關于鋼結構橋梁疲勞問題的綜述

張耀文

中鐵第五勘察設計院集團有限公司

1 引言

近年來鋼結構橋梁在我國橋梁工程設計領域應用廣泛，但鋼結構橋梁疲勞設計問題也越來越突出。鋼結構疲勞設計直接關系整個橋梁工程的安全性和耐久性，因此積極優化鋼結構橋梁疲勞設計是非常必要的。

2 鋼結構橋梁的疲勞

鋼架橋梁結構自身的承壓能力和穩定性能是影響其使用年限的根本性因素，還有一個最重要的影響因素為疲勞性問題。當周圍的公路結構環境受到來自大自然的影響時，可能會因為鋼架結構的疲勞性設計與實際標準之間誤差太大，就會因為一些自然因素的變動而產生無法挽回的損失，主要表現為鋼架結構的裂縫現象和斷裂現象。鋼結構橋梁的耐久性與疲勞密切相關。在重復性交變荷載作用下鋼結構橋梁容易在焊縫處出現疲勞裂紋，隨著疲勞裂紋不斷加重會導致鋼結構橋梁開裂，進而影響鋼結構橋梁的正常使用。針對該問題，設計人員需要在鋼結構橋梁設計之前就意識到疲勞設計的重要性，不斷優化設計方案。

3 影響鋼結構橋梁疲勞的因素分析

3.1 結構材料特性

影響鋼結構橋梁疲勞的因素較多。其中最主要因素是結構材料的性能，主要有構件尺寸、鋼材性能以及結構外表面缺陷等。但是鋼材強度對結構疲勞性能的影響變化不明顯，通常情況下鋼材強度的提高僅能稍微提高結構的抗疲勞性能。可見對于疲勞強度控制的構件，如果選擇強度較高的鋼材顯然是不經濟的。一般情況下，隨著構件尺寸的增加，其疲勞強度反而會逐漸降低。這是由于結構外表面缺陷處常常會出現疲勞裂縫，此時表面層材料對外表面結構的約束力度較小，導致結構發生較大的偏移。

3.2 結構的外部環境

結構外部環境也會影響鋼結構橋梁疲勞。外界循環荷載作用在結構上，會導致結構產生疲勞破壞，這其中主要是應力幅值偏大引起的。查閱以往的文獻可發現應力幅值直接影響鋼結構橋梁的疲勞強度，而平均應力對鋼結構橋梁疲勞強度影響不大。

3.3 結構構造

鋼結構橋梁的制造工藝、焊接工藝、焊接后處理工藝等直接影響結構初始應力分布情況，并對固有缺陷產生較大影響。

4 鋼結構橋梁抗疲勞設計主要存在的問題

4.1 抗疲勞設計存在較大隨意性

抗疲勞設計存在較大隨意性是普遍存在的問題。具體表現為在抗疲勞設計中采用容許應力法帶有較強的隨意性，結構安全服役安全隱患較多。容許應力法僅僅是依靠傳統經驗給出的安全系數對結構穩定性進行評價，此種穩定性評價方式可靠度不高。

4.2 荷載模型未定義

荷載模型未定義也是現階段我國鋼結構橋梁抗疲勞設計存在的主要問題。這樣就直接導致我國鋼結構橋梁抗疲勞設計選擇的荷載缺乏統一形式。鋼結構橋梁的設計疲勞荷載和實際疲勞荷載明顯不同，難以將橋梁真實的荷載運營情況反映出來。

4.3 控制參數較為粗略

控制參數較為粗略在現階段鋼結構橋梁抗疲勞設計中也較為常見，控制參數一般為應力比，應力比作為控制參數難以將實際結構被破壞的原因真實反映出來。目前國外一些較為先進的鋼結構抗疲勞設計采用的控制參數大多是應力幅。針對我國控制參數較為粗略的問題，可以積極借鑒國外在控制參數選擇上的經驗，將其轉化為適合我國國情的鋼結構橋梁抗疲勞設計規范。

5 鋼結構橋梁抗疲勞設計的主要方法

5.1 無限壽命設計

最早的疲勞設計方法就是無限壽命設計，該設計模式要求結構設計應力要遠遠小于疲勞極限值，這樣才能達到無限壽命的使用效果。對于變幅循環應力需要滿足最大應力幅低于構件等效等幅疲勞極限強度的標準。英國是最早對無限壽命設計做出明確規范的國家，明確了鋼結構橋梁的疲勞驗算方法，此種驗算方法較為簡單，非常適用于無限次應力循環為零的構建，且不需要考慮疲勞損傷程度。但是此種設計模式存在的主要問題是構件不靈巧，材料承載潛能難以全部體現出來。

5.2 安全壽命設計

安全壽命設計可確保結構在一定使用期限內不會因為疲勞發生損壞，此時構件工作應力可以大于疲勞極限。安全壽命設計可確保構件在固定期限內使用順利，確保構件安全和穩定性。加載序列和頻數可用來表達預測結構運營歷程，隨后對潛在裂紋處應力歷程進行分析。結構運營歷程荷載不同時可以以一定累積損傷理論對總的疲勞損傷進行估算。S-N曲線設計是安全壽命設計常采取的方法，在車輛等荷載引起的高周疲勞計算時可采取S-N 曲線設計。應變-疲勞壽命曲線又稱為局部應力應變法，地震等偶然荷載引起的低周疲勞計算可采用應變-疲勞壽命曲線。

