鋼結構橋梁疲勞設計分析

張立鑫

【摘 要】疲勞是鋼結構耐久性的重要影響因素之一，由于鋼結構受力不合理等眾多原因，會導致鋼結構出現疲勞裂紋，隨著行車載荷的不斷作用，裂紋發(fā)展成裂縫，從而影響到橋梁的正常使用。本文對影響鋼結構橋梁疲勞性能的因素進行了概述，重點對疲勞設計方法進行了重點分析，以便從設計方面就避免鋼結構橋梁在使用過程中出現疲勞病害。

【關鍵詞】鋼結構橋梁；疲勞設計；檢測

鋼結構橋梁在重載荷交通量的作用下，會產生疲勞，公路鋼結構橋梁的抗疲勞性是影響鋼結構橋梁使用壽命的主要因素之一。橋梁結構會因為疲勞發(fā)生損壞，因此，需要采取有效的措施對其進行預防和處理，提升橋梁橋梁的抗疲勞性能。

1 影響公路鋼結構橋梁疲勞性能的因素

影響鋼結構橋梁疲勞性能的因素很多，具體歸納起來主要有鋼結構的材料特性、內部因素、鋼結構的外部因素。

1.1 鋼結構的材料特性

鋼結構材料的特性是影響公路鋼結構橋梁疲勞性能的因素之一，鋼構件的大小和鋼結構材料的各種性能都是影響鋼結構橋梁出現疲勞的因素。但鋼結構出現微弱的裂紋的時候，鋼結構的疲勞性能會隨著裂紋的增加而加大，同時，隨著鋼結構強度的增加，鋼結構的疲勞性能也會增強，因此，并非是采用強度越高的材料就越好。由于鋼結構的疲勞裂紋主要是發(fā)生在鋼材的表面，主要是由于鋼結構外表面的應力較高。

1.2 外部因素

影響公路鋼結構橋梁的因素除了有上面的情況外，外部因素也會對鋼結構橋梁的疲勞產生一定的影響，如自然環(huán)境的變化，晝夜溫差太大或強凍強高溫的情況，以及外界給橋梁所施加的壓力等，車輛行駛所產生的共振等。根據相關的研究證明，焊接構件的疲勞強度和應力幅值有很大的關系，非焊接構件的疲勞強度也和應力幅值有關系。

1.3 內部因素

結構內部因素對公路鋼結構橋梁疲勞設計的影響主要體現在，導致公路鋼結構橋梁的疲勞形象發(fā)生變化，結構構造影響因素包括了公路橋梁的結構、鋼構件的連接形式、構造細節(jié)等等。同時公路鋼結構橋梁設計方法、采用鋼結構的制造以及其焊接技術、焊接處理等都會對鋼結構應力分布以及鋼結構自身的缺陷產生很大的影響。

2 公路鋼結構橋梁疲勞設計方法

公路鋼結構橋梁疲勞設計根據以上我們分析的影響公路鋼結構橋梁疲勞性能設計的因素，進行公路鋼結構橋梁疲勞設計，將由鋼結構材料自身屬性、結構構造等引起的公路鋼結構橋梁疲勞性能損傷進行消除，防止鋼結構橋梁結構的疲勞性能被破壞。公路鋼結構橋梁疲勞設計有3種：安全壽命設計、無限壽命設計、損失容限設計。

2.1 安全壽命設計

安全壽命公路鋼結構橋梁設計，這種設計方法可以保證公路鋼結構橋梁在一定的時限內，疲勞性能不發(fā)生損壞，而且構件應力設計可以超過其疲勞極限值。安全壽命設計可以將鋼結構橋梁應力—疲勞壽命關系，作為公路鋼結構橋梁設計的參考依據，進行鋼結構橋梁設計。安全壽命設計和無限壽命設計不同，安全壽命設計屬于有限壽命設計，而有限壽命設計的構件應力設計值在疲勞極限值之上，從圖1中的前半部折線部分，可以知道在這些區(qū)域內的鋼結構橋梁疲勞壽命各不相同，所以在設計的過程中不能像無限壽命設計那樣只考慮最高應力，這種設計方法需要按照一定的理論進行疲勞損傷估算。公路鋼結構橋梁設計使用安全壽命設計的條件是：鋼結構橋梁的疲勞強度曲線必須知道，而且含有起裂構件制造質量符合鋼結構橋梁疲勞等級定義。

