關于鋼結構橋梁抗疲勞設計分析

李善群

（中國市政工程西北設計研究院有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230000）

鋼結構橋梁為一種重要的橋梁結構類型，可依據相關標準及通用要求，在設計、研發生產、施工過程中，起到極具優勢且獨特的模塊化作用，且在重復利用的環保領域，價值也較為突出。而在鋼結構橋梁具體使用過程中，鋼結構所呈現出的抗疲勞性能如何，可對使用效果產生直接影響，同時，對橋梁整體質量也具決定作用，若抗疲勞性能未及標準，除壽命會明顯縮短外，且還增加了維修幾率，引發資源浪費。故分析鋼結構橋梁在對抗疲勞性能進行設計時所遵循的原則及策略，可為相關應用提供參考依據。

1 橋梁鋼結構所具有的疲勞性能特征

就橋梁鋼結構而言，其所屬鋼構件在制作時，以金屬為原料，而金屬在特征上，具疲勞屬性，在使用中，易受自身材料、內、外等多因素影響，漸有累積損傷產生，進而出現裂紋，在車輛載荷的持續作用下，裂紋漸趨擴大，促使裂縫形成，最終影響到交通安全。

1.1 鋼結構材料方面的因素

研究所示，鋼構件是主要引發橋梁鋼結構出現抗疲勞性的因素，即使鋼構件問題極其微小，放在橋梁鋼結構中，會表現為被無限放大的情況，故需從材料源頭展開關注，以使鋼結構抗疲勞性能可從根本上對設計要求滿足。

1.2 鋼結構內部因素

能夠影響鋼結構橋梁抗疲勞性能的還有自身內部因素，如橋梁的構件連接模式和細節、設計形式、制造技術以及焊接技術等，都能影響到鋼筋結構應力的分布狀況。

1.3 鋼結構外部因素

外部因素以自然環境因素為主，包括晝夜溫差因素、高溫強寒強凍等。同時，過往超負荷運載的車輛對橋梁的壓力也屬外部因素范疇。橋梁的焊接構件本身的軟硬程度與橋梁疲勞強度也存在一定的關聯。

2 鋼結構橋梁抗疲勞設計方所遵循的原則

2.1 符合當地環境條件

在工程建筑中，橋梁鋼結構屬重要的一種類型，所在區域不同，在進行抗疲勞設計時，除具一定共性外，還有自身特征。如焊接即是共性，為重點對工程質量造成影響的因素，過度或重復焊接，均會降低鋼結構的應力，引發裂縫、裂紋，故將焊接引發的殘余應力最大程度降低具有十分必要性。但焊接易受當地環境條件影響，如埋弧焊，在夏季濕度高，可明顯增加受潮風險，引發氣泡等不良現象。故依據季節特征，對施工項目進行開展，是需要考慮的重點事項。

另外，地區不同，鋼結構設計在要求上，也存在較大差異，與自然氣候、地理方位差異具直接相關性，特別是我國，國土跨越不同緯度，南部屬亞熱帶，與東北寒冷地區在對鋼結構設計時，有明顯區別。以低溫地區為例，需對冷脆性及動態負載耦合因素考慮，相較南方，需更具韌性。

2.2 考慮設計成本

成本預期為工程項目的重要內容，故在對橋梁鋼結構進行抗疲勞設計時，在對工程質量進行保證的基礎上，需注意成本的控制。需以最低的投入，對最高的效益獲取為核心目標，建設者需從多角度，展開優化及合理的選擇。就重要組成鋼構建而言，其質量需放在首位，但在自市場購買時，也需充分對價格進行考慮。供應廠商不同，價格、質量均有區別，需擇優選取，在對成本效益符合的條件下，對具較高疲勞等級的鋼構件進行確定。此外，除構件價格，可更換性也是成本控制中的重要內容，橋梁的保養及維護，也屬成本支出范疇。如在使用期間鋼構件出現問題，僅需對局部進行更換便可將問題解決，未影響到橋梁整體運行狀況，故也是壓縮成本的重要舉措[1]。

