钢结构桥梁抗疲劳设计的解析

钢结构桥梁抗疲劳设计的解析

刘高俊

同济大学上海200092

摘要：随着我国的经济的快速发展，公路桥梁建设项目越来越多。公路钢结构桥梁具有跨径大、自重轻等特点，由于长期承受自重和车辆荷载循环作用的影响，由于钢结构桥梁应力分布不均，各部分具有不同的疲劳强度，除此以外还有桥梁自身的截面发生突变以及焊接连接的部分和反复应力等等情况造成的裂纹，久而久之会导致桥梁断裂的发生。由于上述的原因，不同的安全隐患存在于桥梁的服役期间，因此在进设计考虑的时候应当从全局上来进行桥梁结构的设计。对于疲劳设计而言，在我国现行公路桥梁钢结构设计规范中相对落后，从公路的疲劳问题来看，我们现有的研究认知还不是很全面，因此能够对公路以及桥梁的疲劳进行设计是一项十分必要的工程。为了降低钢结构桥梁出现疲劳问题的几率，在制订抗疲劳设计方法时，就需要先对影响钢结构桥梁疲劳的因素进行仔细研究。

关键词：钢结构桥梁；抗疲劳设计方法；研究

1影响钢结构桥梁疲劳的因素

1.1钢结构材料特性

钢结构材料特性的好坏是会直接影响到公路以及桥梁的抗疲劳强度的，其特性所受的影响比较多，除了材料本身的性能之外，钢结构的大小也对其抗疲劳强度造成一定的影响，在起初只有一点点的小裂纹出生，随着时间的推移，之前产生的小裂纹会越来越大，其疲劳的性能也会随之增加，除此以外钢结构的强度增强也会使得其疲劳性能增加，由于这样的原因，还是应当使用强度较为合适的材料。一般的情况下我们能够总结出，当钢结构表面具有比较高的应力的时候，钢结构的表面在之前一般都会产生裂纹。

1.2钢结构内部和外部因素

会对公路结构桥梁疲劳性能而言，钢结构内部因素和外部因素也会对其造成影响，疲劳的性能会因此而发生一定的变化。公路桥梁的建设结构以及每一个钢构件之间的连接形式都是钢结构构造的一个方面，影响钢结构应力分布的因素包括焊接技术、钢结构制造、焊接处理方法、设计方法等。钢结构自身缺陷也会影响疲劳性能，除此以外钢结构疲劳的产生还会受到其他外部环境因素的影响，外部影响因素一般包括自然环境发生变化、昼夜温差变化过大、外界施加给桥梁的压力、强冻强高温等。在焊接构件应力幅值和疲劳强度间，存在紧密联系。

2钢结构桥梁抗疲劳设计的方法

2.1无限寿命设计

在研究无限寿命的设计时，应当保证设计时的疲劳应力应当比钢结构的疲劳极限值低，变幅循环应用表现出交变应力状态，在构件等效等幅值疲劳极限强度下，设计按照最大应力幅展开。无限寿命的这种设计方式和其他的设计方法比属于比较简化的设计方法，其设计构建是属于比较笨重的。想要将材料的潜能发挥出来，必须将设计应用水平不断提高。

2.2安全寿命设计

在一定的使用周期内不发生疲劳破坏的设计为安全寿命设计。图1中为疲劳寿命的一个S－N曲线，这个曲线的主要目的就是为了能够保证构建在规定的期限内能够进行使用。可利用加载序列和频率，对运营历程进行预测结构，同时对于一些潜在的裂纹进行应力历程的分析。当结构不同的时候运营的载荷也不同，疲劳的损伤估算也是根据一定的雷击损伤进行估算的。通常情况下是以S－N曲线来作为设计根据的，也可根据应变－疲劳寿命曲线进行设计，其中，S－N曲线属于名义应力有限寿命设计，通常应用于计算高周疲劳中，而应变－疲劳寿命曲线属于局部应力应变法，通常应用于低周疲劳。在整个队桥梁进行设计的过程当中，要考虑各方面的问题，比如说桥梁的运营以及车辆的荷载等等，除此以外桥梁在使用过程当中耐性的退化以及功能的退化都是我们应当考虑的问题。在设计过程中，要考虑运营、施工、维修管理、后期维护的可行性及结构构造替换费用、周期等。要能够在建立疲劳抗力的方程时进行分类，同时能够衔接上全寿命的设计理念，降低替换构造的价格。

