公路钢结构桥梁的疲劳设计研究

公路钢结构桥梁的疲劳设计研究

杨景麟

浙江西城工程设计有限公司山西分公司山西太原030006

摘要：桥梁运营期间所面临的车辆荷载作用具有高度随机性，再加上超载和重载现象及交通量的增长，这种可变和往复荷载作用，使桥梁的疲劳问题更加突出。本文将系统分析影响公路钢结构桥梁疲劳性能的主要因素，剖析疲劳问题的形成机理和破坏原因；给出开展公路桥梁抗疲劳设计的基本要点，保障桥梁的运营安全。

关键词：公路钢结构桥梁；抗疲劳设计方法；研究

引言

研究了公路钢结构桥梁抗疲劳的设计方法，先从钢结构桥梁疲劳的问题和影响因素出发，再对抗疲劳设计方法及其重点进行阐述，论述其设计规范和实际应用中的问题后做出总结，为我国公路钢结构桥梁抗疲劳设计提供一些科学的参考，对我国其他交通行业钢结构桥梁抗疲劳设计规范的制定也有着借鉴意义。

1钢结构桥梁的优点

钢结构具有强度高、自重轻的优点，以常用材料Ｑ345钢材与C50混凝土对比，钢材的抗压强度为混凝土的12倍，而密度仅为混凝土的3.2倍，因而对相同承载力要求的构件，材质采用钢材比混凝土构件断面小，自重轻。钢构件采用空腹截面和格构型式来增大截面惯性矩，很大程度上提高了材料利用率，减轻结构重量。一般钢结构比钢筋混凝土结构减轻自重约1／3-1／2。钢结构抗震性能好，钢材与混凝土比较：①钢材具有强度高、自重轻的优点，因而抗震性能优越。地震作用在结构上的荷载是结构反应加速度和质量引起的惯性力，因此，减轻自重即减小地震作用力，提高了抗震性能；②钢材具有塑性变形好、耗能强的优点。钢材组织均匀，接近各向同性，为理想的弹塑性体，钢材的延伸率在20％以上，可使结构刚度减小，结构自震周期增大，衰减地震波，减小地震破坏、保证了结构安全。钢结构具有绿色、无污染、清洁、环保等优点，以工程结构“设计—建造—使用—维护—修复—加固—拆除—再利用”全寿命周期为研究对象，钢结构具有“工厂化制作、现场拼装、养护简单、加固方便、拆除可循环利用”的优点，如工厂化制作标准件，可节省繁杂的材料运输，减少施工现场占地，标准件可在地面组装，整体吊装。减少现场环境污染，加快了施工进度，提高构件精度，保证施工质量，标准件的加固、拆除更换较为方便，旧构件可重新熔炼再处用。因此，钢结构可称为“绿色、无污染、清洁、环保结构”。

2公路钢结构桥梁的疲劳问题

进入20世纪90年代后，我国越来越重视交通桥梁的建设，原来的石板桥、钢筋混凝土桥梁逐渐转换为现代的钢结构桥梁、斜拉桥和悬索桥。而在公路桥梁建设中最被广泛应用的就是钢结构桥梁。但是因为频繁使用和车辆载荷的不定性、超载等问题，若没有良好的抗疲劳设计，钢结构桥梁就十分容易出现疲劳问题，缩短其使用寿命。钢结构桥梁的寿命不仅仅受承载力和稳定性这两方面因素的影响，疲劳问题更是主要因素。若公路钢结构桥梁的抗疲劳设计不符合规范，钢结构桥梁在多次遭受风雪、地震等自然因素和车辆重载等人为因素的情况下，就会出现疲劳问题，促使桥梁上的疲劳裂纹逐渐裂开，缩短钢结构桥梁的使用寿命，甚至导致其断裂。因此，为了降低公路钢结构桥梁出现疲劳问题的几率，在制订抗疲劳设计方法时，就需要先对影响公路钢结构桥梁疲劳的因素进行仔细研究。

