基于全壽命理念的鋼結構橋梁抗疲勞設計

徐廣明

(城市建設研究院，北京 100120)

隨著經濟社會的現代化水平不斷加強，建立縱貫整個城市、順暢的現代化交通網絡，積極發展現代交通運輸事業。對于促進國民經濟的發展，加強全國各族人民的大團結，促進不同地區的文化交流和鞏固國防等方面，都具有積極的作用。設計是保證橋梁建設質量的先決條件，對整個橋梁的施工和使用起到了決定性的作用。綜觀世界各個大城市，都以恢弘的公路橋建筑作為城市的標志與驕傲。因此，路橋建筑已不單單是城市交通網的載體，更被常看作是一個國家科學技術、綜合國力的綜合體現。

1 全壽命理念概述

對于一座橋梁的設計，其最重要的目標就是要保證橋梁的使用壽命，也就是利用各種先進的橋梁設計技術來對橋梁的安全性、抗疲勞性等因素進行分析設計，進而促進橋梁的使用安全和延長橋梁的使用壽命。但是，橋梁一經投入使用，將會受到自然環境、車輛負載等因素的影響，這些都會導致橋梁使用壽命的額縮短，過去只注重橋梁的設計，卻忽略橋梁施工、維修養護的設計理念已經不能適應當前公路橋梁建設的要求。因此，必須引進全壽命理念，以生態環境、橋梁使用功能和經濟效益以及人文等方面的需求為出發點，對橋梁的設計、施工、養護及管理進行綜合考慮，尋找最優的方法，滿足橋梁的最優設計要求，提高橋梁的抗疲勞性，延長橋梁的使用壽命。

1.1 全壽命理念的設計目標

基于全壽命理念的公路橋梁設計的總體目標是實現橋梁壽命周期內總體性能的最優。因此，在進行公路橋梁全壽命設計時，應該以橋梁的服務水平作為約束條件，將公路橋梁的質量和安全放在設計的首要位置，在保證全壽命周期成本最低的情況下，保證橋梁的使用功能良好，有效控制設計和使用成本，提高橋梁的經濟效益。按照全壽命橋梁設計目標要求，公路橋梁的設計要綜合考慮整個橋梁生命周期內的各種因素，使橋梁設計全面的包括質量、安全、工期、成本、環境和可持續發展等要素，加強橋梁從設計到施工再到養護各個階段的管理，尋找科學的方法措施，增加公路橋梁結構的耐久性和抗疲勞性，在保證橋梁的使用安全的基礎上，盡可能的延長橋梁的使用壽命。

1.2 全壽命理念的設計內容

基于全壽命設計理念的公路橋梁設計，要求對橋梁的生態自然環境、使用功能、成本以及人文等因素進行綜合的考慮和分析，同時還要注意橋梁的安全性、美觀性和協調性，使橋梁設計符合可持續發展的戰略要求。因此，基于全壽命理念的公路橋梁設計的主要內容包括以下4個方面：經濟效益的需求、生態環境的需求、使用功能的需求、人文需求。

2 基于全壽命理念的鋼結構橋梁抗疲勞設計方案分析

2.1 橋梁的總體設計

在對公路橋梁結構進行設計之前，設計人員首先應該明白建設項目的總體目標和業主的要求，對橋梁工程進行總體的設計構思，對橋梁建設條件、建設環境、設計準則、預期使用壽命以及投資預算等進行綜合全面的考慮。在這個階段，設計的中心內容是基于全壽命設計理念，區別于現行的設計特點，搞清楚全壽命設計的一般規律，提出橋梁設計理論框架和一般性原則，確保橋梁總體設計的科學性，增強橋梁的抗疲勞性。

2.2 橋梁抗疲勞設計的環境因素考慮

引入環境指數來評測公路橋梁的耐久性以及抗疲勞性進行探討，這個方法最先在日本使用，現已經得到了普遍的推廣。這種方法要求公路橋梁的每個部分的耐久性指數TP都要大于或者等于環境指數SP。

環境指數SP根據以下公式計算得來：

SP=SO+Σ△SP

式中，SO為標準的環境下環境指數的值，△SP是鹽分和凍融等環境因素對指數的影響，它可以根據環境的不同進行調節。

耐久性指數TP的取值則是根據橋梁設計的裂縫、鋼筋詳圖、模板構件的形狀、設計圖紙、補強材料的質量以及混凝土質量等因素決定，它的計算公式如下：

TP=50+ΣTP（I，J）

式中，TP（I，J）是影響結構耐久性定量評價的要點。

2.3 鋼結構橋梁的疲勞應力幅

公路橋梁所承受的荷載主要包括恒載、汽車沖擊效應以及汽車活載等，對于橋梁的疲勞設計來說，起作用的是頻遇次數比較高的荷載。因此，在進行抗疲勞設計時，可以只考慮車輛活載、恒載以及汽車的沖擊效應3種。對應力幅起主要作用的是車輛的活載荷沖擊效應，但是恒載也決定了鋼結構橋梁構件拉應力的大小。根據橋梁的全壽命理論設計方法提出疲勞幅的計算方法：首先計算出驗算的細節處最大以及最小應力影響線；其次，根據車輛活載的影響線加載方式計算出驗算細節處車道荷載的最大、最小應力V1、V2；再次，將得到的車道荷載下的最大、最小應力計入動力沖擊系數（1+U），以反映動力沖擊作用的貢獻；將車道荷載及沖擊作用的應力乘以橫向分布系數或偏載系數M，以反映加載方式的空間效應。同時，計人多車道橫向折減系數f，其在疲勞設計上可以理解為因橫向車道荷載引起的應力幅變化向等應力幅轉化的系數，是變幅應力積傷的累積轉化方式。從而得到應力幅計算公式：

DV=b(1 +U)fM(V1-V2)

最￠大、最小應力值分別為：

V1￠ =R1d+R2V1

V2=R1d+R2V2

式中 δ——恒載應力；

R1——恒載組合系數；

R2——活載組合系數；

β——汽車沖擊效應系數。

對于公路橋梁應力幅的科學計算，能夠有效地指導公路橋梁鋼結構的抗疲勞設計。

3 結語

隨著公路橋梁建設項目的不斷增加，對橋梁結構的耐久性和抗疲勞性提出了更高的要求，因此，必須引入全壽命設計理念，對橋梁的設計、施工、維護等進行綜合考慮，提高公路橋梁結構的抗疲勞性，延長橋梁的使用壽命。

[1] 吳定略.淺談混凝土橋梁的耐久性及控制措施[J].山西建筑，2007(33).

[2] 張露康，權曉棟.城市橋梁設計優化探索[J].中國新技術新產品，2012(18).