钢桥面板的抗疲劳耐久性

出腹板面外变形
图2.2板梁腹板的小间隙
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gap
2.钢桥面板的疲劳设计
2.1 钢桥的疲劳设计方法简介
③热点应力评定法 对于管结构，主管与支管趾部焊接处易产生疲劳裂纹。疲劳试验表 明，若用主管断面的名义应力对所有试验结果进行统计分析，各数 据无线性相关性，不能建立疲劳曲线；若用趾部热点应力进行统计 分析，各数据有很好的线性相关性，从而建立了管—管接头的疲劳 抗力曲线。热点应力的计算方法有 FEM法和 5点实测应力外推法。该 方法已纳入海洋平台等管结构的疲劳设计规范。
有效的足尺疲劳试验，建立了该构造细节的规定：gap≥8tw。经过约
40年的实桥检验，证明有足够的抗疲劳耐久性。
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2.钢桥面板的疲劳设计
2.1 钢桥的疲劳设计方法简介
面外变形在小间隙约束处产生的 次弯曲应力按下式计算：
竖向加劲肋
tw
式中K为修正系数，Δ为面外变形值， tw为腹板厚度，g为小间隙值。 该方法已作为方法①的补充， 列入钢桥疲劳设计规范。

3—D FEM（实体元）分析，如U肋与面板部分熔透角焊缝焊跟处、弧 形切口约束处等。 对主要构造细节进行足尺模型的疲劳试验，采用实际移动轮载或模拟 移动轮载加载。 对易发生裂纹的细节不断进行改进，并用于实桥和实桥应力和变形的 测量，经受较长期的服役检验，验证实用效果。
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2.钢桥面板的疲劳设计
（3）方法③是针对管结构的，钢桥面板的结构特点及受力行为与管结 构完全不同，目前尚无这些构造细节的热点应力计算方法和疲劳抗力 曲线。
（4）方法④与评定目标有出入。 （5）方法⑤本身尚未达到实用化。
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2.钢桥面板的疲劳设计
2.3 钢桥面板的构造细节疲劳设计法
（1）近期研究 钢桥面板自重轻，具有很高的静力极限承载力，虽然在初期应用时出现 了大量的疲劳裂纹，但是对于大跨度桥梁而言，其具有无可替代的优越 性。所以长期以来各国花费大量的人力、物力对其进行研究、改进、实 桥服役验证，特别是上世纪90年代以来，进行了以下几个方面的研究， 为钢桥面板采用构造细节疲劳设计法打下了基础：
②构造细节设计法 结构若存在面外变形的小间隙（gap），由于难以精确计算该处的面外
变形及由此产生的次弯曲应力，而且又没有该细节的疲劳设计曲线，
则可利用构造细节设计法，确保结构在设计寿命内不产生疲劳裂纹， 而不需要进行计算判别。
如板梁腹板竖向加劲肋与翼缘之间小间隙（ gap）处，若因偏心荷载、 横向振动或其他原因产生出腹板的面外变形，易引发疲劳裂纹。后经
图2.3 管—管接头
图2.4 管结构疲劳设计曲线
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2.钢桥面板的疲劳设计
2.1 钢桥的疲劳设计方法简介
④断裂力学评定法 该方法针对服役的结构，若已发现裂纹（包括制造时漏检的裂纹）， 并已探明裂纹的形状和尺寸，则可应用裂纹扩展速率表达式来计算初 始裂纹尺寸 ai 扩展至临界裂纹尺寸 ac （即断裂）时的寿命，亦即剩余 寿命，以便掌握修复加固或更换的时期。 裂纹扩展速率：
裂纹尖端应力强度因子：
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2.钢桥面板的疲劳设计
2.1 钢桥的疲劳设计方法简介
通过积分求得裂纹扩展寿命：
