聊一聊索與桿的區別

一、索

索是一種高強度的只受拉力的結構單元。

索結構已廣泛應用於懸索和斜拉橋樑結構、高聳桅杆結構和各類大跨度建築結構中（如上圖所示）。

索單元力學模型有以下兩個基本假定:

2.索是線彈性材料。

對於較粗或較長的索,索的自重和索垂度可能對結構的工作性能影響較大, 宜採用能夠考慮索跨中自重和垂度影響的力學模型 。

索在力學分析中是沒有軸向剛度的，除非施加了預緊力，這時候就有了軸嚮應力剛度。

2、桿

桿與索最大的區別是：桿除了可以受拉外，還可以受壓。

所以，工程中常見的名詞有拉杆、壓桿和拉索，但是沒有壓索。

壓桿是工程研究的一個重點。壓桿的破壞有失穩破壞和強度破壞。

所謂強度破壞，可以假想混凝土柱受壓，一側混凝土背壓碎或一側鋼筋屈服，即為強度破壞；

所謂失穩破壞，可以假想鋼柱受壓，由於鋼柱多為細長構件，當壓力超過歐拉臨界力時，材料內部抵抗力與外力達到不穩定平衡狀態，變形開始急劇增長，其二階彎矩疊加影響從而導致構件破壞。

總之，強度破壞是應力問題，失穩破壞是變形後二階效應影響，即變形問題。

那麼，壓桿的失穩破壞和強度破壞有何不同？我將用下圖來說明。

設壓力與桿件軸線重合，當壓力逐漸增加，但小於某一極限值時，桿件一直保持直線形狀的平衡，即使用微小的側向干擾力使其暫時發生輕微彎曲(圖a)，干擾力解除後，它仍將恢復直線形狀(圖b)。這表明壓桿直線形狀的平衡是穩定的。

當壓力逐漸增加到某一極限值時，壓桿的直線平衡變為不穩定，將轉變為曲線形狀的平衡。這時如再用微小的側向干擾力使其發生輕微彎曲，干擾力解除後，它將保持曲線形狀的平衡(圖c)，不能恢復原有的直線形狀。

上述壓力的極限值稱為臨界壓力或臨界力，記為Fcr。

壓桿喪失其直線形狀的平衡而過渡為曲線平衡，稱為喪失穩定，簡稱失穩，也稱為屈曲。

桿件失穩後，壓力的微小增加將引起彎曲變形的顯著增大，桿件已喪失了承載能力。

這是因失穩造成的失效，可以導致整個構件的損壞。

細長壓桿失穩時，應力並不一定很高，可見這種形式的失效，並非強度不足，而是穩定性不夠。

桿受壓的時候容易發生失穩破壞。

桿件失穩破壞有時候會造成重大工程災難。

3、介紹幾個國內外相關的工程事故：

3.1 Quebec Bridge

位於加拿大的聖勞倫斯河之上的Quebec Bridge本該是著名設計師Theodore Cooper的一個真正有價值的不朽傑作。作為當時世界上最長跨度的鋼懸臂橋，庫帕忘乎所以地把大橋的主跨由490米延伸至550米，以此節省建造橋墩基礎的成本。

然而就在這座橋即將竣工之際，悲劇發生了。1907年8月29日，大橋桿件發生失穩，突然倒塌，19000噸鋼材和86名建橋工人落入水中，只有11人生還。由於庫帕的過分自信而忽略了對橋樑重量的精確計算，導致了一場事故。

3.2 寧波軌道交通1號線垮塌事故

2013年，寧波軌道交通1號線發生垮塌事故，寧波市軌道交通工程建設指揮部組織專家、安監、城管等部門開展了事故調查。事故原因主要是貝雷梁發生受壓局部失穩。

3.3 宜賓小南門橋

事故原因：吊杆（拉杆）斷裂

宜賓小南門橋主橋系中承式鋼筋混凝土肋拱橋，矢跨比1/5，是建橋當時國內跨徑最大的鋼筋混凝土拱橋，中部180m範圍為鋼筋混凝土連續橋面。

2001年11月7日凌晨4點，從四川南部宜賓進入雲南的咽喉要道宜賓南門大橋發生懸索及橋面斷裂事故，橋兩端同時塌陷，造成交通及市外通訊中斷。

宜賓小南門橋

事故是連接拱體和橋面預製板的4對8根鋼纜吊杆斷裂，北端長約10米、南端長20餘米的橋面預製板發生坍塌。

兩邊的斷裂處都是在主橋與引橋的結合點，恰恰也是弔橋動態與靜態的結合點。

因受力不均，一邊垮塌後，使橋面的支撐力發生波浪形擺動，造成另一邊也垮塌。

4、神奇的張拉整體結構

「張拉整體」（Tensegrity）概念是美國著名建築師富勒（R.B.Fuller）的發明，這指「張拉」（tensile）和「整體」（integrity）的縮合。

這一概念的產生受到了大自然的啟發。

富勒認為宇宙的運行是按照張拉一隻析原理進行的，即萬有引力是一個平衡的張力網，而各個星球是這個網中的一個個孤立點。

按照這個思想張拉整體結構可定義為一組不連續的受壓構件與一套連續的受拉單元組成的自支承、自應力的空間網格結構。

這種結構的剛度由受拉和受壓單元之間的平衡預應力提供，在施加預應力之前，結構幾乎沒有剛度，並且初始預應力的大小對結構的外形和結構的剛度起著決定性作用。

由於張拉整體結構固有的符合自然規律的特點，最在限度地利用了材料和截面的特性，可以用盡量少的鋼材建造超大跨度建築。

國外有視頻介紹如何簡單地去做一個張拉整體結構模型，如下所示：

5、參考文獻

【1】魏巍巍, 貢金鑫. 按我國規範的壓桿-拉杆設計方法[J]. 建築結構學報, 2008, 29(s1):287-293.

【2】張其林. 預應力結構非線性分析的索單元理論[J]. 工程力學, 1993, 10(4):93-101.