2.3损伤容限设计方法

损伤容限设计方法是以断裂力学作为基础，先假设钢构件开始有裂纹出现，在计算Tf的时候，就运用断裂力学的原理，用椭圆来替代裂纹的表现形式，加上交变应力的作用，初始裂纹就会拓展到深度的方向，而扩展速率可以依据一定的公式进行计算。之后再估算它剩下的寿命，并根据实验来校验计算结果，从而确保在使用寿命内裂纹不会继续拓展，这样就可以在使用时间内安全使用出现裂纹的钢构件。而这种损伤容限方法往往被广泛应用在估算和评测钢结构旧桥的疲劳寿命中。

2.4疲劳可靠性设计方法

前面三种抗疲劳设计方法在设计时都是按照应力与疲劳强度的平均值来进行的。但是在实际应用中，仅按照应力与疲劳强度的平均值进行的设计是没有安全保证的，这是因为应力和疲劳强度都具有一定的分散性。所以就应该凭借以往应用的实际经验来确定安全系数，不过单纯靠经验确定的安全系数不能够体现问题的本质，因而并不十分准确。在这时为了促进设计水平的提高，就出现了疲劳可靠性设计方法。在运用这一方法时，不仅要依据钢构件应力和疲劳强度的平均值，还需了解钢构件应力和疲劳强度的分布类型。当这两者的分布类型得到确定后，就可以得到分布曲线，进而获取强度大于应力的概率，也就是钢构件的可靠概率。之后还要以概率统计理论为基础，再在确定的可靠性指标下开展结构的疲劳可靠性设计。

3钢结构桥梁抗疲劳设计的重点

3．1确定疲劳荷载

公路以及桥梁上面通过车辆是不能够进行预判的，不管是车流量还是车辆的大小不同的公路在不同的时间里，情况都是不一样的，我们可以在计算的时候以钢结构的桥梁为设计的依据，同时对公路桥梁当中的钢结构进行等效的疲劳损伤折算，即折算成总重量大体一致的标准疲劳车。之后再极端局部线的长度，标准疲劳车重载荷比标准的轴重载荷小标准轴重载荷的一点一倍。

3.2准确确定验算位置

在进行位置的验算是主要是对一些特殊的部位来进行验算，在进行实际检验的时候每一个小的节点以及焊缝都是不能忽略的，重点的部位更应当重点进行验算。

3.3确定加载次数

疲劳的应力是在对公路和桥梁进行设计时候应当考虑进去的问题，在进行计算的时候应当考虑进去几个问题，例如加载的次数以及线的长度还有疲劳的车轴之间的距离等等。以钢结构以及钢结构的桥梁性质为基础，进行加载的等效原则，循环进行应力尤其是复杂应力的转换，形成不同单个循环代数表示。

3.4构件需满足的要求

在进行公路钢结构桥梁设计时，钢结构构件满足的要求包括：利用线对接焊缝进行合理选用，并进行必要的焊后处理；在一些弯曲或者是承受拉伸的构建在进行设计的时候，为了能够使其刚度的变化比较小应当采用圆的并且是长的过渡性构建；比较复杂的构建可以进行一些辅助的设计。

3.5复杂应力状态下的疲劳验算

计算钢结构或构件的疲劳强度时，因为单向应力的作用，所以要约束疲劳应力，使其不超过疲劳容许应力。但是在实际应用中，钢结构桥梁的构件除了单向应力的作用外，还会被多向应力的作用所影响。因此，要采用一定的公式来对那些既需承受弯矩，还要被剪力作用影响的构件进行疲劳验算。

4结语

综上所述，伴随着我国经济和社会的发展，钢结构桥梁的建设也有了较大的发展，所以我国的钢结构桥梁设计规范应该有所修改，参考国外先进规范，解决其存在问题。在进行抗疲劳设计时，要先了解疲劳问题与影响疲劳的因素，关注抗疲劳设计中的重点，分析我国现有的设计规范和现有问题，观察实际应用中的问题，并寻求解决方法，这样才能降低疲劳问题发生的几率，延长钢结构桥梁的使用寿命，避免出现因疲劳问题导致的安全事故。

参考文献

[1]王斐，赵君黎，雷俊卿.公路钢结构桥梁的疲劳设计研究[J].公路，2007（10）：44–45.

[2]王艳辉.桥梁钢结构施工质量控制[J].城市建设理论研究，2013（7）：464.