钢结构桥梁疲劳设计分析

张立鑫

【摘 要】疲劳是钢结构耐久性的重要影响因素之一，由于钢结构受力不合理等众多原因，会导致钢结构出现疲劳裂纹，随着行车载荷的不断作用，裂纹发展成裂缝，从而影响到桥梁的正常使用。本文对影响钢结构桥梁疲劳性能的因素进行了概述，重点对疲劳设计方法进行了重点分析，以便从设计方面就避免钢结构桥梁在使用过程中出现疲劳病害。

【关键词】钢结构桥梁；疲劳设计；检测

钢结构桥梁在重载荷交通量的作用下，会产生疲劳，公路钢结构桥梁的抗疲劳性是影响钢结构桥梁使用寿命的主要因素之一。桥梁结构会因为疲劳发生损坏，因此，需要采取有效的措施对其进行预防和处理，提升桥梁桥梁的抗疲劳性能。

1 影响公路钢结构桥梁疲劳性能的因素

影响钢结构桥梁疲劳性能的因素很多，具体归纳起来主要有钢结构的材料特性、内部因素、钢结构的外部因素。

1.1 钢结构的材料特性

钢结构材料的特性是影响公路钢结构桥梁疲劳性能的因素之一，钢构件的大小和钢结构材料的各种性能都是影响钢结构桥梁出现疲劳的因素。但钢结构出现微弱的裂纹的时候，钢结构的疲劳性能会随着裂纹的增加而加大，同时，随着钢结构强度的增加，钢结构的疲劳性能也会增强，因此，并非是采用强度越高的材料就越好。由于钢结构的疲劳裂纹主要是发生在钢材的表面，主要是由于钢结构外表面的应力较高。

1.2 外部因素

影响公路钢结构桥梁的因素除了有上面的情况外，外部因素也会对钢结构桥梁的疲劳产生一定的影响，如自然环境的变化，昼夜温差太大或强冻强高温的情况，以及外界给桥梁所施加的压力等，车辆行驶所产生的共振等。根据相关的研究证明，焊接构件的疲劳强度和应力幅值有很大的关系，非焊接构件的疲劳强度也和应力幅值有关系。

1.3 内部因素

结构内部因素对公路钢结构桥梁疲劳设计的影响主要体现在，导致公路钢结构桥梁的疲劳形象发生变化，结构构造影响因素包括了公路桥梁的结构、钢构件的连接形式、构造细节等等。同时公路钢结构桥梁设计方法、采用钢结构的制造以及其焊接技术、焊接处理等都会对钢结构应力分布以及钢结构自身的缺陷产生很大的影响。

2 公路钢结构桥梁疲劳设计方法

公路钢结构桥梁疲劳设计根据以上我们分析的影响公路钢结构桥梁疲劳性能设计的因素，进行公路钢结构桥梁疲劳设计，将由钢结构材料自身属性、结构构造等引起的公路钢结构桥梁疲劳性能损伤进行消除，防止钢结构桥梁结构的疲劳性能被破坏。公路钢结构桥梁疲劳设计有3种：安全寿命设计、无限寿命设计、损失容限设计。

2.1 安全寿命设计

安全寿命公路钢结构桥梁设计，这种设计方法可以保证公路钢结构桥梁在一定的时限内，疲劳性能不发生损坏，而且构件应力设计可以超过其疲劳极限值。安全寿命设计可以将钢结构桥梁应力—疲劳寿命关系，作为公路钢结构桥梁设计的参考依据，进行钢结构桥梁设计。安全寿命设计和无限寿命设计不同，安全寿命设计属于有限寿命设计，而有限寿命设计的构件应力设计值在疲劳极限值之上，从图1中的前半部折线部分，可以知道在这些区域内的钢结构桥梁疲劳寿命各不相同，所以在设计的过程中不能像无限寿命设计那样只考虑最高应力，这种设计方法需要按照一定的理论进行疲劳损伤估算。公路钢结构桥梁设计使用安全寿命设计的条件是：钢结构桥梁的疲劳强度曲线必须知道，而且含有起裂构件制造质量符合钢结构桥梁疲劳等级定义。

