公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞設(shè)計要點

王顯斌 魏 磊

（山東中咨公路咨詢設(shè)計有限公司 山東東營 257091）

公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞設(shè)計要點

王顯斌 魏 磊

（山東中咨公路咨詢設(shè)計有限公司 山東東營 257091）

在公路橋梁整個設(shè)計階段，結(jié)合橋涵設(shè)計指標的具體要求，要從實際情況入手，優(yōu)化設(shè)計形式，執(zhí)行有效的評價機制，發(fā)揮評價系統(tǒng)的最大化作用。本次研究中以公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞設(shè)計為基礎(chǔ)，對設(shè)計要點進行分析。

公路；鋼結(jié)構(gòu)橋梁；疲勞設(shè)計

近些年來我國城鎮(zhèn)化建設(shè)速度不斷提升，公路里程不斷增加，公路鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計起到重要的作用，鋼結(jié)構(gòu)本身存在應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象，不同程度的疲勞程度存在差異，因此針對存在的各類安全隱患，必須做好抗疲勞設(shè)計。

一、影響公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能的影響因素

基于公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工的具體要求，在后續(xù)利用階段需要從現(xiàn)狀入手，及時對影響因素進行分析，考慮到結(jié)構(gòu)形式的具體要求，對其進行合理化應(yīng)用。以下將對影響公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能的影響因素進行分析。

1.鋼結(jié)構(gòu)材料特征

對于抗疲勞性能結(jié)構(gòu)而言，在設(shè)計階段要從已有特性入手，對各項性能和指標進行分析，避免出現(xiàn)嚴重的裂紋或者不良反應(yīng)。隨著鋼結(jié)構(gòu)強度的不斷增加，抗疲勞性能增強，但是不是所有材料強度都比較高，要對材料表面結(jié)構(gòu)屬性進行了解，最大程度提升其應(yīng)用能力[1]。

2.外部因素

基于現(xiàn)有檢驗指標的屬性要求，考慮到變化因素的特殊性，要及時對結(jié)構(gòu)屬性因素進行對比。如果存在晝夜溫差大的現(xiàn)象，是和自然因素存在聯(lián)系，因此需要及時對影響因素和評價指標進行分析，適當減少壓力。外部因素屬于不可控制因素，實踐表明，焊接常見的疲勞程度和應(yīng)力幅度存在聯(lián)系，需要結(jié)合強度和應(yīng)力值指標對其進行完善設(shè)計。

3.內(nèi)部因素

很多結(jié)構(gòu)內(nèi)部因素直接對公路橋梁疲勞性能造成影響，由于疲勞形象出現(xiàn)變化，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中要對鋼構(gòu)件連接形式、公路橋梁結(jié)構(gòu)以及構(gòu)造細節(jié)等進行掌握，以現(xiàn)有焊接技術(shù)為標準，采用不同設(shè)計形式，能減少鋼結(jié)構(gòu)承載力，進而提升其應(yīng)用優(yōu)勢。

二、公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞計算

1.全壽命周期設(shè)計

考慮到現(xiàn)有設(shè)計形式的特殊要求，在利用階段，必須綜合對車輛荷載力進行分析。橋梁應(yīng)用過程中受到其他因素的影響，對施工、運營和維修管理等有嚴格的要求，在設(shè)計過程中，考慮到后期維護系統(tǒng)的可行性和代價等因素要求，需要對結(jié)構(gòu)的替換周期進行分析，以現(xiàn)有的抗疲勞設(shè)計指標為例，對公路結(jié)構(gòu)的抗疲勞工程采用分類設(shè)計形式，能最大程度減少造價，實現(xiàn)全壽命周期和設(shè)計理念的有效結(jié)合[2]。

