铁路桥梁的寿命分析与研究

杨阳

摘 要：在最原始的桥梁使用上，桥梁的设计只是满足使用，没有对桥梁的施工和运营等问题考虑，这样会导致桥梁的使用期限不受控制，有的会很快费掉，对于铁路桥梁的设计要考虑它的疲劳设计，通过结构疲劳优化让桥梁使用更久远。

关键词：铁路桥梁；疲劳设计；结构疲劳优化

中图分类号：U44 文献标志码：A

1 铁路桥梁

在六十年代 的时候，对铁路桥梁（如图1所示）的设计就有疲劳研究，但是那时候的研究不是很全面，并且设计人员意见不统一，对影响疲劳的因素研究没有做到实处，对于不同层次的钢结构没有系统化研究，同时也没有专门的软件进行分析，这就使得铁路桥梁疲劳的研究没有更本性解决。

在后期的铁路钢桥梁的使用与设计中，出现了很多不同國家不同地区的桥梁损坏现象，而这些破坏的发生都是因为刚疲劳产生的，例如在1938年的时候，位于德国柏林的一座桥梁因为在-10℃的条件小，桥体出现了断裂现象；在我国的哈尔滨的松花江大桥，在1901年建造的，但是在1914年出现了裂纹，原因是钢疲劳。以下是世界各地铁路桥梁疲劳失效示例，见表1。

表1 疲劳失效示例

时间 桥名 地点 状况 原因 温度

二战前夕 卡里来大桥 比利时 脆断坍塌 低温疲劳 -14℃

1938 Hasselt大桥 比利时 脆断坍塌 低温疲劳 -20℃

1940 Herenthals-Oolen大桥 比利时 开裂 低温疲劳 -14℃

1938 某桥 德国 开裂 低温疲劳 -14℃

1951 Duplessis大桥 加拿大 脆断坍塌 低温疲劳 -10℃

1962 Kings bridge 澳大利亚 脆性断裂 疲劳 -35℃

1914 松花江大钢桥 中国 开裂 疲劳

1973 太子河桥 中国 斜拉杆断裂 疲劳

1967 Point Pleasant 大桥 美国 倒塌 疲劳

1970 耶罗·米尔·庞德桥 美国 开裂 疲劳

1978 157号公路桥 美国 链杆断裂 疲劳

1990 Bascule桥 荷兰 开裂 疲劳

2001 Daniel Webster Hoan Bridge 美国 断裂 疲劳

1994 汉江大桥 韩国 断裂 腐蚀疲劳

2 疲劳设计

钢材在使用的过程中由于反复的载荷作用，在使用一段时间后会出现疲劳现象，同时在疲劳的破坏之前，整个钢材是会发生明显的变形或者收缩，有的会出现弯曲，有的会出现断裂，在这种载荷的作用下，铁路桥梁中主要钢材会先发生塑性变形，然后是硬化，最后是断裂。

疲劳的分类可以分为材料疲劳和结构疲劳，材料疲劳是材料本身的基础问题，结构疲劳是设计问题，这种疲劳是试验研究产生的，通过标准形式可以查找到，结构疲劳是不可预测的，通过疲劳的性能和估算进行研究。

金属的疲劳阶段可以划分为3个阶段，疲劳的开始阶段、疲劳的扩展阶段、疲劳的失效阶段，同对钢的结构与寿命研究，对其进行安全评定，而常用的疲劳评定方法有以下几种：

（1）名义应力法，这种方法是最早的分析方法，其是通过参数进行分析的，主要是材料的S-N曲线。

（2）局部应力应变法，将应力集中在某个局部进行疲劳分析，进行破坏性研究。

（3）损伤容限评定方法，这种方法是通过假设的方法进行疲劳研究，先假设钢材内部已经发生破坏，然后分析这个钢材还能使用多长时间，这种方法是提高使用安全系数。

（4）概率疲劳评定方法，这种方法是通过数据统计的方法，然后进行概率疲劳设计。

对于抗疲劳设计的方法主要是通过桥梁在承受反复应力的作用下，许用应力需要在一个系数的前提下，还要大于桥梁的疲劳应力，如下：

σmax≤r[σ]

式中：

[σ]—强度容许应力。

r —疲劳折减系数。

σmax —最大应力。

在铁路桥梁的疲劳研究中，除了钢材本身的结构发生变化，对桥梁造成的疲劳破坏之外，还发现桥梁的使用环境也会对桥梁钢进行疲劳破坏，而实验中发现温度对桥梁的影响是突出的，在常温状态下，钢的韧性的良好的，但是随着温度的下降，会发现刚的脆性在提高，同时还跟钢材的形状和厚度有关，图2就是钢材与温度之间的关系曲线。

3 结构疲劳优化

铁路桥梁在实际使用时候会出现出现疲劳现象，影响其自身刚性，但是在使用或者设计中可以进行疲劳优化，减少疲劳度，提高使用寿命，结构疲劳的优化可以通过以下几个方面进行：

（1）焊接盖板的优化，通过大量的实验数据表明，在梁的使用中，要是对其进行焊接盖板，可以减少梁关键疲劳位置的疲劳，增加梁的强度，图3就是盖板的焊缝处理图。

（2）可以通过坚向增加劲肋的方法提高桥梁的强度，是在两个上下梁之间添加劲肋，这样可以将梁与梁之间产生相互作用力，提高整体性能，但是在每个肋的端面与梁连接的位置，需要特殊处理，因为这个位置可以影响整个梁的结构强度，有的是螺栓连接，有的是球焊接。

（3）平纵联节点，这个与增加劲肋相似，这个是在桥梁结构中采用平纵联的方法进行抵抗风载荷、活载或者侧向移位，平纵联的节点是需要焊接到腹板或者翼缘板上的，在这个连接处理上，要将位置设计在应力最小的位置，可以满足抗疲劳的要求，或者是将其连接在受拉翼缘上，可以提高疲劳强度。

结论

在对于铁路桥梁设计中，桥梁钢结构的疲劳是影响桥梁最重要的因素，需要结合国家现有的桥梁钢结构分析实例，结合使用现场的实际情况，设计出先进性、适用性和可靠性的桥梁，制定细致的抗疲劳设计措施，将铁路桥梁的指标达到最大化。

参考文献

[1]师义军.既有公路钢桥剩余疲劳寿命评估及疲劳可靠性研究[D].西安建筑科技大学，2005.

[2]钟炜辉.钢结构的高周疲劳损伤有限元分析模型研究[D].西安建筑科技大学，2005.

[3]李亚东，徐俊.铁路钢桥疲劳损伤概率分析[D].桥梁建设，2003（4）：1-3.