鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計分析

張立鑫

【摘 要】疲勞是鋼結(jié)構(gòu)耐久性的重要影響因素之一，由于鋼結(jié)構(gòu)受力不合理等眾多原因，會導致鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)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(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能的因素進行了概述，重點對疲勞設(shè)計方法進行了重點分析，以便從設(shè)計方面就避免鋼結(jié)構(gòu)橋梁在使用過程中出現(xiàn)疲勞病害。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)橋梁；疲勞設(shè)計；檢測

鋼結(jié)構(gòu)橋梁在重載荷交通量的作用下，會產(chǎn)生疲勞，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗疲勞性是影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁使用壽命的主要因素之一。橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能的因素

影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能的因素很多，具體歸納起來主要有鋼結(jié)構(gòu)的材料特性、內(nèi)部因素、鋼結(jié)構(gòu)的外部因素。

1.1 鋼結(jié)構(gòu)的材料特性

鋼結(jié)構(gòu)材料的特性是影響公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能的因素之一，鋼構(gòu)件的大小和鋼結(jié)構(gòu)材料的各種性能都是影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁出現(xiàn)疲勞的因素。但鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微弱的裂紋的時候，鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能會隨著裂紋的增加而加大，同時，隨著鋼結(jié)構(gòu)強度的增加，鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的疲勞裂紋主要是發(fā)生在鋼材的表面，主要是由于鋼結(jié)構(gòu)外表面的應力較高。

1.2 外部因素

影響公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的因素除了有上面的情況外，外部因素也會對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞產(chǎn)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(chǎn)生的共振等。根據(jù)相關(guān)的研究證明，焊接構(gòu)件的疲勞強度和應力幅值有很大的關(guān)系，非焊接構(gòu)件的疲勞強度也和應力幅值有關(guān)系。

1.3 內(nèi)部因素

結(jié)構(gòu)內(nèi)部因素對公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計的影響主要體現(xiàn)在，導致公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞形象發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)構(gòu)造影響因素包括了公路橋梁的結(jié)構(gòu)、鋼構(gòu)件的連接形式、構(gòu)造細節(jié)等等。同時公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計方法、采用鋼結(jié)構(gòu)的制造以及其焊接技術(shù)、焊接處理等都會對鋼結(jié)構(gòu)應力分布以及鋼結(jié)構(gòu)自身的缺陷產(chǎn)生很大的影響。

2 公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計方法

公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計根據(jù)以上我們分析的影響公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能設(shè)計的因素，進行公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計，將由鋼結(jié)構(gòu)材料自身屬性、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等引起的公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能損傷進行消除，防止鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞性能被破壞。公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計有3種：安全壽命設(shè)計、無限壽命設(shè)計、損失容限設(shè)計。

2.1 安全壽命設(shè)計

安全壽命公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計，這種設(shè)計方法可以保證公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁在一定的時限內(nèi)，疲勞性能不發(fā)生損壞，而且構(gòu)件應力設(shè)計可以超過其疲勞極限值。安全壽命設(shè)計可以將鋼結(jié)構(gòu)橋梁應力—疲勞壽命關(guān)系，作為公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計的參考依據(jù)，進行鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計。安全壽命設(shè)計和無限壽命設(shè)計不同，安全壽命設(shè)計屬于有限壽命設(shè)計，而有限壽命設(shè)計的構(gòu)件應力設(shè)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(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞壽命各不相同，所以在設(shè)計的過程中不能像無限壽命設(shè)計那樣只考慮最高應力，這種設(shè)計方法需要按照一定的理論進行疲勞損傷估算。公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計使用安全壽命設(shè)計的條件是：鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞強度曲線必須知道，而且含有起裂構(gòu)件制造質(zhì)量符合鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞等級定義。

2.2 無限壽命設(shè)計

無限壽命設(shè)計是最早的公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計使用的方法，這種設(shè)計方法在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計的過程中，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計的應力低于鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞極限值，進而完成公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的無限壽命設(shè)計。無線壽命設(shè)計是簡化設(shè)計，雖然是將公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計進行簡化，但是在構(gòu)件設(shè)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(jié)構(gòu)橋梁應力的設(shè)計水平提升，進而將公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的無線壽命設(shè)計演變?yōu)橛邢迚勖O(shè)計。

2.3 損傷容限設(shè)計

使用這種方法進行公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計需要滿足的前提條件是：鋼結(jié)構(gòu)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(shè)計壽命內(nèi)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(nèi)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(xiàn)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(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計的關(guān)鍵點

3.1 疲勞荷載的確定

公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計和鐵路橋梁設(shè)計疲勞驗算有所不同，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁通過的車輛數(shù)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(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范中有：可以根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)容有：焊接縫根部、焊趾、結(jié)構(gòu)倒角處、沖孔、剪開邊等。

3.3 確定加載次數(shù)

在公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計過程中進行疲勞應力計算時，要將疲勞車一次加載次數(shù)、影響線長度、疲勞車軸距之間的關(guān)系進行確定。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的性質(zhì)以及鋼構(gòu)件的性能，一個軸重就是一次加載，根據(jù)效應相等原則，將復雜應力循環(huán)轉(zhuǎn)換成單個循環(huán)代數(shù)進行表示。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計中構(gòu)件需要滿足的要求

根據(jù)多年的公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計經(jīng)驗以及現(xiàn)有的橋梁設(shè)計規(guī)范等文件要求，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要滿足的要求為：在公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計過程中對于承受拉伸、彎曲等鋼構(gòu)件，需要使用長且圓的過渡性鋼構(gòu)件，這樣可以將鋼結(jié)構(gòu)的剛度變化相應的減小；鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計中要有線選用對接焊縫，焊接構(gòu)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(gòu)件采用輔助疲勞設(shè)計的方法進行輔助設(shè)計。

4 總結(jié)

隨著鋼結(jié)構(gòu)橋梁的不斷發(fā)展，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計的過程中常會存在一些設(shè)計的缺陷，從而導致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)疲勞破壞，而影響橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計方法對其進行優(yōu)化設(shè)計，確保橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

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[責任編輯：王楠]