2.疲勞應(yīng)力分析

通常情況下，公路橋梁的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計對應(yīng)力系統(tǒng)本身有嚴格的要求，針對橋梁荷載力以及施工路段的具體要求，需要做好隨機測定工作。不同的路段以及時段的車輛荷載力不同，為了使其和現(xiàn)有的設(shè)計規(guī)范有效結(jié)合起來，需要采用簡化操作的形式，結(jié)合公路橋梁荷載計算方式對其進行測定。公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)荷載力受到汽車荷載和沖擊效應(yīng)的影響，在抗疲勞設(shè)計過程中要結(jié)合具體情況，對沖擊效力進行分析，結(jié)合作用力要求對構(gòu)件模式進行對比。

3.公路鋼結(jié)構(gòu)疲勞抗力

疲勞抗力的設(shè)計形式分為不同方面，其一是焊接構(gòu)件和應(yīng)力變化，其二是非焊接構(gòu)件和連接形式，由于彼此間呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系，因此必須對系數(shù)進行對比，提升其應(yīng)用優(yōu)勢。本次研究中采用的連接形式、板厚系數(shù)和應(yīng)力系數(shù)等都是相關(guān)部門規(guī)定的數(shù)據(jù)，由于公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范相互間存在銜接的趨勢，因此應(yīng)用范圍比較廣。

三、公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞設(shè)計要點

針對現(xiàn)有設(shè)計形式以及系數(shù)的屬性要求，在利用過程中要合理應(yīng)用設(shè)計方式，以下將對公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞設(shè)計要點進行分析。

1.無限壽命設(shè)計

無限壽命設(shè)計是應(yīng)用比較廣泛的設(shè)計模式，對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本身有嚴格的要求，考慮到應(yīng)力系統(tǒng)的具體變化，需要從無限設(shè)計要點入手，采用循環(huán)應(yīng)力設(shè)計模式，適當調(diào)整不穩(wěn)定因素，使其應(yīng)力系統(tǒng)處于可觀的狀態(tài)下。隨著時間的變化，應(yīng)力結(jié)構(gòu)也不斷調(diào)整，結(jié)合不穩(wěn)定因素的要求，在分析階段需要對最大應(yīng)力幅度進行分析，抗疲勞限度本身呈現(xiàn)出差異，要按照極限強度對其進行設(shè)計。無限壽命設(shè)計作為一種簡化的設(shè)計模式，設(shè)計比較笨重，為了充分利用已有材料，必須適當提升設(shè)計應(yīng)力[3]。

2.安全壽命設(shè)計

安全壽命設(shè)計是保證結(jié)構(gòu)在一定使用期限內(nèi)不會出現(xiàn)損壞的設(shè)計形式，基于構(gòu)件工作能力的具體要求，在設(shè)計階段要采用曲線形式對其進行應(yīng)用，保證在規(guī)定的使用期間安全應(yīng)用。系統(tǒng)本身具有預(yù)測的功能，因此對加載序列和頻率進行分析后，能結(jié)合裂紋處的應(yīng)力結(jié)構(gòu)測定荷載力。安全壽命設(shè)計以S-N曲線為標準，結(jié)合依據(jù)壽命曲線要求，進行有限利用。以損傷容限設(shè)計為例，該方式是以基礎(chǔ)力學(xué)為基礎(chǔ)的，首先要假定構(gòu)件存在裂紋現(xiàn)象，在交換應(yīng)力的作用下，可以對深度方向進行擴展。此外要估算剩余壽命，通過實驗檢測的方式進行應(yīng)用。為了保證結(jié)構(gòu)在使用期限內(nèi)，不會出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象，要對鋼結(jié)構(gòu)舊橋疲勞壽命進行估算和評估。

3.鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計規(guī)范對比

由于疲勞問題種類比較多，各行各業(yè)需要從現(xiàn)有設(shè)計要求入手，通過對規(guī)范機制進行研究和對比后，對修訂的方案和規(guī)范系統(tǒng)進行分析。對于疲勞強度而言，構(gòu)造細節(jié)和內(nèi)應(yīng)力是變化的，為了保證每一種構(gòu)造都具有相應(yīng)的疲勞強度，需要設(shè)立曲線，采用間隔設(shè)置的形式，對連接形式和受力特點等進行分析，將疲勞強度接近的形式歸為同一類。