3钢桥疲劳设计方法

3.1无限寿命设计方法

最先出现的抗疲劳设计方法即无限寿命设计方法，这种方法规定钢结构的疲劳极限值一定要高于它的设计应力，这样才能使公路钢结构桥梁拥有无限的寿命。因为时间的变化状态是不固定的，所以变幅循环应力的状态是交变的，故无限寿命设计方法是在拥有钢构件的等效等幅疲劳极限强度大于最大应力幅这样的条件下才进行设计的。相较于后期出现的其他设计方法，无限寿命设计方法实际上是一种简化的设计方法，这使得根据这一方法设计出来的钢构件要笨重得多。因此，伴随着设计应用水平的逐渐提高，为了实现最大化的发挥材料的载荷潜能的目的，抗疲劳设计的方法也由无限寿命设计逐渐转化为有限寿命设计。

3.2损伤容限设计

损伤容限则是以断裂力学为基础，假定构件在疲劳问题初期出现初始裂纹，并利用断裂力学方法假定裂缝为椭圆形，通过交变应力作用分析裂纹的拓展方向和拓展速率，然后对其剩余寿命进行估算，并利用试验校验，保证其使用期限内不会发生裂纹的进一步扩展。该方法的原理就是损伤在容许范围，主要用于钢结构旧桥的检查及寿命估算，不适用于新桥的疲劳设计。

3.3疲劳可靠度设计

疲劳可靠度设计是将疲劳失效通过极限状态方程表达，通过对这个极限状态方程中的所有因素，采用概率表达的方法，最终将疲劳问题等效为全概率可靠度求解问题，而疲劳设计的目的就是保证疲劳可靠度在可接受设计范围。疲劳可靠度方法最为准确地考虑疲劳失效，是目前应用越来越多的方法。

4公路钢结构桥梁抗疲劳设计的重点

4.1疲劳荷载

疲劳设计荷载是开展疲劳评估的关键。目前各国规范中都有相应的疲劳荷载验算，对于路桥结构主要是车辆活载。规范中的疲劳车辆荷载模型都是基于大量研究确定的均一性的设计模型，所以是面向所有类型桥梁结构的，因此安全储备较高。如果对于设计的桥梁，能够掌握该桥梁在后期运营中的荷载等级和标准，可以采用更加精确的随机车流模拟方法，仿真分析桥梁寿命期内的典型车流荷载谱，并基于这些结果计算更为准确的、反映实际桥梁状况的应力幅模型，从而确定等效累积应力幅值。

4.2确定验算位置

确定验算位置也就是对疲劳敏感细节及部位进行确定，从严格意义上说，在对公路钢结构桥梁进行疲劳验算的时候，每一个小节点、焊缝趾等许多部位都需要进行验算。按照以往的经验，其中尤为重要需要验算的部位包括了焊接缝的跟部或焊趾、结构的倒角处、冲孔或钻孔的地方、剪开边或锯开边、有高接触应力的表面以及张拉索的根部。在确定验算位置后，一般情况下，工作人员会根据先整体后局部、先框算后细算的原则来验算。

结语

综上所述，伴随着我国经济和社会的发展，公路钢结构桥梁的建设也有了较大的发展，所以我国的公路钢结构桥梁设计规范应该有所修改，参考国外先进规范，解决其存在问题。进行钢结构桥梁的疲劳设计，需要掌握疲劳安全的影响因素以及进行疲劳设计的主要原则，根据目前各种疲劳设计方法的原理和应用，才能针对给定公路桥梁，设计出满足疲劳寿命要求的结构型式。因此，不论在以往还是未来，对于公路钢结构桥梁抗疲劳设计的研究都是十分重要的，要不断优化设计规范，制定更多详细安全的设计方法，不断提高钢结构桥梁的安全性和疲劳性能，这对于我国基础设施建设水平的提高也有着重要意义，有利于推动我国城镇化的进程，从而促进社会的进一步发展。

参考文献

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