国内外铁路桥梁规范抗疲劳设计方法分析

国内外铁路桥梁规范抗疲劳设计方法分析
周尚猛;李亚东
【摘要】回顾中国铁路钢桥设计规范的抗疲劳设计方法,阐述英国BS5400规范和欧洲规范Eurocode3的抗疲劳设计条文,分析比较这些规范抗疲劳设计方法.英国规范和欧洲规范采用了无限疲劳寿命方法和有限疲劳寿命相结合的方法,中国铁路桥规使用的是无限疲劳寿命方法,各国规范均不同程度地使用了概率的方法来处理影响结构疲劳的因素.在特殊结构细节分类和构造细节热点名义应力的计算方法上,英国BS5400及欧洲规范都进行了详细的规定,并且对于剪应力疲劳在欧洲规范中有了较为详尽的计算方法.
【期刊名称】《铁道标准设计》
【年(卷),期】2010(000)003
【总页数】4页(P46-49)
【关键词】疲劳设计;铁路桥规;BS5400;EUROCODE3
【作者】周尚猛;李亚东
【作者单位】西南交通大学土木工程学院,成都,610031;西南交通大学土木工程学院,成都,610031
【正文语种】中文
【中图分类】U442.5+1
1 概述
在桥梁工程中,诱发疲劳的外因主要是结构承受的活载(车辆荷载、风荷载等)及其引发的桥梁振动[1]。

随着我国交通运输荷载的增加,桥梁结构疲劳日益成为广泛关注
的问题。

各国规范的抗疲劳设计方法一般都从结构热点应力、疲劳损伤累积法则和疲劳破坏概率的角度对桥梁结构进行考察,但这些规范在上述几个方面考虑的方法
也不尽相同。

BS5400和欧洲规范,对于结构热点应力的计算方法、荷载谱的假定
和抗疲劳概率设计分析方法都做了详细的研究,其中在构件疲劳热点应力计算方面
的研究在我国规范中描述较少。

本文主要从上述3个方面阐述英国BS5400规范、欧洲规范(EUROCODE3)和中国铁路规范的抗疲劳设计方法,并对其研究方法和进
展作了分析比较。

2 中国铁路桥梁规范疲劳设计方法
我国铁路钢桥疲劳设计经历了笼统单一安全系数下容许应力设计(1951年、1958
年设计规范、规程)、分细节容许应力设计(1974年、1985年、1996年设计规范)、考虑累计损伤的分细节应力幅容许应力设计(2000年设计规范)3个阶段,不同时期
疲劳设计强度与相应采用的设计方法密切相关,自成体系,确保安全[2～3]。

在有了栓焊钢梁的经验和试验数据之后,1975年桥规对疲劳认识更加深入,相应疲
劳计算的方法更加具体化了。

具体表现在将铁路钢桥的常见细节分门别类,不同的
构造细节采用不同的疲劳验算公式,而且在疲劳构造细节验算时考虑了循环应力比
的影响。

1985年和1996年设计规范的疲劳验算方法基本与1975年规范相同,仅
个别部分进行了归纳和调整。

1996年铁道部将芜湖长江大桥正桥钢梁疲劳研究列为科技发展计划项目,针对各种焊接细节、焊接工艺做了大量试验,进行分析研究。

芜湖长江大桥首次采用厚板焊接,封闭式整体节点,焊接部位大量增多,构件具有较大的焊接残余应力,故我国以往的铁路钢桥规范已经不能满足我国工程实践的要求。

因此在科研和实践的基础上1999年桥规及2005年桥规在疲劳设计计算上做了较大更新。

主要体现在：(1)将
原来的疲劳容许应力修改为疲劳容许应力幅；(2)修订了竖向力的作用效应；(3)修订了双线系数、损伤修正系数、应力比修正系数、板厚修正系数等。

我国铁路钢桥的疲劳设计方法从仅仅认识到疲劳危害开始,已逐步深入到比较准确
地将疲劳行为纳入到规范的计算公式中,到目前为止我国现行的铁路桥梁规范仍然
使用容许应力法,而且没有详细的疲劳荷载谱[4～6]。