4.在懸索橋中的應(yīng)用

根據(jù)現(xiàn)有應(yīng)力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特殊要求，在構(gòu)件截面內(nèi)力計算過程中需要按照結(jié)構(gòu)屬性進行。荷載作用比較大，結(jié)構(gòu)剛度大，可以以現(xiàn)有的原模型作為基礎(chǔ)，進行移動荷載非線性分析，經(jīng)過分析后得到移動荷載作用下的節(jié)點應(yīng)力。由于設(shè)計過程中會產(chǎn)生誤差，公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對不同疲勞抗力設(shè)計進行綜合性的比較和分析，能得到荷載差異項目。在實際應(yīng)用過程中要對細節(jié)進行分析，計算出高強度的螺栓。同時橋涵設(shè)計階段對設(shè)計規(guī)范有一定的要求，在實際應(yīng)用過程中要對構(gòu)件類型和細節(jié)進行對比，同時公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)都可以按照設(shè)計規(guī)范進行計算。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范可以按照驗算部位II類構(gòu)造進行計算，同時在設(shè)計過程中還需要以國外設(shè)計規(guī)范為參考。由于強度設(shè)計概念存在差異，不同規(guī)范制度對于準則要求不同，要體現(xiàn)出疲勞強度和等級變化，按照系數(shù)要求進行合理化應(yīng)用。同時考慮到Eurocode細節(jié)等級分類，在應(yīng)用階段，如果等級差別比較小，則說明細則意義不大，不需要進行過細的等級分類。

5.進行參數(shù)標準設(shè)定

針對公路橋梁施工以及疲勞驗算設(shè)計的具體要求，在實踐階段要按照具體指標要求進行，公路鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，車輛間距、車型都存在不同，縱觀鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范，可以將鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷等效折算成標準疲勞車，但是這里值得注意的是，必須保證疲勞車總重量是相同的。考慮到檢測指標的具體要求，在驗算階段需要對敏感設(shè)計以及細節(jié)部位進行分析，包括各個階段的焊接縫或者結(jié)構(gòu)處，如果不能對疲勞設(shè)計參數(shù)進行確定，必然會導(dǎo)致系數(shù)設(shè)計不合理。按照相對應(yīng)的效應(yīng)可知，如果對復(fù)雜的應(yīng)力系統(tǒng)進行分析，則要最大程度滿足構(gòu)件要求，提升其應(yīng)用優(yōu)勢。應(yīng)利用線合理選用對接焊縫，同時應(yīng)該保證構(gòu)件焊縫字應(yīng)力區(qū)之下，還要進行必要的焊后處理，滿足設(shè)計要求。

結(jié)束語

近些年來我國公路鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)取得了突出的進步，在發(fā)展過程中需要對受力結(jié)構(gòu)進行分析。由于設(shè)計階段會存在不同程度安全隱患，如果不能進行優(yōu)化設(shè)計，必然會影響其應(yīng)用安全。相關(guān)工作人員要從應(yīng)用現(xiàn)狀入手，對疲勞設(shè)計引起重視，優(yōu)化設(shè)計指標，按照設(shè)計要求進行落實。此外在分類處理過程中，為了減少工程造價，需要將其和其他設(shè)計理念有效結(jié)合，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。

[1]郭琦,賀拴海，房東東.基于全壽命理念的公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2011,03（12）∶33-36.

[2]曹偉.公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計方法分析[J].信息化建設(shè),2016,05（12）∶234.

[3]郝蘇，張志宇，王愛華.國際現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)公、鐵路橋梁疲勞設(shè)計規(guī)范綜述[J].世界橋梁,2012,06（01）∶29-37.

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1007-6344（2017）01-0086-01