式中a为裂纹深度，Np为裂纹扩展寿命，C、n为材料常数，ΔK为裂纹 尖端应力强度因子，ΔKth为应力强度因子门槛值，Δσ为应力幅，F1、 F2、F3、F4、F5为应力集中、裂纹形状、表面裂纹、有限板厚和有限 板宽、偏心等因素的修正系数。 该方法虽已在少量工程中应用，但要求对裂纹的探测精度高，计算较 复杂，推广有难度。
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2.钢桥面板的疲劳设计
2.1 钢桥的疲劳设计方法简介
⑤全寿命计算评估法 在循环荷载作用下，疲劳裂纹由应力集中区萌生、扩展，直至断裂。 将超过屈服应力的应力集中区视为塑性区，属于应变疲劳（低周次疲 劳），从而将塑性区疲劳断裂的寿命定义为裂纹萌生寿命（Ni），后 续的裂纹扩展至断裂定义为裂纹扩展寿命（Np），则全寿命表达式为：
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1.钢桥面板结构特征及疲劳 1.1 公路钢桥桥面板的类型及特点
类型
RC桥面板
特点 应用最早，自有公路钢桥起就采用RC桥面板 自重大，不利于向大跨度延伸 RC桥面板裂纹问题难以解决，维修费高。早期的RC桥面板已逐步更 换成钢桥面板和组合桥面板
作为改善RC桥面板的裂纹而被采用 施工复杂，工明确 应用实例相对较少
NT= Ni + Np 该方法有较强的理论基础，但要对所有构造细节建立全寿命估算的表 达式，尚需进一步的深入研究。目前尚未达到实用程度。
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2.钢桥面板的疲劳设计
2.2 不同疲劳设计方法的适用性分析
由前述钢桥面板的结构特征、受力行为、疲劳裂纹类型及其产生的原 因,以及各种疲劳设计方法的适用性可知： （1）对于钢桥面板而言，上节所述的方法①，即基于构造细节的疲劳 应力（构件断面名义应力）等级设计法是不可行的。其一，钢桥面板
钢桥面板疲劳裂纹系列讲座之四
钢桥面板的抗疲劳耐久性
（第二版）
中国铁道科学研究院 史永吉 2015年10月
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提 纲
0 1 2 3 4 5 前言 钢桥面板结构特征及疲劳 钢桥面板的疲劳设计方法 钢桥面板的结构设计 钢桥面板构造细节设计 对钢桥面板制造（焊接）的要求
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0.前言
对于大跨度桥梁而言，减轻自重、延伸跨长一直是桥梁工作者努力的 目标。显然，“钢桥+钢桥面板”结构是不二的选择。前国际桥协主席伊 藤学教授在《大跨度桥梁 —面向21 世纪的挑战》一书中，就材料和结构 形式等作了展望。 另一方面，正交异性钢桥面板用较少的钢材组成的正交异性板结构， 虽有很大的静力承载力，但是由于钢桥面板的特殊结构特征、受力行为 和严厉的疲劳环境，易产生疲劳裂纹，极大地困扰了其应用。 面对这一两难的课题，各国学者花费了大量的精力和财力，持续不断 地进行了探索。自 60 年前用于桥梁以来，经过一次次研究—试验—改进 —实桥服役检验，现已大大改善了钢桥面板的抗疲劳性能。这里不谈这 一探索过程，仅就探索结果，即钢桥面板构造细节的疲劳设计方法作一 介绍，以供参考。
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1.钢桥面板结构特征及疲劳 1.3 钢桥面板的严厉疲劳环境
（3）加载位置不固定 汽车轮载既可纵向移动，也可横向移动，对于同一构造细节，不 同加载位置在该细节产生的应力幅值有很大差异。从而导致轮载加载 的不同位置会引发不同类型的裂纹。 （4）活载应力/恒载应力比值大 钢桥面板是直接承受交通荷载的结构，活载应力σl 和恒活载应力 σl+d之比约为50%以上，而主梁构件的σl/σl+d≤15%。因此，对于钢桥面 板而言，引起疲劳的应力幅Δσ较大。 （ 5 ）近来大型重载车辆的流量越来越大，轴重有逐渐增大的趋势。
