钢桥的疲劳分析

2.7 荷载谱与应力谱
2.7.1荷载谱 和结构的静力设计不同，钢桥疲劳设计所采用的荷载不应是按最不利荷 载情况采用强度设计时的标准活荷载，而应考虑采用经常作用的各种实 际的车辆荷载，从而计算它们所引起的各种累积损伤。为此，需要研究 活荷载的频谱值，也称荷载谱。
二、钢桥抗疲劳设计原理
荷载谱定义：即是将设计基准期内桥梁构件所经历实际运营荷载（或
二、钢桥抗疲劳设计原理
1.1标准荷载频值谱
标准荷载频值谱是在英国干线公路上所记录的不同类型的车辆以
及其出现的频率，通过整理和归类所得出来的荷载谱。荷载谱中运营 车的最小轴重为30kN，默认总重在30kN以下的车辆活载不会产生疲劳
破坏效应。典型营业车的荷载频值谱如表 1所示。
1.2标准疲劳车荷载谱 由于典型车辆标准荷载谱中运营车辆较多，计算数据大，因此对 不同的车辆型号对常遇到的影响线进行分析，得到不同车辆所造成的 损伤度。经过分析发现，4A-H所造成的损伤度比例最大，因此，便以 该型号为基础，提出了标准疲劳车。
着反复荷载，断口呈波纹状。 存在拉应力 应力反复 产生塑性变形
疲劳破坏必要条件
一、钢桥疲劳的基本概念
疲劳强度的影响因素
⑴ 疲劳强度的主要影响因素是材料、内部结构与外部因素等，而与钢
材的静力强度无关（但与钢材的质量有关）。
内因
钢材材性：钢材性能、构件尺寸、结构表面状况 结构构造：结构形式、构件连接形式和构造细节 应力幅值，应力循环特征值
二、钢桥抗疲劳设计原理

二、钢桥抗疲劳设计原理
大特点是可以根据初始存在的裂纹来及确定断裂时所具有的剩余疲劳寿命，
还可以判定初始裂纹在给定的应力状况下是否扩展，故对焊接结构的疲劳
分析收到了良好的效果。 2.2 疲劳应力
疲劳荷载：桥梁结构在使用过程中所承受的车辆荷载、人群荷载、风荷
载以及地震荷载等变化着的荷载。 疲劳应力：由疲劳荷载所引起的相应的应力。 把荷载和应力随时间变化的历程则分别称为荷载谱和应力谱。 最简单的应力谱是常幅的，与常幅相对的是变幅应力谱。
计算荷载下结构应力状态； 绘制各类细部构造的疲劳曲线； 根据疲劳检算原则进行疲劳设计。
三、钢桥抗疲劳设计方法
3.2抗疲劳设计的一般方法 抗疲劳设计方法一般可分为四大类： 无限寿命设计 此方法限制应力不超过常幅疲劳极限，保证构件永远不破坏，具
有无限寿命。
安全寿命设计 此方法根据疲劳曲线下限和疲劳荷载的上限来计算损伤。它提供 了一个较保守的疲劳寿命估计，在使用寿命期内，无须对结构实施检 测，故该法也成为有限寿命设计法。
由6种典型的运营车组成。任伟平博士则是通过江苏、河南、山东、 四川等地的公路WIM系统(动态车辆重量监测系统)数据进行统计，并 针对不同桥型，提出了几种不同的标准疲劳车模型。以上两位学者的 研究对今后我国疲劳荷载谱的完善工作具有重要的参考价值。
二、钢桥抗疲劳设计原理
2.7.3 应力谱与应力历程计算
该种疲劳荷载模型对集中荷载的折减系数为0.7，均布荷载的系数为0.3。 数为0.3。该种疲劳荷载模型经常需要进行修正，否则计算出来的结果会过 于保守。采用此种疲劳荷载模型的最大应力以及最小应力值的确定，应当将
以上荷载根据所计算桥梁的可能加载位置进行加载。
二、钢桥抗疲劳设计原理
疲劳荷载模型二
疲劳荷载模型二采用一系列的理想加载车成，共有5种货车形式，加
（2）选择最低的谷点泄水。如果有两个或更多相等的最低谷点，则可 以选择任何一个谷点泄水，以水面到该谷点的泄水深度作为一次循环的 应力幅。
（3）对泄不出去的剩余水，重复第二步，直到水池的水全部泄完为止， 并将每次泄水深度作为一次循环的应力幅。
三、钢桥抗疲劳设计方法
3.1抗疲劳设计的基本要求：
预测整个设计寿命期间完整的荷载序列-荷载谱；
二、钢桥抗疲劳设计原理
应力历程计算
如何统计应力历程中各应力幅的次数的两种方法。
1.雨流法 应力历程转动90度，假想雨水沿应力历程流动，由此统计各应力幅的 数量，具体方法如下： （1）从古点开始流动的雨水到达峰点时竖直下滴，流到下层屋面并继 续往下流，当流到某一层层面遇见一个来源于比本次谷点更低的谷点的雨 水，则停止流动。同理，从峰点开始流动的雨水到达谷点时竖直下滴，流 到下一层面并继续往下流，当流到某一层面遇见一个来源于比本次峰点更
