橋梁鋼結構的疲勞設計分析

路璐 倪紫威

1. 蘇交科集團股份有限公司 江蘇 南京 211112；

2. 南京博科新材料產業研究院有限公司 江蘇 南京 211100

1 橋梁鋼結構疲勞性分析

橋梁鋼結構主要是由金屬元件制成，同時金屬存在某種疲勞屬性，鋼結構在具體應用中受到內外因素影響，處于循環應變以及循環應力影響下，形成局部積累損傷，導致裂紋問題，疲勞裂紋同樣會在車輛荷載持續作用影響下，導致裂縫進一步擴大，影響交通和橋梁的應用安全性。抗疲勞性則是上述隱患重要保障，抗疲勞性也成為鋼結構重要設計內容，隨著鋼結構抗疲勞性擴大，橋梁應用壽命相繼增加。橋梁鋼結構綜合抗疲勞性容易受到多種因素影響，內部因素包括橋梁鋼構件連接模式、橋梁形式、細節構造，除此之外，焊接方法和設計手段也會影響橋梁鋼結構應力分布狀態。外部因素包括氣候環境，現實晝夜溫差、冰凍現象、暴風雪、高溫高寒等因素都會導致鋼結構設計差異，產生鋼結構應用性能差異。材料因素影響中，鋼構件屬于橋梁鋼結構中影響抗疲勞性主要因素，鋼結構中細微問題在實際應用中都會被進一步放大，所以需要從源頭入手，合理選擇鋼材，保證鋼結構滿足抗疲勞設計要求[1]。

2 橋梁鋼結構疲勞損傷過程分析

通常可以將橋梁鋼結構疲勞損傷分成三種層次，第一階段是形成裂紋裂縫，因為結構問題或材料等因素影響導致形成裂紋；第二階段是緩慢擴展階段，基于荷載的反復作用影響下，導致裂紋不斷延伸擴展；第三階段是快速破壞。經過長時間的破壞影響積累后，出現某種沖擊破壞條件下，便會導致裂紋被迅速破壞，形成脆性損傷問題。因為在橋梁鋼結構生產施工中不可避免會出現各種結構缺陷，而不管科技發展到何種程度，只能盡量控制種種缺陷，卻無法徹底消除。比如橋梁鋼結構中的非金屬雜質、化學成分偏析以及各種非焊接零件表層劃痕等，軋鋼生產中所實施的火焰切割、剪邊和打孔等操作都容易產生裂紋和毛邊問題，而這些損壞也是無法避免的。疲勞強度在靜荷載與破壞并不相同，疲勞損壞特征如下：第一，疲勞斷裂應力小于靜荷載極限標準，甚至部分條件下還小于對應屈服強度。第二，疲勞失效普遍出現于局部高應力剖面，并非是應力最大部位。第三，即便是塑性材料，在出現疲勞損傷后也不會形成較大的塑性變形，不存在明顯預兆帶，因其屬于脆性斷裂，具有一定突發性，容易造成巨大的傷亡損失。第四，疲勞損傷可以分成兩種區域，分別是拉斷區和擴展區，任意端裂縫應力集中，大部分條件下，三向拉應力和雙向拉應力不會導致塑性變形，斷裂口展現出一種顆粒狀脆性端口以及韌性斷口。

3 橋梁鋼結構疲勞設計基礎原則

針對橋梁鋼結構實施整體優化設計中，為了進一步優化橋梁結構整體抗疲勞性能，需要嚴格按照以下幾種要求實施，第一是在滿足成本效益同時，盡量選擇應用疲勞強度等級較高元件。盡管鋼結構質量處于首位，但建造價格也是其中的重要考慮元素，市場中存在多樣鋼構件廠商，對應價格、質量也存在較大差異。為此，施工單位需要對多家廠商鋼構件實施綜合比較分析，擇優選擇，在滿足基礎成本效益同時，選擇具有較高抗疲勞等級鋼構件，確保價格相等拼質量、質量相同拼價格。成本控制中，除了需聯系核心構件價格進行考慮之外，還需要考慮相關部件的可替換性，成本控制不但存在于工程建設環節，同時還存在于橋梁建設應用、保養維護等層面，鋼構件可替換性便成為成本控制中的重要參考標準。