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1.钢桥面板结构特征及疲劳
1.2 钢桥面板的结构特征及传力途径
（2）功能及传力途径
功能： 钢桥面板既作为直接承受交通荷载的结构，又作为主梁上翼缘的一部
分参与主梁共同工作。
传力途径： 交通荷载→带有纵、横肋的桥面板→横梁（横隔板）→主梁 →支座→墩台→基础→地基（连续钢梁桥） →吊索、主缆或斜拉索→主塔→基础→地基（索支撑桥梁）
PC桥面板
钢桥面板（正交异性板）
重量轻，是大跨度钢梁难以取代的桥面结构 在匀布荷载或集中荷载作用下有很大的极限承载力 在汽车轮载作用下产生“鼓曲”状变形，在焊接约束处产生次弯曲 应力集中，易引发疲劳裂纹。对结构、构造细节设计和焊工的技能 水平要求较严 组合板刚度较大，自重略大于钢桥面板，低于RC桥面板，可有效改 善RC桥面板的裂纹 近年来应用实例逐渐增多
的绝大部分疲劳裂纹是伴随着结构“鼓曲”状变形迫使面板、纵肋、
横肋产生面外变形，受焊接连接约束产生次应力集中而引发的，也难 以精确计算裂纹部位的应力谱，而且这不是构件断面的名义应力；其 二，也没有这些构造细节的疲劳抗力曲线可供评定。
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2.钢桥面板的疲劳设计
2.2 不同疲劳设计方法的适用性分析
（2）方法②构造细节疲劳设计法适用钢桥面板中大多数因面外变形在 约束处引发的疲劳裂纹，按该方法设计后不需要进行疲劳应力检算， 就具备长寿命疲劳抗力，大大简化了疲劳设计，详见第2.3节和第3、4、 5章。对于纵向U肋现场对接接头，虽然可用方法①进行疲劳应力检算， 但是疲劳抗力较低、离散性较大的钢衬垫板对接焊接头改为疲劳抗力 较高的摩擦型HTB对接接头，也可免于疲劳应力检算。
2.3 钢桥面板的构造细节疲劳设计法
（2）钢桥面板构造细节疲劳设计要素 正是由于对钢桥面板抗疲劳性能的持续不断地、一步步深入的研究— 改进—实桥检验，才使钢桥面板的抗疲劳性能得到逐步改善，也使钢 桥面板的构造细节疲劳设计法得到补充和完善。日本已将这些研究成 果纳入2002年版公路钢桥疲劳设计指针。 钢桥面板构造细节疲劳设计包含以下内容： 钢正交异性桥面板的整体结构设计； 面板、纵肋、横肋三者之间连接的构造细节设计； 对制造加工和焊接的要求。
Miner定律：
( n ) eq [ ] ni
m i i
1 m
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2.钢桥面板的疲劳设计
2.1 钢桥的疲劳设计方法简介
判别式：Δσeq≤[Δσf] 该方法有扎实的研究和实桥长期服役验证的基础，是钢桥较成熟的疲 劳设计方法。
图2.1 疲劳抗力设计曲线
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2.钢桥面板的疲劳设计
2.1 钢桥的疲劳设计方法简介
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2.钢桥面板的疲劳设计 2.1 钢桥的疲劳设计方法简介
（1）疲劳设计方法 目前钢桥的疲劳设计方法可分为以下几种： ①构造细节疲劳应力等级分类法 采用疲劳荷载或疲劳荷载谱，计算被评定细节构件断面的名义应力Δσi 及相应的应力循环次数ni（即应力谱），依据Miner线性累积损伤定律， 求得等效等幅应力 Δσeq 及 ∑ni ，然后与给定的等幅容许疲劳抗力曲线 [Δσ]~N进行比较，最后判别。