2.2 无限寿命设计

无限寿命设计是最早的公路钢结构桥梁疲劳设计使用的方法，这种设计方法在钢结构桥梁设计的过程中，要求结构设计的应力低于钢结构桥梁疲劳极限值，进而完成公路钢结构桥梁的无限寿命设计。无线寿命设计是简化设计，虽然是将公路钢结构桥梁疲劳设计进行简化，但是在构件设计上显得有些笨重，为了能够充分的利用材料的性能，将钢结构桥梁应力的设计水平提升，进而将公路钢结构桥梁的无线寿命设计演变为有限寿命设计。

2.3 损伤容限设计

使用这种方法进行公路钢结构桥梁设计需要满足的前提条件是：钢结构桥梁裂纹开始的地方接近表面或者从表面开始；潜在起裂处设计寿命内的损伤超过10；采用探测方法可行；维护说明中要指明裂缝发生的位置。

在进行预测检测间隔时，需要考虑到一次漏检。Ti≤0.5Tf，其中Tf是可探测裂纹，ld是临界长度，lf是时间（见图2）。

表面裂纹的最小暴露长度ld，在检测时考虑了探测的可能性、裂纹的位置、检测方法等内容，可探测表面裂纹长度的最小值见表1：

在计算Tf时，采用的方法是断裂力学原理，将裂纹表现形式简化成半椭圆等近似的椭圆形状，在交变应力作用下，按照计算公式进行深度方向上裂纹扩展速率计算：

3 钢结构桥梁疲劳设计的关键点

3.1 疲劳荷载的确定

公路钢结构桥梁设计和铁路桥梁设计疲劳验算有所不同，公路钢结构桥梁通过的车辆数量变化幅度非常的大，而且车型、车辆间距等都有所不同，在钢结构桥梁设计规范中有：可以根据钢结构疲劳损伤等效，将其折算成标准疲劳车进行计算，但是要保证各疲劳车的总重量相同。

影响线长度较小的局部计算，按照标准轴重荷载进行。标准轴重荷载=标准疲劳车轴重载荷×1.1。

3.2 将验算位置进行准确确定

验算位置指的是疲劳敏感细节和部位，公路杆结构桥梁的疲劳验算有很多地方，每一个小节点、每一个焊缝趾等短都需要进行验算。其中重点验算的内容有：焊接缝根部、焊趾、结构倒角处、冲孔、剪开边等。

3.3 确定加载次数

在公路钢结构桥梁疲劳设计过程中进行疲劳应力计算时，要将疲劳车一次加载次数、影响线长度、疲劳车轴距之间的关系进行确定。根据钢结构桥梁的性质以及钢构件的性能，一个轴重就是一次加载，根据效应相等原则，将复杂应力循环转换成单个循环代数进行表示。

3.4 钢结构桥梁设计中构件需要满足的要求

根据多年的公路钢结构桥梁设计经验以及现有的桥梁设计规范等文件要求，公路钢结构桥梁设计中钢结构构件需要满足的要求为：在公路钢结构桥梁设计过程中对于承受拉伸、弯曲等钢构件，需要使用长且圆的过渡性钢构件，这样可以将钢结构的刚度变化相应的减小；钢结构桥梁设计中要有线选用对接焊缝，焊接构件的焊缝要在应力区下面，并且进行焊后处理。对于较复杂的构件采用辅助疲劳设计的方法进行辅助设计。

4 总结

随着钢结构桥梁的不断发展，在钢结构桥梁设计的过程中常会存在一些设计的缺陷，从而导致桥梁结构发现疲劳破坏，而影响桥梁结构疲劳的因素很多，需要我们对其原因进行分析，通过不同的桥梁结构设计方法对其进行优化设计，确保桥梁结构的稳定。

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[责任编辑：王楠]