開展疲勞計算中，注重橋梁構件可替換性，此外，還需要聯系橋梁施工進行合理考量，明確保養、維護和應用等不同因素影響。處于低溫區域內，構件橋梁鋼結構中，還需要進一步聯系冷脆性和動態負載耦合等影響因素進行考慮，選擇具備較高韌性材料。開展橋梁鋼結構綜合設計中，處于焊接缺陷以及應力集中條件下，或因為結構形狀限制，無法開展非破壞性檢測，需要優選具有較高韌性材料進行焊接。焊接結構相關設計活動中，需要減少過度集中以及重疊焊接等問題，控制焊接操作中所形成應力殘余[2]。

質量優先原則是橋梁鋼結構相關抗疲勞設計中的基礎原則。同時質量控制也是建筑工程核心，工程質量除了和工程自身相關之外，同時還和區域發展、公共安全相關。為此在抗疲勞設計中，需要嚴格按照質量優先基礎原則，鋼結構抗疲勞性能會影響鋼構件的材料選擇，建設單位需要選擇有效鋼材料。假如鋼構件產生細小裂紋，則在車輛負荷影響下，便會導致鋼結構裂紋進一步擴大，影響橋梁結構應用壽命。為此需要重視鋼構件選擇，保證結構外表面完整性。強化工程質量控制，避免因為操作失誤導致的鋼結構質量問題，過度焊接以及重復焊接等都會影響鋼結構應力，從而產生各種裂紋、裂縫。為此需要做好焊接施工，選擇高韌性材料和焊條，從最大程度上降低焊接裂縫，保障橋梁結構綜合質量。

4 橋梁鋼結構疲勞設計具體策略

4.1 橫向抗傾覆穩定性能

在現代化背景下，鋼結構橋梁建設規模持續擴大，而疲勞設計質量會直接影響橋梁鋼結構后期應用時間長短，為此需要提高相關設計人員重視程度。針對橋梁鋼結構實施抗疲勞設計中，需要按照下列原則實施，使抗疲勞性滿足橋梁后續應用要求。橋梁鋼結構所選材料和其他領域材料相比普遍擁有更高強度、重量更輕，但在多車道和小半徑設計中，需要重點注意橫向抗傾覆穩定性能。從前，因為橋梁施工中尚未形成橫向抗傾覆穩定性能設計，導致橋體產生傾覆現象。連續鋼梁產生小半徑故障，導致形成較大跨度，假如橋面寬度超出鋼梁，則容易產生內側支座受力不足的問題，該種狀態下擴大橫梁外部支座承載力，該種衡量受力不均，同樣會使整個橋體直接傾覆。橋梁鋼結構實施疲勞設計中，需要實施準確計算，預防橫梁出現不均勻受力問題。針對橋梁結構中的橫梁部位實施灌砂處理，可以進一步優化橋梁綜合穩定性。

4.2 焊接結構完整性

橋梁鋼結構設計中，需要優化結構設計，改善受力模型，選擇有效結構降低部分疲勞。靜態負載下橋梁鋼結構應力集中普遍不會在塑鋼發展，在高峰壓力降低，在低應力壓力提升，設計中，不會對極限承載力對應橫截面考慮其影響，使界面應力逐漸均勻。峰值應力區內，突出的應力集中變形通常會伴隨著較大應力域，和動態負載下斷裂結構疲勞失效相關。橋梁鋼結構完整性設計會影響橋梁綜合穩定性。在實施焊接操作中，所選接頭方式因為受力差異而存在較大差別。接頭應力作用同樣會對母材受力性能和結構特征產生一定影響。此外，焊接處理中，應力普遍會導致焊接結構產生變形問題，增加接頭的焊接缺陷，無法滿足橋梁整體性結構要求。為此從整體層面設計橋梁整體鋼結構中，需要高度重視接頭焊接設計，在檢測結構焊接效果中，通過焊接性檢測獲得焊接接頭的疲勞和靜力等級，挑選適合焊接方法，避免接頭焊接處理中產生各種變形問題。開展焊接設計中，需要對重要細節部位實施合理設計，保證焊接受力均勻，進一步降低應力。進一步減少因為接頭處理不當形成的橋梁鋼結構連接區域受力不均問題，提升橋梁鋼結構局部連接穩固性。

4.3 結構內力

針對橋梁鋼結構內力實施綜合計算中，普遍是邊孔單懸臂模式為主，而中孔選擇簡支掛梁結構實施合理計算。該種計算方法進一步把橋梁縱向分解成數個單元模塊，同時針對各個單元截面合理編制號碼，并把各種原始數據編碼實施輸入操作。具體輸入信息涵蓋應用信息、施工信息、預應力鋼束、單元特征以及項目等信息。結合全預應力構件準確計算橋梁整體結構安全性，具體計算內容涵蓋活載、收縮徐變以及預應力等。于橋臺位置安裝滑動支座，并在橋墩位置安裝固定支座，于掛梁一側安裝固定支座，在另一面安裝滑動支座。