3 英国BS5400抗疲劳设计方法
英国BS5400规范是一套包含钢桥、混凝土桥及结合梁桥设计和构造的使用规则,
该规范以极限状态设计为基础。

其中第十篇是关于疲劳设计的规定,第十篇关于疲
劳的设计实用规则最初公布于1980年,后于1999年更新了疲劳细节的分类。

英国规范BS5400从概率论的角度和疲劳的影响因素的角度比较完整地阐述了公
路和铁路桥梁的抗疲劳设计问题。

其第十篇包含了规范的基本假定、细节构造的分类,应力计算的方法、疲劳验算所使用的荷载(包括公路和铁路荷载谱)和构件疲劳损伤的计算等,并说明了疲劳设计的步骤和方法。

BS5400中给出了分别适用于铁路和公路的疲劳荷载,对桥梁结构构件承受交变荷
载进行了分类,采用计入损伤度(无限疲劳寿命设计方法)和不计入损伤度(有限疲劳
寿命设计方法)两种方法进行设计。

在BS5400中使用了经典的线性损伤累积方法Palmegren-Miner准则来进行结构的损伤计算,并在特定的条件下规范还提供了简化的计算方法。

铁路桥细节构造的疲劳验算方法有两种,其应用方法取决于细节的分级和荷载特征。

一是,不计算损伤度的验算方法(应用这种方法时,若最大应力幅满足规范要求,即结
构寿命就满足疲劳设计要求)；二是,计算损伤度的验算方法(这种方法是在细节的应力应变关系及荷载或应力频值谱为已知的情况下,用Palmegren-Miner线性损伤
累积法则计算构件的损伤度)。

BS5400中,桥梁钢结构材料的应力循环曲线以实际的试验数据为基础,应力幅和循
环寿命之间的关系用对数线性回归方程描述。

对所有可利用的疲劳实验数据进行统计分析,并经不大的经验性调整,使不同的细节构造分级彼此协调,这就建立了各种构造细节的应力幅和循环寿命的关系曲线。

在桥梁构件设计实践中,将受力构件中的各个部分分为若干个等级和制作工艺，以便于使用规范中的具体图表进行设计。

表格中规定了各个制作工艺适用的最大分类等级,并且在表格中可以查到对应构造细节对应的S-N曲线,用以评估结构的疲劳寿命。

在热点的应力计算方面,对于结构中热点的应力可以根据经典的弹性理论将规范中设计荷载产生的轴向应力、弯曲应力和剪应力叠加计算出来,不考虑由于结构局部产生塑性时引起的荷载的重分布。

正交异性钢桥面板各部分弯曲应力,由于其与桥面铺装发生结合作用,会显著降低。

但是这种降低效应必须经过试验确定后才能使用到实际设计中来。

必要时,应力应包括下列效应：(1)剪力滞后、约束扭转和畸变、横向应力、翼缘的曲率；(2)钢板的有效宽度；(3)混凝土在结合构件中的开裂；(4)由于荷载作用点不在节点处、构件在节点处偏心及节点刚性,在桁架结构内产生的二次应力。

在应力计算中,下列效应不需要考虑：(1)残余应力；(2)在标准细节中所不可避免的偏心；(3)应力集中,但是特殊处可以另外考虑；(4)钢板的屈曲。

对于选取疲劳验算所用的荷载时,在确定最大的应力幅时,一般只考虑规范中所列车辆活载的铅垂作用,在必须考虑冲击作用时,应按照规范相应的条文进行修正。

对焊接构件,恒载应力无需考虑。

对非焊接结构,若出现压应力,则在确定有效应力幅时,应考虑恒载应力。

只有对下部结构才考虑离心力的效应。

铁路荷载中,应该考虑的是活载、冲击力和离心力的组合。

4 欧洲规范Eurocode3抗疲劳设计方法[7]
20世纪80年代末和90年代,在欧洲标准技术委员会CEN/TC—250的组织和协调下,首先编制了一套欧洲试行规范ENV1991—ENV1999。

经过一段时间的使用
后,欧洲标准技术委员会决定,通过修订和补充,将欧洲试行规范转变为欧洲正式规范,即欧洲规范。

欧洲规范是基于极限状态法的设计规范。

Euro code 3中关于疲劳的章节分以下几方面讨论了疲劳设计的方法：规范的基本假定和限制、疲劳荷载、分项系数、疲劳应力谱、疲劳计算方法、疲劳强度、疲劳强度影响因素和疲劳细节分类[9]。

