關于鋼結構橋梁抗疲勞設計的分析

高大衛

摘 要：近年來，我國的橋梁越來越多的應用了鋼結構，但是鋼結構橋梁出現疲勞問題也隨之增多。因為鋼結構橋梁在使用過程中受到疲勞荷載的長期影響，而且在疲勞荷載產生的微裂縫會因時間的變遷而擴大，因此橋梁設計人員應該加深對鋼結構承載力的認識，車流量較大，環境侵蝕，車輛超載等因素均會導致橋梁發生坍塌事故，因此有關部門予以高度的重視。

關鍵詞：鋼結構；橋梁；抗疲勞；設計

中圖分類號：U441+.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）26-0102-02

在鋼結構橋梁中出現的疲勞問題，對橋梁結構的耐久性造成一定程度的負面影響，疲勞主要有兩種，即多軸疲勞與單軸疲勞等等。而疲勞是影響橋梁結構耐久性的關鍵因素，設計不合理等諸多原因容易使鋼結構發生疲勞性裂紋，加之行車載荷的作用，裂紋會發展成為裂縫，不利于鋼結構橋梁的正常使用。從實踐得知，疲勞設計工作的優劣直接影響到鋼結構橋梁的使用年限和安全性能。

1 鋼結構橋梁疲勞性能產生影響的因素

1.1 鋼結構材料的特點

鋼結構材料本身的特點給鋼結構橋梁的疲勞性能造成一定的影響，鋼結構橋梁材料性質與橋梁鋼構件的大小會對鋼結構橋梁的疲勞產生影響。當鋼結構材料的表面出現細微裂紋時，鋼結構橋梁自身的疲勞性因裂紋變大不斷增加；當鋼結構的橋梁強度有所增加時，直接導致鋼結構的疲勞性能會有所增加，實際上不是因鋼結構強度高就代表材料質量越好。由于在鋼結構橋梁鋼材表面上會出現疲勞裂紋，這主要是鋼結構表面存在較高的應力。

1.2 鋼結構的內部因素

鋼結構內部的因素可以影響到鋼結構橋梁的疲勞設計，可以讓鋼結構橋梁自身的疲勞形象發生一定的變化，剛結構的影響因素主要包含橋梁的構件連接形式，構造細節等內容。鋼結構橋梁的設計形式、鋼結構橋梁的制造技術和焊接技術工作都會影響到鋼結構應力的分布狀態。

1.3 鋼結構橋梁的外部因素

鋼結構的橋梁產生影響的因素除上述兩種因素以外，還有外部影響，這種影響直至鋼結構的橋梁產生疲勞，外部影響主要包括晝夜溫差，自然環境，強凍強高溫天氣等，還有外界給鋼結構的橋梁施加壓力，過往行車在行駛中出現的共振。焊接構件自身的應力的幅值和疲勞強度之間有著一定的關系，非焊接性構件的疲勞強度和應力的幅值有關聯。

2 橋梁結構抗疲勞的設計計算方法

2.1 鋼結構橋梁構件連接疲勞的抗力方程式

鋼結構橋梁的疲勞抗力方程公式可以根據有關鋼結構設計規范予以參考，例如：

公式一，母材：

公式二，高強度螺栓：

公式三，橫向對接融投焊接縫隙：

公式四，留有孔洞的桿件：

公式五，栓釘：

公式六，橫向角度焊接與板梁豎向加勁肋和腹板連接焊接端部：

公式七，單面坡口傳力焊接：

公式八，板梁蓋板端焊接與整體節點：

公式九，鉚接構件：

2.2 根據鋼結構的實際應力情況加以計算

橋梁鋼結構需要承受的疲勞應力分為兩種，即壓應力與拉應力，主要的設計計算方法有以下幾點。首先，橋梁鋼結構的構件自身需要承受的疲勞應力屬于拉應力，構建自身的設計要點是應力幅控制，因此應該運用有關容許應力的計算公式加以計算，公式是 ；其次，鋼結構構件自身還會承受壓應力，在進行抗疲勞設計計算工作時，應該結合應力比加以考慮，積極引入應力比修正系數并做好修正工作，主要的公式為 。

在上述兩個公式中△？滓e代表鋼結構橋梁自身連接構造細節上的等幅應力幅，？滓'max表示鋼結構橋梁在構造細節上活載和桓載的最大總拉應力等幅應力，rt表示橋梁鋼結構板厚的修正系數，其自身的臨界點是25mm，若臨界點等于25mm，或是大于25mm，則修正系數值為1，當小于25mm時，系數值是rt=4，？滓r表示率不小于97%的容應力值，rp表示應力比修正系數。最后，對△？滓e進行求解，求解的方式分成可實測與不可實測兩個方式。