為了進一步優化橋梁鋼結構綜合應用壽命，需要設計者提高橋梁安全壽命相關設計的重視程度，確保特定時間內，橋梁結構不會產生任何損壞。并在初期設計中，合理應用曲線形式，滿足橋梁安全應用需求。系統自身具備預測功能，所以在對頻率和加載順序實施系統分析后，可以進一步聯系裂紋應力結構對荷載力實施準確預測，安全壽命設計將S-N曲線當成基礎標準，聯系壽命曲線具體要求。除此之外，還應該準確估算橋梁架構的剩余壽命，借助實驗檢測等措施，為了保障結構應用壽命，需要對鋼結構的疲勞壽命實施準確評估和預算。

4.4 鋼箱梁對應橫梁

針對橋梁鋼結構實施綜合設計中，假如橋梁主道寬度較大，可以進一步優化設計，實施該種設計工作中，需要重點關注豎向計算要求。并選擇豎向加勁作為配套措施，在豎向加勁肋無法滿足橋梁應用性能要求條件下，可以考慮選擇設置橫向加勁肋。為了保障施工質量，減低裂紋概率，需要加強材料控制，選擇高韌性材料，降低結構應力幅。

4.5 安全壽命設計

為了進一步提升橋梁鋼結構工程的應用壽命，相關設計人員需要將設計重點放到橋梁鋼結構的安全性能和應用壽命當中。同時在設計過程中，保障整個橋梁鋼結構在限定應用期間內不會產生各種損壞問題，實施橋梁鋼結構綜合設計中，還需要合理應用各種曲線形式。系統自身具備一定的預測功能，所以在對加載序列和運動頻率進行系統分析后，可以進一步聯系裂紋應力結構對荷載力進行科學檢測，按照S-N曲線進行安全壽命設計，同時和壽命曲線進行充分融合。除此之外，還需要準確估算橋梁鋼結構的剩余應用壽命，借助實驗檢測措施實施具體應用，為了保證應用期限內橋梁鋼結構的應用性能，需要對橋梁鋼結構的疲勞壽命進行準確評估測算。

4.6 疲勞強度設計

結合應力結構系統實際應用要求和承載特征，需要聯系結構屬性對構件截面內力進行準確計算，針對結構剛度較大以及荷載作用較強的部件，可以在原有模型基礎上，對移動荷載的變化和非線性運動特征進行準確分析計算，通過系統分析進一步了解移動荷載影響下節點應力特征。因為設計中容易產生各種誤差，為此需要進一步聯系橋梁鋼結構相關規范標準，通過系統比較分析合理設計結構疲勞抗力。在具體實踐應用中，還需要對其中各種細節部分進行細致分析，準確計算高強度螺栓。此外，橋涵部分設計工作中也對設計規范提出明確要求，在實際設計應用中，需要針對構件各個細節和不同類型進行全面對比分析，嚴格按照具體標準規范要求對橋涵結構以及木結構實施準確計算。而橋梁鋼結構相關設計，可以結合驗算部位整體構造實施準確計算，參考國外相關設計規范實施創新設計。

4.7 標準參數設計

在橋梁鋼結構實際應用設計中，應該嚴格按照相應的規范標準實施，針對橋梁施工和疲勞驗算設計等內容進行準確計算。橋梁鋼結構整體設計中，可以按照等效折算方法，把橋梁鋼結構的疲勞損傷數值進一步轉化成標準疲勞車，但應該保障疲勞車輛維持相同重量。綜合考慮各種檢測指標，實際驗算中，重點對各種細節部位、敏感部位進行合理設計，假如無法確定相應的疲勞參數，便會影響系數設計質量。對于某些復雜結構的應力系統，應該保障各個構件從最大限度上滿足工程要求，發揮出橋梁的功能優勢。全面控制構件焊縫到應力區間處理質量，促進焊后處理工作全面落實，滿足設計要求[3]。

5 結束語

綜上所述，抗疲勞性作為橋梁鋼結構中的核心設計內容，會影響橋的應用效益和社會效益，同時也是保障安全交通和經濟發展核心。為此需要建設單位始終堅持環境適應、質量為先、投資控制等基礎原則，選擇有效施工設計策略。例如針對橋體穩定性和焊接完善性，需要優化橋梁鋼結構綜合質量，滿足橋梁應用時間要求。