2.3 需嚴格遵循質量優先

質量控制為各施工項目的重點，工程質量如何，除與工程本身存在關聯外，也與公共安全、區域發展等社會重大議題具密切相關性。故在針對橋梁鋼結構展開抗疲勞設計時，需注意對質量優先原則嚴格遵循。就質量優先特征而言，在對橋梁鋼結構進行設計過程中，其指所有設計層面，而鋼結構所具有的抗疲勞性能仍為重點內容，所有可使此性能提升的措施，均可作為重點關注及探索的項目。而其中，如何選擇鋼構建材料仍為重點。鋼構件材料適宜，才可對抗疲勞性能優良提供保障。鋼構件為主要對鋼結構組成的部件，不管是外形或是材料本身，均會影響抗疲勞性，如于受力區域分布的鋼構件產生了較為細微的裂紋，持續在呈運行狀態的車輛載荷作用下，可促使橋梁鋼結構有較為巨大的裂縫出現，進而將使用期限明顯縮短，并引發安全事件。故在選擇鋼構件時，除自身強度外，還需對外表面的應力進行考慮。

同時，質量優先除在選擇材料時需重視，在對工程進行建設的過程中，各個環節也均需嚴格控制，以降低人為因素引發的質量問題，如焊接可對工程質量好壞產生直接影響，過度或重復焊接均可在一定程度下降低鋼結構應力，增加裂紋、裂縫風險。故需將焊接造成的殘余應力最大程度降低，采用具較高韌性的材料與焊條，以使焊接處的裂縫盡可能的縮小，為橋梁鋼結構提供在質量方面的保證[2]。

3 鋼結構橋梁抗疲勞設計具體對策

3.1 從完整性層面進行考慮

橋梁鋼結構在進行施工時，橋體穩定性為重要目標，而橋體完整性為重要的確保橋梁鋼結構運營成本可被有效控制的因素。如在對橋梁進行焊接過程中，有大量的接頭生成，接頭形式存在差異時，受體也有著較大區別，而接頭部位所存在的應力作用，受接頭問題影響，引發的鋼構件問題也較為突出。另外，在進行焊接時，應力還可有形變現象，此是主要使接頭強度減弱的因素，并可促使焊接接頭無法對鋼結構在強度方面的整體需求滿足，嚴重者，可有裂紋出現，導致嚴重的可影響公共安全的質量問題。故需提高對焊接接頭設計的重視力度，為確保整體工程質量完整且穩定的前提條件。裂紋檢測方法見表1。

表1 表面裂紋檢測

項目在進行焊接期間，需采取焊接性檢測，來對接頭的疲勞及靜力等級進行確定，以對最為理想的焊接形式進行選擇，以防有接頭變形的現象。另外，在設計焊接時，需詳細對細節進行設計和規劃，以受力均勻，將接頭應力最大程度降低，避免因接頭故障引發鋼結構連接區域出現受力不均的情況，保持連接部位的穩定性[3]。

3.2 穩定性方面的設計要點

與其它橋梁結構進行比較，鋼結構材料質量相同呈較輕顯示，強度卻居更高水平，故有較高的應用價值，但在抗傾覆穩定性方面，還有較大的提升空間。在既往施工中，有橋體傾覆的現象，分析原因，與橫向抗傾覆設計存在問題相關，使施工安全受到嚴重影響，使工程預期社會和經濟效益無法達成。分析原因，為在設計多車道小半徑橋梁時，橋面寬度大于鋼梁，橫梁表現為受力不均的情況，進而引發橋體傾覆。故在對橋梁鋼結構進行設計時，對橫向抗傾覆穩定性進行強化，為工作的重點內容。

4 結語

在對鋼結構橋梁進行設計時，抗疲勞設計為關鍵內容，與橋梁鋼結構所產生的社會與經濟效益均具密切關聯，是保障區域經濟迅速發展的重點環節，也是確保交通安全的前提。故在對質量優先進行遵循的同時，還需堅持環境適應及成本控制原則，通過科學設計與施工，來使整體質量增強，以滿足鋼結構橋梁耐久實用的需求。