其一，可實測：可實測方式對鋼結構構件而言，能夠有效的確定構件隨機應力幅，進而便于實施抗疲勞計算，具體的抗疲勞計算方程為以下公式：

其中？琢代表-控制計算、或者是測量誤差產生的不利影響，此時便需要用測量最大值進行系數的修正；相互作用的頻率數值，所謂的m代表-疲勞抗力方程式中的直線斜率，它的取值需要以△？滓e=？滓max？燮rtrp[？滓r]的計算為主要依據，？撞ni代表-累計應力幅的作用頻率值。

其二，不可實測：由上可知抗疲勞計算的方程式是

公式 包括恒載在內的最大總應力，公式 包含恒載在內的最小總應力，上述公式中，？滓1代表-荷載應力，r1代表-在相關橋梁在設計標準為基礎的前提下進行恒載組合系數的取值；r2代表-活載組合系數取值，？茁表示-在1.0～1.4范圍內進行取值的交通運輸工具的效應系數，mc代表：桁架結構橫向分布系數和箱型結構偏載系數，？孜代表-多個車道時橫向的折減系數，？滓max，？滓min代表-依據車道活載應力影響加載的方式，因此得到細節位置車道荷載作用的最小應力、最大應力，進行計算的時候應該詳細分析兩者在車道荷載狀態下的平面值，是否考慮到了車道數、空間分配以及空間橫向分布的系數等。另外其未能考慮動力自身所帶來的沖擊造成的影響，單一的靠單車道荷載狀態下做好相關計算與取值工作。

3 鋼結構橋梁的疲勞設計方法

由于鋼結構自身具備一定屬性，結構構造都會避免疲勞性受損壞的問題。而鋼結構橋梁設計的方法三種：安全壽命設計，損失容限設計以及無限壽命設計。在安全壽命的設計工作中，期能保障鋼結構橋梁在某段時間范圍內不能出現疲勞損壞，而構件應力的設計可以超過構件的疲勞極限數值。其次，損失容限設計方法需要在鋼結構橋梁裂紋出現處的近地表或是表面進行。最后，無限壽命設計屬于較為傳統鋼結構橋梁疲勞設計方法，這種設計方法用于鋼結構橋梁設計階段中，同時能簡化鋼結構橋梁的疲勞設計方式。endprint

4 鋼結構橋梁疲勞設計的關鍵要點

在實際鋼結構橋梁抗疲勞設計中，鋼結構橋梁的疲勞荷載，驗算位置，加載次數以及鋼構件的條件的確定，均是疲勞設計工作的重點。

4.1 確定疲勞荷載

鋼結構橋梁設計與橋梁上行車數量的變化情況有一定的關聯，在車型和車輛的間距方面會存在一定的影響，而且在鋼結構橋梁設計標準中有明文規定，需要根據鋼結構自身的疲勞損傷程度將其折算成為標準的疲勞車輛，以及做好計算工作，并保證好各個疲勞車輛的總體重量能夠相等。對線長度影響較小的局部做好相應的計算工作，并且依據相關規范做好軸重荷載的工作，軸重荷載公式如下：標準軸重荷載=1.1×標準疲勞車軸重載荷。

4.2 準確確定驗算位置

鋼結構橋梁的疲勞位置以及敏感的細節被稱為驗算位置，鋼結構橋梁自身有諸多地方需要進行疲勞驗算，每一個焊縫趾，甚至是每一個節點均需要進行驗算工作。這其中較為重要的是焊趾、沖孔、焊接縫根部等等。

4.3 加載次數的確定

鋼結構橋梁的疲勞設計工作需要重點計算疲勞應力工作，除此以外，還應重視確定疲勞車軸距間的關系，影響線長度，還有疲勞車輛一次加載次數。根據鋼結構橋梁自身的性質以及高構件的自身性能，一個軸重表示一次加載，根據效應相等原理應把復雜的應力循環轉換成單個應力循環。

4.4 鋼構件應滿足的需求與條件

根據橋梁設計標準、規范等文件的基本要求，在鋼結構橋梁的設計時，選擇的鋼結構構件需要滿足其承受彎曲與拉伸，應該采用長又圓的過渡型鋼構件，有助于最大化減小鋼結構的剛度。

5 結束語

近年來我國鋼結構橋梁總是會出現一些疲勞問題，需要橋梁設計者在設計過程中全面考量以及做好橋梁的抗疲勞設計工作，從而促進橋梁工程的發展。本文分析了影響鋼結構橋梁疲勞性影響因素，提到了相關的設計計算方法與關鍵點，期望能給鋼結構橋梁的抗疲勞設計工作有所幫助。

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