桥梁疲劳

钢桥疲劳设计综述
桥梁结构中的应力脉动主要是由活载及其引起的桥梁震动所造成的。

应力变动的幅度越大，即使平均应力小于屈服应力也会发生疲劳破坏。

铁路桥梁列车活载比较大，引起的震动也比较大，所以，铁路桥的疲劳问题更加突出。

公路桥中有些应力变化比较大的地方也要注意疲劳问题。

比如斜拉索如果经常发生风震也会发生疲劳问题。

造成疲劳破坏的原因有钢材的材料特性和局部拉应力的集中程度。

外因则是应力反复的循环特征和次数。

因此在计算结构进行疲劳研究时，需要对上述内因和外因做研究。

1.钢桥的疲劳特征
钢桥的疲劳一般认为疲劳失效通常起始于高应力区，如几何突变处、受拉残余应力区和尖锐的不连续处（按裂纹处理）。

在循环应力作用下，疲劳裂纹始于此处，最终在剩余界面不能承受荷载峰值时构件失效。

疲劳裂纹的扩展近似沿最大主应力的垂直方向，其扩展速率成指数增长，早期增长较慢，占疲劳寿命的大部分。

由于这个原因，要较发现钢结构的裂纹则比较困难。

在设计钢桥时，比较容易发生疲劳裂纹的部位有：焊缝的根部或焊址、倒角、冲孔或钻孔、剪开边或锯开边、高接触压力下的表面、张紧索的根部、材料的不连续处或焊接缺陷、由于机械损伤而形成的刻痕或擦痕。

另外，在荷载具有较高动静比、荷载作用频繁、采用焊接、复杂接头的部位、环境的影响也会引起疲劳。

2.疲劳的分析处理方法
疲劳的分析处理方法主要有以下四类：
（1）无限寿命设计
无限寿命设计方法的出发点是构件在设计应力下能够长期的安全使用。

对于等循环应力，即应力幅和平均应力不随时间变化的稳定交变应力状态，无限寿命设计方法的强度条件是构件的工作应力不小于等幅疲劳应力极限强度。

对于随时间变化的不稳定的交变应力状态，可按最大应力幅小于构件的疲劳应力极限进行设计。

无限寿命设计作为一种简化的设计方法，往往使设计的构件过于笨重。

为了充分利用材料的承载潜能，设计应力水平不断提高，疲劳设计方法也从无限寿
命设计进入有限寿命设计阶段。

（2）安全寿命设计
安全寿命设计是保证结构在一定使用期内不发生疲劳破坏，因此允许构件的工作应力超过疲劳极限。

安全寿命设计是依据试验中得到的构造细节的应力—疲劳寿命曲线（S—N曲线）进行，保证构件在规定的使用期限内安全使用。

预测的结构运营历程常用加载序列和频率来表达，再分析潜在裂纹处的应力历程。

对于结构运营历程不同荷载，按照一定的累积损伤理论估算总的疲劳损伤。

为方便计算，目前多采用由Palmgren—Miner线性损伤累积理论。

安全寿命设计计算流程
（3）损伤容限设计
该方法以断裂力学为基础进行分析。

首先假定构件内存在初始裂纹，在交变应力作用下，裂纹前沿在深度方向的扩展速率可用Paris公式计算。

然后估算其剩余寿命，并通过试验来校检，确保在使用期(或检修期)内裂纹不致扩展到引起破坏的程度，从而使有裂纹的构件在使用期内能够安全使用。

这种方法目前多用于钢结构旧桥的疲劳寿命估算和评定。

（4）依据试验设计
如果不具备足够的疲劳强度或裂纹增长数据和受载历程不确切以及构造细部过于复杂等情况，则必须根据疲劳试验得结果来进行疲劳设计。

当然通过试验来验算设计细部的疲劳强度，可以作为上述设计方法的替代方案，但试验必须用完整的原型或构件中的实际细部部分进行，其材料、细部尺寸和制作方法也应该与原型相符。

3.结论
本文分析了钢桥疲劳容易出现的部位以及相应的计算方法，希望钢桥的疲劳能够引起大家的重视。