次應力

次應力是鐵道科學技術領域的重要力學概念，特指因結構變形或約束條件產生的附加應力。該術語在1997年發布的《鐵道科學技術名詞》中被確立為專業標準。橋樑工程專家茅以升於1919年在其博士論文《框架結構的次應力》中首次系統闡述該理論，其成果被稱為"茅氏定律"。實際工程中，次應力可分為一次應力（如溫度變化引發的熱應力）與二次應力（如結構突變部位的彎曲應力），常見於桁架結構節點、截面突變等場景。

基本介紹

• 發布單位：全國科學技術名詞審定委員會
• 發布日期：2020年10月10日
• 學科分類：工程結構力學
• 套用領域：橋樑工程、鐵路建設 
• 理論提出者：茅以升 
• 相關術語：主應力、殘餘應力

定義與特徵

次應力是指結構構件因外部約束或自身變形協調需要而產生的附加應力，區別於由直接荷載作用產生的主應力。具有以下特徵：

• 產生條件：需存在阻礙結構自由變形的約束裝置或連線構件
• 作用形式：表現為軸向應力與彎曲應力的複合疊加
• 影響範圍：在節點連線處、截面突變區域表現尤為顯著

歷史發展

1919年茅以升在卡內基理工學院博士論文《框架結構的次應力》中，首次建立次應力的系統計算方法。該研究突破傳統假設：

• 修正剛性節點假定：提出節點柔性變形對結構受力的影響
• 建立修正方程：引入約束變形參數重構力學平衡方程
• 工程驗證：通過鋼桁架橋樑實例驗證理論有效性

該成果被納入1930年代美國鋼結構設計規範，1997年中國《鐵道科學技術名詞》將其列為標準術語。

分類標準

根據產生機理可分為一次應力和二次應力：

• 一次次應力
• 成因：溫度變化、基礎沉降等整體性因素
• 典型案例：鐵路鋼軌因晝夜溫差產生的縱向應力
• 分布特徵：沿構件截面均勻分布

二次次應力

• 成因：局部構造不連續引發的應力集中
• 典型案例：橋樑桁架節點板的彎曲應力
• 分布特徵：在幾何突變區域梯度變化

工程套用

在鐵道工程領域主要套用於橋樑結構分析：

• 鋼桁梁橋荷載分配：節點次應力影響占結構總應力的12-18%（截至2020年統計）
• 軌道結構設計：無縫鋼軌溫度應力計算需考慮扣件約束條件
• 隧道支護體系：圍岩與襯砌接觸面次應力決定支護參數選擇
• 接觸網支柱：基礎沉降差異導致的附加彎矩計算

檢測控制

現代工程實踐中採取以下控制措施：

• 設計階段：採用有限元法進行三維接觸分析
• 建造階段：對焊接節點實施應力消除處理
• 運維階段：使用光纖光柵感測器實時監測（自2015年起推廣套用）