工程結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相互作用不但要滿足藝術(shù)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(yīng)物質(zhì)載體，并具有相應(yīng)傳遞或轉(zhuǎn)換途徑”，結(jié)構(gòu)“穩(wěn)定平衡與變形協(xié)調(diào)”和“外力做功有效轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)彈性應(yīng)變能”是統(tǒng)一的，變形協(xié)調(diào)又是能量法和力法結(jié)構(gòu)分析的必要條件。確保“力、變形、能量”按設(shè)計路徑傳遞及方式轉(zhuǎn)化是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全、合理的基本要求，也是維持設(shè)計形式不產(chǎn)生有害過程的基礎(chǔ)，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(jié)構(gòu)行為，一般來說用“力、能量”進行定性或定量分析結(jié)構(gòu)行為，而用 “變形”進行控制結(jié)構(gòu)行為。而確保結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)安全合理的過程控制，否則結(jié)構(gòu)就會不穩(wěn)定或破壞。牛頓力學(xué)、能量法、有限元等理論能夠解決結(jié)構(gòu)穩(wěn)定平衡問題?；⒖硕伞⒈緲?gòu)關(guān)系等理論建立了材料力與變形之間的關(guān)系。而結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)問題（即構(gòu)件內(nèi)部或構(gòu)件與構(gòu)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(jié)構(gòu)，基于成熟的構(gòu)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(fù)雜結(jié)構(gòu)而言，工法與構(gòu)造創(chuàng)新雖然克服了大部分連接可靠性問題、但是構(gòu)件之間或非均勻構(gòu)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂或不利變形甚至破壞。隨著材料性能、設(shè)備性能、分析方法、計算手段、工藝工法等進步和結(jié)構(gòu)大型復(fù)雜化與外部條件復(fù)雜化等，雖然結(jié)構(gòu)“力、變形、能量”三要素內(nèi)涵、屬性、過程是不變的，但把握復(fù)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(jié)構(gòu)行為。經(jīng)過反復(fù)模擬與試驗，做到理念和手段先進并到位，保證結(jié)構(gòu)全過程穩(wěn)定平衡和安全合理，才能推進了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)建設(shè)進程。
目前交通橋梁工程存在如下兩個問題應(yīng)該引起交通部門重視。
?。?）疲勞引起的結(jié)構(gòu)積累損傷
?。?.1）在重復(fù)荷載作用下非彈性體（例如高應(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）外力做功除有效轉(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：受拉桿件斷裂口發(fā)熱），就會由疲勞引起的結(jié)構(gòu)積累損傷，最后造成強度破壞，影響結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)彈性應(yīng)變能關(guān)系，而非彈性體除產(chǎn)生彈性應(yīng)變能外還會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)積累損傷能量引起材料劣化（見圖1）。
?。?.2）當(dāng)結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)時，結(jié)構(gòu)實際受力和能量轉(zhuǎn)換不會按設(shè)計路徑傳遞或轉(zhuǎn)換進行，這樣結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)，那么結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，但是在重復(fù)荷載作用下也會產(chǎn)生疲勞引起的結(jié)構(gòu)積累損傷，最后造成強度破壞，影響結(jié)構(gòu)使用壽命。
以上（1.1）、（1.2）種情況屬于結(jié)構(gòu)積累損傷現(xiàn)象，雖然實際結(jié)構(gòu)受力與變形沒有產(chǎn)生突變，但在重復(fù)荷載作用下的積累損傷效應(yīng)為結(jié)構(gòu)受力或變形產(chǎn)生突變埋下隱患，結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)變能不有效耗散，就會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)使用壽命。下面是某橋更換吊桿鋼索中的鋼絲掃描試驗結(jié)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(jié)構(gòu)破壞性試驗結(jié)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(fù)。
從圖5可以看出，加載初期，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)由彈性工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄怨ぷ鳡顟B(tài)，使得結(jié)構(gòu)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(guān)系。
從優(yōu)化寬幅空心板結(jié)構(gòu)破壞性試驗結(jié)果可以看出：優(yōu)化寬幅空心板結(jié)構(gòu)由于剛度偏小，在荷載較大時，結(jié)構(gòu)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。
?。?）結(jié)構(gòu)受力與變形產(chǎn)生突變
?。?.1）當(dāng)結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)時，在重復(fù)荷載作用下結(jié)構(gòu)外力做功除有效轉(zhuǎn)換為彈性應(yīng)變能外還產(chǎn)生其它能量（例如：結(jié)構(gòu)坍塌產(chǎn)生的重力勢能），結(jié)構(gòu)受力與變形會產(chǎn)生突變，使得結(jié)構(gòu)開裂、不穩(wěn)定甚至破壞（例如：①2008年汶川地震中板墻結(jié)構(gòu)或節(jié)頭不良的框架結(jié)構(gòu)；②構(gòu)造或剛度不利組合程度較高的橋梁結(jié)構(gòu)；兩者均容易發(fā)生外力做功不能有效轉(zhuǎn)換為彈性應(yīng)變能而造成開裂甚至破壞等）。
?。?.2）當(dāng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)受力與變形會產(chǎn)生突變，那么結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。
（2.3）當(dāng)結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)時，結(jié)構(gòu)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(fù)雜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)受力與變形產(chǎn)生突變階段，結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，應(yīng)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(jié)構(gòu)構(gòu)造的思想，他在《鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋建筑原理》一書中強調(diào)：“有關(guān)橋梁性能的好的構(gòu)造細節(jié)較之復(fù)雜的計算更為重要”。這樣結(jié)構(gòu)有限元分析中梁單元隱含“平截面假定”，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言，最好由“好的構(gòu)造細節(jié)”措施來保證，避免“復(fù)雜的計算”可能引起計算結(jié)果與實際結(jié)果差別很大，確保結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)鍵。
實例5：變形協(xié)調(diào)概念在具體橋隧等結(jié)構(gòu)的正反例證
實例5：變形協(xié)調(diào)在橋梁結(jié)構(gòu)伸縮裝置中的應(yīng)用
?。?）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(fēng)影響頻繁的海域，橋梁梁體在風(fēng)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(fù)，底部承壓支座損壞脫落，最終將會導(dǎo)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(yīng)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(gòu)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(yīng)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(gòu)，主動地適應(yīng)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(shù)問題。就象人的頸部有約200多塊肌肉適應(yīng)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(jié)構(gòu)損壞。
