gòu)體系原有或設(shè)計(jì)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，形成新的設(shè)計(jì)上沒(méi)有考慮到的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，這些風(fēng)險(xiǎn)因素或在結(jié)構(gòu)安全范圍之內(nèi)、或使結(jié)構(gòu)帶病害或裂縫工作、或使結(jié)構(gòu)施工或運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)不可控和安全沒(méi)有保障。
?。?.1）深埋涵洞受力影響分析
從圖a可知：由于涵洞剛度大于路基剛度，涵洞設(shè)計(jì)荷載呈矩形分布小于涵洞實(shí)際荷載呈類似倒梯形分布，淺埋涵洞超額受力在安全范圍之內(nèi)；深埋涵洞超額受力會(huì)導(dǎo)致涵洞開(kāi)裂。
從圖b可知：由于涵洞上填一定厚度輕質(zhì)材料，則涵洞與輕質(zhì)材料組合體系剛度小于路基剛度，涵洞設(shè)計(jì)荷載呈矩形分布大于涵洞實(shí)際荷載類似塌落體分布，上部荷載轉(zhuǎn)移給路基承擔(dān)，這樣不管淺埋或深埋涵洞受力都在安全范圍之內(nèi)，涵洞不會(huì)開(kāi)裂。
?。?.2）路面、路床受力影響分析
從圖c可知：當(dāng)路面各層剛度合理和變形協(xié)調(diào)時(shí)，則汽車輪胎荷載在路面各層呈類似梯形分布，這樣路面各層按均布荷載層狀彈性平板結(jié)構(gòu)受力分析；但是，當(dāng)上或中面層剛度小于貨車輪胎剛度時(shí)，則汽車輪胎荷載在上或中面層呈類似剪切矩形集中分布，上面層容易產(chǎn)生車轍，中面層容易產(chǎn)生剪切損壞；當(dāng)路床填料不均勻，則路床容易產(chǎn)生變形不協(xié)調(diào)，路床的局部不均勻沉降會(huì)對(duì)基層和底基層產(chǎn)生較大的附加彎拉應(yīng)力。這樣基層受力不是均布荷載層狀彈性平板結(jié)構(gòu)受力，而是呈類似彈性基礎(chǔ)平板受力， 基層更容易產(chǎn)生彎拉開(kāi)裂損壞。
（3.3）不良地質(zhì)環(huán)境隧道、基坑、邊坡等結(jié)構(gòu)體系受力影響分析
當(dāng)不良地質(zhì)環(huán)境隧道、基坑、邊坡等結(jié)構(gòu)體系合理并在設(shè)計(jì)和施工全過(guò)程中開(kāi)挖支護(hù)方法合理，控制好變形協(xié)調(diào)，確保力的合理轉(zhuǎn)移，則其結(jié)構(gòu)體系受力影響基本符合設(shè)計(jì)荷載；但是，當(dāng)不良地質(zhì)環(huán)境隧道、基坑、邊坡等結(jié)構(gòu)體系不合理或在設(shè)計(jì)和施工全過(guò)程中開(kāi)挖支護(hù)方法不合理，造成結(jié)構(gòu)體系變形不協(xié)調(diào)和力不能合理轉(zhuǎn)移時(shí)，則其結(jié)構(gòu)體系承擔(dān)的重新分配或轉(zhuǎn)移或誘發(fā)新的附加荷載可能大于或遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基本設(shè)計(jì)荷載（例如某高速新昌滑坡和某地鐵湘湖深基坑等由于前期處理不當(dāng)導(dǎo)致坍塌后誘發(fā)了很大新的附加荷載，造成后期處理難度增加，出現(xiàn)了平衡關(guān)系重建的不確定性問(wèn)題），這樣結(jié)構(gòu)體系施工安全就存在風(fēng)險(xiǎn)或施工安全風(fēng)險(xiǎn)不可控，并且結(jié)構(gòu)體系容易產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致了平衡關(guān)系重建的不確定性問(wèn)題。猶如體質(zhì)不好的人應(yīng)該注意保養(yǎng)和適度行為，否則過(guò)度作為容易誘發(fā)病發(fā)癥，后果很難預(yù)料。
（3.4）承擔(dān)重復(fù)荷載的柔性和剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)體系等受力影響分析
簡(jiǎn)支板梁、組合拱橋、剛架橋等均屬于柔性結(jié)構(gòu)、剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)，由于這類結(jié)構(gòu)常常處于彈塑性階段，受力過(guò)程不具有疊加性，而與應(yīng)力路徑有關(guān)，恰恰汽車重復(fù)荷載路徑多變性，這樣柔性結(jié)構(gòu)、剛?cè)峤M合結(jié)構(gòu)在汽車重復(fù)荷載作用下橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力可能很不相同，容易產(chǎn)生積累損傷，降低橋梁使用壽命，可能導(dǎo)致橋梁提前損壞或破壞，就存在行車安全風(fēng)險(xiǎn)。