载车辆的轴数、轴距轴重以及车轮形式如表3所示。
二、钢桥抗疲劳设计原理
二、钢桥抗疲劳设计原理
疲劳荷载模型五
疲劳荷载模型五采用所记录的交通数据进行总结模拟，一种适用于所
针对桥梁的疲劳荷载谱。这种方法最为准确。 五种疲劳模型所适用的的条件是不同的，规范中对疲劳荷载模型的应 用有如下的规定： (a)疲劳荷载模型一与疲劳荷载模型二主要用于确定在常幅疲劳荷载作 用下，结构的疲劳寿命是否能够满足设计要求，而第一与第二类模型也只 能用于钢结构，而不能用于其它材料的桥梁结构。并且，疲劳模型一包含 了多车效应，相对于疲劳模型二更为保守。
二、钢桥抗疲劳设计原理
二、钢桥抗疲劳设计原理
二、钢桥抗疲劳设计原理
4我国学者对疲劳荷载谱的研究工作概述
我国学者同济大学的童乐为教授与西南交通大学的任伟平博士也
对公路荷载谱进行了研究，所采用的方法均为基于交通量的实测数据 进行。不同的是，童乐为教授采用的是现场记录法，对上海某桥梁的
交通量进行记录，并利用统计方法得出了荷载频值谱，该荷载频值谱
三、钢桥抗疲劳设计方法
损伤容许设计
此方法通过一个接一个检测环节监视疲劳裂纹增长，一旦疲劳裂
纹达到一个预设尺寸，部分构件就要加以修补或更换。此方法适用于 应用安全设计方法影响到结构的经济性或细部具有较高的裂纹开裂风
险时。显然，此法将带来比安全寿命设计方法较高的结构失效风险。
依据实验设计 此法适用于从规范或其它资料中不可能得到必要的承载应力、疲 劳强度或裂纹增长的数据时。
外因
荷载循环次数
环境：接触疲劳、高温疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳，应力状态
⑵ 疲劳强度的测定，主要是通过从小试件到大型构件实物疲劳试验，
获得疲劳性能的真实数据，最终确定相应使用荷载环境下的强度。
一、钢桥疲劳的基本概念
荷载疲劳、畸变疲劳
高周疲劳、低周疲劳
疲劳的分类 接触疲劳、微动磨损疲劳 腐蚀疲劳、热疲劳 随机疲劳、静疲劳 • 低周疲劳
二、钢桥抗疲劳设计原理
二、钢桥抗疲劳设计原理
二、钢桥抗疲劳设计原理
二、钢桥抗疲劳设计原理
二、钢桥抗疲劳设计原理
二、钢桥抗疲劳设计原理
二、钢桥抗疲劳设计原理
二、钢桥抗疲劳设计原理
二、钢桥抗疲劳设计原理
2.6 疲劳极限
定义：一般情况下，交变应力值越高，疲劳破坏时应力循环次数越低，
疲劳寿命越短。疲劳寿命无穷大时的最大交变应力值称为疲劳极限，小于 该交变应力区段的荷载也不会造成疲劳破坏，即所谓门坎值问题。
高的峰点的雨水，则停止流动。
二、钢桥抗疲劳设计原理
（2）任何情况下，在某一层层面流动的雨水遇见上一层面屋面流下的 雨水，则停止流动。 （3）每次雨流的起点和终点作为半个应力循环。 2泄水法 泄水法统计应力历程个应力幅次数的计算原则 （1）镜像同样的应力历程图，对称于与竖坐标轴平行的对称轴，将两 个最大峰值点5和5’用水平虚线相连，把该虚线以下部分图形看作一个 水池的横断面。
三、钢桥抗疲劳设计方法
3.3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安全使用。
对于等幅循环应力，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等于或小于等幅疲劳极限。
对于变幅循环应力，即随时间变化的不稳定交变应力状态，可按其最大应力
当每次荷载循环中材料经受的应变超出了弹性范围，发生疲劳破坏
所对应的循环次数相对较小，这就是低周疲劳。
一、钢桥疲劳的基本概念
• 腐蚀疲劳
环境介质导致或加速疲劳裂纹的萌生或者扩展即称为腐蚀疲劳。
• 热疲劳 在材料和结构中，由温度梯度和不均匀膨胀的循环变化产生的循 环热应力和应变所导致的疲劳损伤。 • 接触疲劳 构件在循环接触应力作用下，产生局部永久性累积损伤，经一定 的循环次数后，接触表面产生麻点，浅层或深层剥落的过程。
二、钢桥抗疲劳设计原理