在分析大量模型试验结果的基础上,欧洲规范给出了评估承受疲劳荷载的杆件、连接和接头的疲劳抗力的方法。

这些方法考虑了结构的几何尺寸和由于生产和制造引起的结构缺陷对结构疲劳抗力的影响。

正应力的疲劳强度用应力幅和循环寿命的对数关系曲线表示,每一根曲线表示一种相应的疲劳细节类型,图1中表示出了各种疲劳细节对应的应力幅和循环寿命曲线,剪应力疲劳强度有类似的曲线,见图2。

图1 正应力幅疲劳强度曲线
图2 剪应力幅疲劳强度曲线
规范中指出当结构承受构件承受提升或者旋转往复荷载、机械振动交变荷载、风致振动荷载、挤压交变荷载(接触疲劳)时必须进行疲劳验算。

但是当结构承受的疲劳应力幅较小或者结构承受的应力循环次数能够确定且该循环次数较小时,可以不进行构件的疲劳设计。

计算疲劳应力幅时,将结构材料考虑为在弹性范围内工作,必要时应当考虑结构振动和冲击荷载的影响。

规范中将疲劳幅的计算划分为母材和焊缝两类进行处理。

由此计算得到应力谱,运用雨流法处理后进行结构损伤度的计算。

疲劳验算可以处理为两大类的设计方法：(1)比较构件已经发生的损伤度和结构能够承受的损伤度(安全寿命设计法)；(2)比较构件的名义应力幅和结构在给定的应力循环下能够承受的应力幅(无限寿命设计法)。

对于热点的应力计算,当构件细节属于规范中所规定的细节时,可以按照规范中给出的名义应力幅进行计算。

特别是欧洲规范指出,对于特殊的结构细节来讲,考虑结构
的疲劳性能时必须考虑结构的正应力或者剪应力,必要时两者必须同时考虑。

当使用名义应力法对结构疲劳进行计算时,欧洲规范分3类情况进行阐述。

(1)当结构承受常幅荷载时,疲劳计算的准则为
式中,Δσ为名义应力幅；γFf为疲劳荷载分项系数；γMf为疲劳强度分项系数；ΔσR为对应设计寿命时结构细节的疲劳强度。

(2)对于结构承受变幅疲劳荷载时,疲劳损伤累积计算基于Miner线性损伤准则。

如果变幅荷载导致的应力幅大于常幅荷载极限的应力幅时,结构将产生损伤,此时需要计算结构的等效常幅应力值来计算结构的损伤度。

此时
式中,ni为使用过程中结构经受的疲劳荷载周期数；Ni为结构细节能够承受的等效常幅荷载周期数。

(3)特别指出的是,欧洲规范中考虑了剪应力疲劳的情况并给出了相应的计算损伤的公式。

规范规定,名义剪应力幅的计算方法与计算名义正应力时相同,但是疲劳寿命曲线中曲线斜率取值为5,且等效应力幅下疲劳寿命的计算公式为
式中,Δτc为构件剪切疲劳极限应力幅；Δτi为构件所经受的剪切疲劳应力幅。

当γFfΔτi≤ΔτL/γMf时Ni=∞
如果构件同时经受正应力和剪应力,则将要考虑二者的组合效应。

如果名义剪应力幅小于等效名义正应力幅的15%,则剪应力的效应将可以忽略。

在除焊接结构的细节处,由相同的荷载引起的正应力和剪应力或者在荷载应力历程中最大主应力平面变化不是太显著的情况下,最大主应力幅可以用于设计中。

在同一个位置,如果正应力和剪应力相互独立,正应力和剪应力的损伤累积可以用Palmegren-Miner准则,则联合准则如下
式中，对于正应力幅；对于剪应力幅。

如果用等效常幅应力,上面准则可以写成
对于焊缝的疲劳损伤计算可以采用类似的方法。

5 分析及结语
中国规范主要是传承了前苏联规范的思想,并且起步较晚。

1965年到1970年在成昆铁路建设中,首次大规模采用栓焊钢梁,进行了大批的栓焊钢桥构造细节疲劳试验,奠定了我国栓焊钢桥疲劳设计理论基础。

此后,芜湖桥钢梁细节疲劳试验在铁道部
科学研究院大型结构实验室进行,通过芜湖桥钢梁试验研究和进行的大批疲劳试验,
完善了我国铁路钢桥构造细节抗力方程,更新了焊接钢桥疲劳设计方法。

