浅谈钢结构桥梁的疲劳问题

浅谈钢结构桥梁的疲劳问题

摘要：随着钢结构桥梁的疲劳问题的日趋突出，其疲劳设计问题也越来越得到重视。在桥梁设计中，保证桥梁的安全性和耐久性是最根本的要求。文中对目前应用广泛的钢结构桥梁的疲劳问题进行了探讨。

关键词：桥梁疲劳设计问题对策

前言

近年来，钢结构桥梁在我国公路桥梁中得到了越来越多的应用。一方面，钢结构桥梁的疲劳问题日趋突出；另一方面，我国公路钢桥规范与英、美等国钢桥规范相比，在疲劳设计方面规定比较简单。因此，在以我国桥梁疲劳设计经验为基础的同时，应参考一些国外规范，总结出适合我国交通行业的疲劳设计的有效方法。

一、钢结构桥梁的疲劳

30年来，我国的公路桥梁及铁路桥梁建设得到了迅猛发展。桥梁的结构体系多种多样，目前正在由传统的石拱桥、钢筋混凝土梁板式桥梁向现代的钢结构拱桥、斜拉桥以及悬索桥的趋势发展。由于车辆载荷的随机性、超载以及运行的频繁性，钢结构桥梁的疲劳问题历年来备受关注。和承载力和稳定性一样，疲劳是影响钢结构耐久性的主要因素之一。由于构造细节不合理，在重复重载交通、风或是地震等交变荷载的作用下，钢结构由此产生疲劳裂纹，疲劳裂纹不断开裂，直至影响钢桥的使用，甚至断裂破坏。为了避免钢结构桥梁发生疲劳破坏，必须在设计阶段就对疲劳问题进行细致的考虑。

二、钢结构桥梁疲劳特征的影响因素

影响钢结构桥梁疲劳的因素有很多，归纳起来主要有以下3 种：

1、结构的材料特性

与疲劳有关的结构的材料特性主要有：钢材的性能、构件尺寸、结构的表面状况。需要注意的是结构的疲劳性能随钢材强度的提高仅有微弱增加的趋势，所以由疲劳强度所控制的构件，采用强度较高的钢材是不经济的。一般说来，构件的尺寸增加时疲劳强度降低。疲劳裂缝源通常萌生于结构的表面，这主要是因为结构外表面的应力水平往往也最高，外表面的缺陷往往也最多和表面层材料的约束小，使得滑移带最易开动。

2、结构构造

结构构造主要包括桥梁的结构形式、构件的连接形式和构造细节。结构的制造和焊接工艺以及焊后处理工艺都对结构的初始应力分布和固有缺陷有较大的

影响。

3、结构的外部因素

影响结构疲劳的因素主要有结构所处的环境以及外界荷载作用产生的应力幅值和循环次数。据已有的试验结果表明，焊接构件的疲劳强度主要与应力幅值有关，可不考虑平均应力的影响。对非焊接构件的拉-拉构件，疲劳强度与应力幅值有关，不考虑平均应力的影响，而拉-压构件的疲劳强度与应力比和最大应力有关。

三、我国钢桥抗疲劳设计规范

我国现行的《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10002.2-99）是从2000年2月1日开始实施的，在此规范中，对疲劳的计算和有关规定有了全面的阐述。其中疲劳验算方法是容许应力法。这标志着我国钢桥抗疲劳设计进入一个新的阶段。但是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。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。

我国公路钢桥的抗疲劳设计规范沿用的是《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86），其中有关疲劳部分的内容与当前建设的大规模钢桥并不相称，往往考虑强度较多，对于桥梁的耐久性考虑较少，桥梁的抗疲劳设计越差，对其耐久性影响越差。目前钢桥设计中抗疲劳设计主要存在的问题有：

1、采用容许应力法进行抗疲劳设计有很大的随机性，对结构安全服役存在隐患。容许应力法只是按照传统的经验给出的安全系数来评定结构是否稳定，缺乏明确的可靠度水平。

2、未定义荷载模型，使得我国公路钢桥抗疲劳设计中荷载选择没有统一形式。对钢桥进行抗疲劳设计时的疲劳荷载和强度设计荷载不同，它不能反映桥梁真实的荷载运营情况。

3、以应力比作为控制参数非常粗略，不能反映实际的结构破坏原因。而国外一些先进的钢桥规范大多采用应力幅作为控制参数。我国公路钢桥抗疲劳设计应该结合自身特点再借鉴国外先进规范来展开更深入的研究。

四、钢桥的疲劳设计方法

对结构进行疲劳分析和按疲劳观点进行设计，是防止桥梁结构发生疲劳破坏的重要环节。主要的疲劳设计方法有以下4种：

1、无限寿命设计

无限寿命设计是最早的疲劳设计方法，它要求结构的设计应力低于其疲劳极限值，从而具有无限寿命。对于变幅循环应力，即随时间变化的不稳定交变应力状态，可按最大应力幅小于构件的等效等幅疲劳极限强度的条件进行设计。

无限寿命设计在英国规范BS5400中的铁路桥疲劳验算中也称之简化法，对于那些需要无限次应力循环为零的构件非常适用，它无须考虑构件的疲劳损伤度。但是往往设计的构件过于笨重，不能充分利用材料的承载潜能,随着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。安全寿命设计依据试验中得到如图 1 所示的构造细节的应力—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Palmgr en-miner 线性损伤累积理论。

安全寿命设计可以依据S -N 曲线设计, 也可以依据应变—疲劳寿命曲线(ε-N 曲线) 设计, 前者称为名义应力有限寿命设计, 多用于车辆等活载引起的高周疲劳的计算。后者称为局部应力应变法, 多用于地震等偶然荷载引起的低周疲劳的计算。

当前国际上大都采用依据S-N 曲线的安全寿命设计的设计思想进行疲劳设计。主要的计算流程见图2 所示。

3、损伤容限设计

损伤容限设计是为了保证含裂纹或可能含裂纹的重要构件的安全，从20世纪70年代开始发展并逐步应用的一种现代疲劳裂纹控制方法。这种方法的设计思路是：假定构件中存在着裂纹，通过断裂力学分析、疲劳裂纹扩展分析和试验验证，保证在定期检查发现裂纹之前，裂纹不会扩展到足以引起破坏的程度。

进行损伤容限设计时，必须在结构上采取安全措施，并要有一定的检修制度确保使用安全。损伤容限设计允许构件有初始缺陷或在使用寿命中出现裂纹、发生破损，但是在下次检修前要保持一定的剩余强度，能正常使用，直至下次检修