5.3 損傷容限設計

損傷容限設計可確保可能含裂紋或者含裂紋重要構件的安全性，此種設計方法最先開始于二十世紀七十年代，隨后逐漸轉變為現代化疲勞裂紋控制方法。假設某個構件中有裂紋，對其進行斷裂力學、疲勞裂紋擴展分析并試驗驗證，在裂紋出現之前定期檢查，確保裂紋不會繼續外向擴大，以免加重損傷程度。以上就是損傷容限設計的主要思路。損傷容限設計時需要對結構做好相應的安全措施，在嚴格制度的約束下確保結構的安全性。損傷容限設計允許構件在使用壽命期間產生破損和裂紋，并允許構件存在初始缺陷。但是下次檢修構件之前，需要確保構件強度與上次檢查結果一致，以保證正常使用。

5.4 疲勞可靠性設計

上述設計方法均存在不同程度的分散性，單純按照平均值設計難以確保鋼結構橋梁的安全性。因此設計人員需要參考之前的使用經驗，將相應的安全系數引入其中，平均值和安全系數結合在一起可確保鋼結構橋梁的安全性和穩定性。疲勞可靠性設計需要參考疲勞強度平均值和構件應力以及疲勞強度的分布規律。以此為基礎得到相應的分布曲線計算出強度超過應力的概率，該概率就是構件可靠度。

6 新型鋼結構橋梁結構及其構造細節的疲勞研究

6.1 整體節點疲勞試驗

整體節點作為鋼結構橋梁構件連接方式，傳力簡單、安裝便捷、節省材料。整體節點在鋼結構橋梁疲勞設計中應用較為廣泛。整體節點作為一種新的構造形式對制造加工和結構分析要求較高，不僅需要靜力分析還需要開展相應試驗，分析構件的抗疲勞能力。比如蕪湖長江大橋使用了整體節點的桿件連接方式，并對十三種整體節點連接類型的構造細節展開疲勞試驗，隨后得出十三條S-N 曲線，并結合不同構造細節考核各個階段的疲勞試驗結果。

6.2 索梁錨固結構及拉索疲勞試驗

索梁直接影響鋼結構懸索橋或斜拉橋結構安全性，尤其是斜拉橋的斜拉索，因此需要使用更為可靠的索梁連接方式。其中錨管連接、錨箱連接以及耳板連接是索梁連接的常見方式。其中最先開始對索梁錨固等關鍵部位疲勞試驗研究的是日本。我國在修建蘇通長江大橋、南京長江大橋等大跨度的鋼結構橋梁建設時仔細研究了錨箱連接方式，為橋梁工程施工奠定了堅實的基礎。循環動荷載直接作用在斜拉索上，斜拉索即便是單元構件，但是依然是由高強度的鋼絲構成。目前大跨度鋼結構橋梁斜拉索都需要進行疲勞試驗。受斜拉索拉伸彈性的影響，需要對其施加更大的疲勞荷載。該試驗需要高性能的試驗設備，且試驗耗費的時間較多，一般情況下一個廠家對一項工程只要求做一根開展驗證試驗。此外，納入斜拉索減震措施和制振措施能有利減少橋梁的疲勞破壞，并進一步增強了斜拉索的耐久性。

6.3 雙軸疲勞試驗

節點構造受力不是單向的，傳統構件疲勞性能檢算時按照單向應力并納入次應力對其產生影響，設計規范中對多向受力沒有做出明確的規定。為了將復雜應力狀態直接反映出來，需要對實際受力情況進行模擬，并進行雙軸疲勞試驗。查閱相關文件發現在設計渝懷鐵路長壽長江大橋科研項目組使用FESAFE 疲勞分析軟件對其進行計算，開展了次應力雙軸疲勞試驗。系統性研究了鐵路標準鋼桁梁次應力是如何產生的，驗證了次應力對疲勞性能產生的影響，并歸納出了次應力疲勞檢算相關建議。

7 實際應用

要想真正發揮鋼結構橋梁的真正功能和效用，不僅需要利用精密的計算儀器來對其構造內部的細節和螺母進行長度和細節的運算，還需要對其抗疲勞設計的性能進行實際的應用和操作演練。此外，相關設計人員還可以結合國外先進的科學設計規范和標準來對其作出輔助性影響作用，從這些影響結構特征中，最終得出以下幾點結論:第一，雖然國家采用的抗疲勞設計內部具有一些結構性特征，具有較大的差異性，但實際采用的效用都為荷載效應，他們最終的設計理念和結構性構想都具有較高的一致性，但在實際的操作過程時，也會因為具體橋梁結構的內部構造和相關系數來進行不斷的整改；第二，對于我國的橋梁結構的具體設計而言，對其進行非常細致的和等級的劃分，但對于整體橋梁結構的可持續發展卻沒有推進作用。這就需要國內的相關設計人員，利用國外先進的科學技術標準，來對我國的設計規范進行不斷的調節和整改，對于現存的問題進行及時的糾正和解決，才能夠真正地解決現實生活中實際存在的各項問題，提高整個鋼結構橋梁的使用年限。所以，要利用可持續的發展原則和方式，來推動我國鋼結構橋梁抗疲勞設計的可持續發展和科學性進步，以安全性為原則來進行細致的劃分和性能的最大化激發，從而可以有效地利用這種高架橋梁的設計來保障我國高架橋使用的安全性，最大限度地減少安全事故發生的可能性，還可以利用這種橋梁結構來促進國內經濟的調整和結構性改善，實現農村地區和城鎮地區的共同進步，對于社會的未來都具有推動作用。

8 結束語

本文通過分析鋼結構橋梁的疲勞影響因素、抗疲勞設計存在的問題、抗疲勞設計的主要方法、新型結構、構造細節的疲勞研究以及實際應用等方面，較為詳盡地闡述了我國鋼結構橋梁疲勞問題的研究進展，希望對該領域研究有一定幫助，進一步推動我國鋼結構橋梁的發展。