2.2 無限壽命設計

無限壽命設計是最早的公路鋼結構橋梁疲勞設計使用的方法，這種設計方法在鋼結構橋梁設計的過程中，要求結構設計的應力低于鋼結構橋梁疲勞極限值，進而完成公路鋼結構橋梁的無限壽命設計。無線壽命設計是簡化設計，雖然是將公路鋼結構橋梁疲勞設計進行簡化，但是在構件設計上顯得有些笨重，為了能夠充分的利用材料的性能，將鋼結構橋梁應力的設計水平提升，進而將公路鋼結構橋梁的無線壽命設計演變?yōu)橛邢迚勖O計。

2.3 損傷容限設計

使用這種方法進行公路鋼結構橋梁設計需要滿足的前提條件是：鋼結構橋梁裂紋開始的地方接近表面或者從表面開始；潛在起裂處設計壽命內的損傷超過10；采用探測方法可行；維護說明中要指明裂縫發(fā)生的位置。

在進行預測檢測間隔時，需要考慮到一次漏檢。Ti≤0.5Tf，其中Tf是可探測裂紋，ld是臨界長度，lf是時間（見圖2）。

表面裂紋的最小暴露長度ld，在檢測時考慮了探測的可能性、裂紋的位置、檢測方法等內容，可探測表面裂紋長度的最小值見表1：

在計算Tf時，采用的方法是斷裂力學原理，將裂紋表現形式簡化成半橢圓等近似的橢圓形狀，在交變應力作用下，按照計算公式進行深度方向上裂紋擴展速率計算：

3 鋼結構橋梁疲勞設計的關鍵點

3.1 疲勞荷載的確定

公路鋼結構橋梁設計和鐵路橋梁設計疲勞驗算有所不同，公路鋼結構橋梁通過的車輛數量變化幅度非常的大，而且車型、車輛間距等都有所不同，在鋼結構橋梁設計規(guī)范中有：可以根據鋼結構疲勞損傷等效，將其折算成標準疲勞車進行計算，但是要保證各疲勞車的總重量相同。

影響線長度較小的局部計算，按照標準軸重荷載進行。標準軸重荷載=標準疲勞車軸重載荷×1.1。

3.2 將驗算位置進行準確確定

驗算位置指的是疲勞敏感細節(jié)和部位，公路桿結構橋梁的疲勞驗算有很多地方，每一個小節(jié)點、每一個焊縫趾等短都需要進行驗算。其中重點驗算的內容有：焊接縫根部、焊趾、結構倒角處、沖孔、剪開邊等。

3.3 確定加載次數

在公路鋼結構橋梁疲勞設計過程中進行疲勞應力計算時，要將疲勞車一次加載次數、影響線長度、疲勞車軸距之間的關系進行確定。根據鋼結構橋梁的性質以及鋼構件的性能，一個軸重就是一次加載，根據效應相等原則，將復雜應力循環(huán)轉換成單個循環(huán)代數進行表示。

3.4 鋼結構橋梁設計中構件需要滿足的要求

根據多年的公路鋼結構橋梁設計經驗以及現有的橋梁設計規(guī)范等文件要求，公路鋼結構橋梁設計中鋼結構構件需要滿足的要求為：在公路鋼結構橋梁設計過程中對于承受拉伸、彎曲等鋼構件，需要使用長且圓的過渡性鋼構件，這樣可以將鋼結構的剛度變化相應的減小；鋼結構橋梁設計中要有線選用對接焊縫，焊接構件的焊縫要在應力區(qū)下面，并且進行焊后處理。對于較復雜的構件采用輔助疲勞設計的方法進行輔助設計。

4 總結

隨著鋼結構橋梁的不斷發(fā)展，在鋼結構橋梁設計的過程中常會存在一些設計的缺陷，從而導致橋梁結構發(fā)現疲勞破壞，而影響橋梁結構疲勞的因素很多，需要我們對其原因進行分析，通過不同的橋梁結構設計方法對其進行優(yōu)化設計，確保橋梁結構的穩(wěn)定。

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[責任編輯：王楠]