当然，要将在设计基准期内（100年或120年）通过桥梁的每一列（组）
车都按不同形状的影响线计算出相应的内力历程，这实在太繁琐了，既
不必要，也不可能。由于一条线路上，特别是铁路上通过的车辆还是有 一定规律的，即便是公路，若通过一定的统计分析，仍可找到一些规律
性的数据，因此，实际上可以将营运荷载用几种“典型列车编组”、或
幅小于构件的等效等幅疲劳极限强度的条件进行设计，见图9-13。按疲劳极 限的定义，当构件的工作应力小于疲劳极限时，构件能够长期安全使用。 无限寿命设计方法在英国规范BS5400中的铁路桥疲劳验算中也称为简化 法，它适用于对规范的构造细部级别并按标准荷载频谱受载的构件。按此方 法设计，无需考虑构件的疲劳损伤度。
钢桥的疲劳分析
钢桥的疲劳分析
目 录
一、钢桥疲劳的基本概念
二、钢桥抗疲劳设计原理 三、钢桥抗疲劳设计方法 四、钢桥抗疲劳的构造细节 五、正交异性钢桥面板的疲劳问题的讨论
一、钢桥疲劳的基本概念
疲劳破坏定义：
疲劳破坏是材料在低于强度极限的反复荷载作用下，由于缺陷局
部微细裂纹的形成和发展直到最后发生脆性断裂的一种破坏。 疲劳破坏产生的原因: 钢桥在反复交变荷载作用下，先在其缺陷处生成一些极小的裂痕， 此后这种微观裂痕逐渐发展成宏观裂缝，试件截面削弱，而在裂纹根 部出现应力集中现象，使材料处于三向拉伸应力状态，塑性变形受到 限制，当反复荷载达到一定的循环次数时，材料终于破坏，并表现为 突然的脆性断裂。
一、钢桥疲劳的基本概念
疲劳破坏的过程
钢材疲劳破坏过程：裂纹形成—裂纹扩展—迅速断裂。
钢结构疲劳破坏过程：裂纹的扩展—迅速断裂。（钢材内部结构不均 匀和结构应力不均匀引起） 对比可知：由于实际构建的多重因素，使得钢结构的疲劳复杂化。 疲劳破坏和脆性断裂破坏的区别
都为脆性断裂，但疲劳裂纹出现到断裂有相当一段稳定发展期，承受
称“标准营业车”来代表。各典型列车或标准营业车出现的次数也根据 与实际营运荷载等效的原则来确定。上述“典型列车编组”或“标准营
业车组”用作疲劳验算时又称之为“疲劳车”。这样只计算“疲劳车”
的内力历程并乘以其出现的累计次数，再总加起来，就可以得到所需要 的荷载谱。
二、钢桥抗疲劳设计原理
2.7.2各国规范对疲劳荷载谱的规定
二、钢桥抗疲劳设计原理
标准疲劳车为一四轴单车，轴重均为80kN，总重为320kN。标准车示意
图如图1、图2所示:
二、钢桥抗疲劳设计原理
2欧洲规范EC1中所规定的疲劳疲劳荷载谱
欧洲疲劳规范了5种不同的疲劳荷载模型（Fatigue Load Modle,简称FL
M），现将五种模型逐一列举出。 疲劳荷载模型一
1 英国BS5400公路疲劳荷载谱
由于英国的赛文桥是世界上首个发现疲劳破坏的正交异性板钢桥， 因此英国也是对桥梁疲劳早期进行研究的国家之一，而BS5400 《钢桥、混凝土桥及结合桥》的第十篇——疲劳设计实用规则也 是各国疲劳荷载规范中最为深入和全面的。 BS5400中提出了两种疲劳荷载谱，分别为:标准荷载频值谱;标准 疲劳车荷载谱。
如前所述，荷载谱实际上是内力谱，故原则上只要将荷载谱乘上一些系
数（如冲击系数、截面几何特征、反应实际应力与计算应力差异的构造系数 等）就可以得到设计基准期内营运荷载所产生的按大小和出现次数开列的实
际应力集合，或称之为“应力谱”。
应力谱定义：由荷载谱产生构件的应力就叫做应力谱。 根据荷载谱计算产生应力历程，计算时须考虑动力的作用，即冲击系数 的发大作用和校验系数等；也可以从实测得到应力历程然后根据应力历程， 不同应力幅大小及次数的集合，即应力谱。
运营荷载与标准活载的比值），按其大小及出现次数全部开列出来即
为荷载谱，也称活载频值谱。 荷载谱的制定，原则上应将设计基准期内通过桥梁的每一类车型按不
同形状的影响线计算出相应的内力历程，然后再将所有的内力历程予
以累计，就得到所需要的荷载谱。为表示方便起见，一般另外再用标 准活载对同样的影响线计算出标准荷载所产生的内力，而营运荷载的 大小则用营运活载的内力与标准活载的内力之比表示。 由此可见，荷载谱的形状随影响线的形状（长度、顶点位置等）、运 量、车辆编组、车辆等因素而异。