鋼結構橋梁抗疲勞設計方法討論

馬鴻亮 熊南京

摘要：本文結合實際，指出鋼結構材料特性與外部因素影響以及內部因素是影響公路鋼結構橋梁耐疲勞性的關鍵因素，同時總結了公路鋼結構橋梁疲勞設計方法，并且在總結設計方法的基礎上，對鋼結構橋梁疲勞設計關鍵點進行分析，目的在于提高公路鋼結構橋梁抗疲勞水平。

關鍵詞：公路鋼結構；橋梁；抗疲勞；設計；方法

0.引言

在社會的高速發展背景之下，當前我國的公路建設里程逐漸增多，公路橋涵的建筑數量也在持續的增加。鋼結構橋梁在長期的使用過程中，會直接受到汽車載荷的影響，結構會承載反復的作用力，產生疲勞損害的問題，再加上很多的鋼結構梁體自身就存在應力分布部均勻的問題，同時也存在有疲勞程度不同的情況，所以在橋梁長期使用過程中存在很多的安全問題，需要加強抗疲勞設計。

1.公路鋼結構橋梁疲勞性能的影響因素

1.1鋼結構材料特性

鋼結構橋梁的抗疲勞性能分析發現，只要鋼結構的外表面存在有一些比較嚴重的微小裂紋，疲勞性能也會隨之裂縫的增多而逐漸的提升，因此，鋼結構材料外部表面需要具備較強的應力。

1.2外部因素

從大量的實踐經驗分析之后可以發現，除了材料的性能影響其疲勞性能，很多的外部因素也會產生直接的影響，比如環境溫度的急劇變化、自然環境的變化以及外部梁體施加壓力的變化等等，這些因素會直接導致鋼結構橋梁性能的疲勞性能的變化。

1.3內部因素

通過實踐經驗分析，結構內部因素對于抗疲勞性能的影響也是比較嚴重的，深入分析發現，結構的影響因素主要就是連接形式、公路結構形式、組成細節等等問題，此外所選擇使用的焊接施工技術、結構設計方案等因素也會影響其結構應力的分布，也會造成某些部分的缺陷，所以在施工的過程中，需要充分的考慮到其影響因素，選擇合適的方案。

2.鋼結構橋梁疲勞設計方法

2.1無限壽命設計

這種設計方法就是應該保證橋涵設計應力要低于抗疲勞限值，并且使得整個工程具備無限壽命的要求。隨著橋梁使用時間的延長，變幅循環同時也會存在有應力變化的情況，進而可以按照等幅值的疲勞強度參數來進行設計。也就是說，該種設計設計理念的結構形式較為笨重。為了能夠有效的發揮出其性能，應該提升設計水平，逐漸的轉入無限壽命設計中。

2.2安全壽命設計

這種設計方法就是在應用的時間范圍內，橋涵結構中水出現了一定程度的疲勞損壞的問題，因此在應用的過程中，其結構會超出疲勞極限的要求。結構設計細節方面對于壽命所造成的影響，其也體現出了疲勞壽命曲線的形式，主要是為了在限定范圍內，確保整體的結構更加的安全。預測結構運營時間可以通過利用頻率與加載序列來確定，然后就是分析潛在裂縫處理的過程。在應用不同結構載荷方面，要結合損傷理論來確定疲勞損傷的程度。結合S-N曲線來進行安全壽命的確定與設計，從而可以明確最佳的設計方案，也可以通過使用應變一疲勞曲線確定，前者是進行名義壽命的設計，很多情況下都是應用到高周疲勞中使用，而后者是進行局部應力應變法，很多情況下都是進行地震等偶然載荷的計算。

2.3損傷容限設計

這種施工方法主要是利用斷裂力學來進行的，首先應該假設結構初始裂縫的問題，計算確定Tf的數據時，應該使用斷裂力學原理，此時可以將裂縫看做是簡化的橢圓形狀，從而在交變應力的作用之下，裂縫會直接向深度方向發展，擴展速度可以通過下式計算確定：

式中，da/dN是一次應力循環開展兩，而AK就是一次應力循環，A、m主要就是與材料有關的常數。然后進行結構剩余性能的估算，通過試驗進行校驗分析，從而可以保證在應用的期限內，不會出現裂紋嚴重變化的情況，這種方式能夠充分的保證結構的安全性。目前該計算方法主要是應用在鋼筋舊橋疲勞壽命的計算與評定過程中。

預測檢測間隔的過程中應該要充分的考慮到漏檢，Ti≤0.5Tf，其中Tf為可探測裂紋，ld為臨界長度，lf則表示時間。表面裂紋的最小尺寸為ld，檢測階段應該根據實際情況選擇合適的方法，還要確定裂紋的問題等等內容，同時應該確定表面裂紋最小長度值的探測，具體的數據詳見表1所示。

3.鋼結構橋梁疲勞設計關鍵點

3.1確定疲勞荷載

與鐵路的設計疲勞設計方案為基礎，公路鋼結構的上部結構中的車輛數量變化量比較大，車輛間距與車型都不是固定的，從目前所應用的設計規范理論中可以了解到，應用結構疲勞損傷的基本理念來確定標準疲勞參數，此時應該要保證疲勞車總質量是一致的。線長度局部計算中，要按照標準荷載數據進行，這樣才能保證最終的數據計算更加的準確。

3.2準確確定驗算位置

這方面主要體現在疲勞敏感細節與位置，公路桿結構的疲勞測算中，要從每個節點、焊縫位置都要進行驗算。

3.3確定加載次數

公路鋼結構橋梁疲勞設計的過程中，應該綜合分析疲勞應力參數，從而可以更加準確的確定線長度、一次加載次數以及疲勞車軸距等參數所存在的關聯。從鋼結構性能、橋梁性質等方面，采用一次軸重加載的方式，應用效應相等的原則來進行，應該將更加復雜的循環應力直接轉換成為單個循環的數據來表示。

3.4構件需滿足的要求

鋼結構橋梁設計中，對于承受彎曲、拉伸作用等的鋼結構部件，應該將該部分結構設計成為長、圓形的形狀，從而可以有效的降低鋼結構的剛度變化，提升整體性能。

3.5復雜應力狀態下疲勞驗算

單向應力的應用基礎上，結構或者構件疲勞強度數據的確定可以來有效的控制抗疲勞應力，該數據會小于疲勞允許應力，但是在進行方案確定的過程中不能只利用單向應力的數據來確定，還要綜合分析其他的應力影響。有些結構受到彎矩的作用，也會受到剪力的影響，此時可以通過下式來確定：

4.結束語

橋梁結構的疲勞損壞的影響因素比較多，所以在設計過程中需要注重抗疲勞的設計，還要深入的分析各種影響因素，加大力度進行抗疲勞技術的研究，從而可以有效的防止橋梁結構出現一系列的損壞事故，提升橋梁的技術水平，滿足交通運行的需要，促進整個社會的發展。