从早期的研究来看,我国前期的研究主要集中在疲劳试验数据的积累和抗疲劳设计
方法的研究上,目前我国的铁路钢桥疲劳设计方法仍然是基于容许应力法的无限寿
命方法,但在构造细节的S-N曲线中融入了可靠度的方法。

在影响铁路桥梁构件疲劳强度的因素中,我国设计规范考虑了钢种、活载及活载交
通量、结构承受的动力效应和构件平均应力等因素的影响。

但是缺少对活载疲劳谱、特殊疲劳构造细节(正交异性板、关节点和斜拉桥锚拉板等)、复杂应力位置结构疲劳热点应力计算方法的详细说明。

相比之下,英国BS5400和欧洲规范在这些方面
有了详细的研究,并且有一些可以为我们借鉴的成果。

英国规范和欧洲规范制定时间较长,在有丰富的实践基础上形成了较为完备的铁路
钢桥构件的疲劳评价体系。

英国规范和欧洲规范使用了概率极限状态设计方法,且
这两本规范都从结构分析和简化的基本假定、细节构造的分类,应力计算的方法、
疲劳验算所使用的荷载(包括公路和铁路荷载谱)和构件疲劳损伤的计算等方面阐述了疲劳设计的步骤和方法。

从设计方法上来讲,英国规范和欧洲规范都使用了基于名义应力法的无限寿命计算方法和安全寿命计算方法,我国规范主要的抗疲劳设计方法是无限寿命方法。

诱发疲劳的主要因素包括活载历程、结构细节和材料抗力。

欧洲规范和BS5400中都指出了安全寿命法的验算方法,并使用了Palmegren-Miner准则计算损伤度。

中国规范在设计方法上比较简单,采用了基于容许应力法的名义应力法进行结构疲劳设计,对于结构疲劳应力损伤累积的本构模型考虑较少。

我国铁路规范、英国BS5400和欧洲规范都明确而详细地涉及了引发疲劳的各种因素。

对于铁路桥梁的荷载谱,我国规范还没有给出对应的计算图示。

英国
BS5400第十篇给出了英国干线的荷载频值谱,将铁路分成两类：正规线路和客运快车线路。

正规线路又按其列车的轻重分为三个级别：重载、中等载重和轻载。

它是目前世界各国在疲劳荷载谱的制定中做得最全面的,亦可以作为我国疲劳荷载谱制定或者特定工程结构疲劳计算分析的参考。

从结构细节和材料抗力的角度来看,各国规范都将实际结构中所用到的结构细节和材料作为整体考虑,将其分类,然后用试验的方法来确定该细节构造的应力幅和循环寿命的关系。

中国规范将构造细节分为13类,并将其编制成表格供设计人员查用,在这些构造细节中包括了常用的结构连接形式(焊接、栓接和铆接)。

英国规范和欧洲规范中也同样采用了这种方法,欧洲规范和英国规范涉及正交异性板的分类,并且给出了规范中没有给定的结构细节的考虑方法和应注意的事项,而其中国规范并没有涉及。

在应力幅计算方面和结构细节热点应力考察角度来说,各国规范都是采用了线弹性的假设,并且假设构件都在弹性范围内工作。

对于复杂的和没有规范数据的结构细节各国规范都强调了疲劳试验的重要性。

特别指出的是,在欧洲规范中,对于特殊的结构细节来讲,考虑结构的疲劳性能时必须考虑结构的正应力或者剪应力,必要时两者必须同时考虑。

如果构件同时经受正应力和剪应力,则将要考虑二者的组合效应
并且要按照其联合损伤度计算结构构件的疲劳寿命。

参考文献：
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[9]李亚东.桥梁工程[M].成都:西南交通大学出版社,2006.。