基于新時期下鋼結構橋梁疲勞設計研究

吳玉有

摘 要：公路橋梁工程為交通系統的重要組成部分，為滿足交通運輸行業發展需求，需要總結以往施工經驗，對橋梁結構設計與施工技術進行研究，對存在的不足進行完善優化，降低各項因素的影響，在整體上提高工程施工質量，延長其服務年限。鋼結構橋梁現在已經比較廣泛，需要重點對其抗疲勞設計進行研究，分析橋梁施工與運營階段可能會遇到的問題，避免其基礎功能的退化。本文對鋼結構橋梁疲勞設計方法進行了簡要分析。

關鍵詞：鋼結構橋梁；疲勞設計；檢測

前言

公路鋼結構橋梁在重載荷交通量的作用下，會產生疲勞，鋼結構橋梁的抗疲勞性是影響鋼結構橋梁使用壽命的主要因素之一。由于鋼結構受力不合理等眾多原因，會導致鋼結構出現疲勞裂紋，隨著行車載荷的不斷作用，裂紋發展成裂縫，從而影響到橋梁的正常使用。因此，需要采取有效的措施對其進行預防和處理提升橋梁橋梁的抗疲勞性能。鋼結構橋梁其抗疲勞強度很大程度上會受到加工材料性能的影響，因為所選結構鋼材，在各加工階段。

一、影響公路鋼結構橋梁疲勞性能的因素

影響鋼結構橋梁疲勞性能的因素很多，具體歸納起來主要有鋼結構的材料特性、內部因素、鋼結構的外部因素。

1.1鋼構件材料的性能

對于橋梁鋼結構抗疲勞性的影響，鋼構件材料的性能是一個非常重要的因素。鋼構件不論是從材料上還是從大小上都可能影響到橋梁鋼結構的疲勞性。如果鋼構件產生了裂紋，哪怕是極其細微的裂紋，都會給橋梁鋼結構的疲勞性帶來影響，并且這種影響會伴隨著裂紋的加深而不斷加劇。因此，鋼構件材料的強度并不是越高越好。除此之外，由于裂紋往往發生于鋼構件的表面，因此對鋼構件外表面的應力也有較高的要求。

1.2外部影響因素

橋梁鋼結構所處外部環境的變化也會對橋梁的疲勞性產生一定的影響，比如，高溫高寒天氣氣候的影響、晝夜溫差巨大、氣候條件發生改變以及外部對橋梁鋼結構產生的壓力等等，都會對橋梁鋼結構的疲勞性產生嚴重影響。

1.3內部影響因素

橋梁鋼結構內部的許多因素有時也會對其疲勞性產生的嚴重影響。具體說來，主要包括橋梁構造的細節、橋梁結構以及橋梁鋼構件之間的連接形式等多個方面。除此之外，橋梁鋼結構的設計方式以及焊接手段等也會給橋梁鋼結構的應力分布帶來直接影響。

二、公路鋼結構橋梁疲勞設計方法

公路鋼結構橋梁疲勞設計根據以上我們分析的影響公路鋼結構橋梁疲勞性能設計的因素，進行公路鋼結構橋梁疲勞設計，將由鋼結構材料自身屬性，結構構造等引起的公路鋼結構橋梁疲勞性能損傷進行消除，防止鋼結構橋梁結構的疲勞性能被破壞。公路鋼結構橋梁疲勞設計有3種：安全壽命設計、無限壽命設計、損失容限設計。

2.1安全壽命設計

安全壽命公路鋼結構橋梁設計，這種設計方法可以保證公路鋼結構橋梁在一定的時限內，疲勞性能不發生損壞，而且構件應力設計可以超過其疲勞極限值。安全壽命設計可以將鋼結構橋梁應力—疲勞壽命關系，作為公路鋼結構橋梁設計的參考依據，進行鋼結構橋梁設計。安全壽命設計和無限壽命設計不同，安全壽命設計屬于有限壽命設計，而有限壽命設計的構件應力設計值在疲勞極限值之上，從圖1中的前半部折線部分，可以知道在這些區域內的鋼結構橋梁疲勞壽命各不相同，所以在設計的過程中不能像無限壽命設計那樣只考慮最高應力，這種設計方法需要按照一定的理論進行疲勞損傷估算。公路鋼結構橋梁設計使用安全壽命設計的條件是：鋼結構橋梁的疲勞強度曲線必須知道，而且含有起裂構件制造質量符合鋼結構橋梁疲勞等級定義。

2.2無限壽命設計

無限壽命設計是最早的公路鋼結構橋梁疲勞設計使用的方法，這種設計方法在鋼結構橋梁設計的過程中，要求結構設計的應力低于鋼結構橋梁疲勞極限值，進而完成公路鋼結構橋梁的無限壽命設計。無線壽命設計是簡化設計，雖然是將公路鋼結構橋梁疲勞設計進行簡化，但是在構件設計上顯得有些笨重，為了能夠充分的利用材料的性能，將鋼結構橋梁應力的設計水平提升，進而將公路鋼結構橋梁的無線壽命設計演變為有限壽命設計。

2.3損傷容限設計

使用這種方法進行公路鋼結構橋梁設計需要滿足的前提條件是：鋼結構橋梁裂紋開始的地方接近表面或者從表面開始：潛在起裂處設計壽命內的損傷超過10；采用探測方法可行；維護說明中要指明裂縫發生的位置。

在進行預測檢測間隔時需要考慮到一次漏檢。Ti≤0.5Tf其中Tf是可探測裂紋ld是臨界長度lf是時間（見圖2）

表面裂紋的最小暴露長度ld，在檢測時考慮了探測的可能性、裂紋的位置、檢測方法等內容，可探測表面裂紋長度的最小值。

三、鋼結構橋梁疲勞設計的關鍵點

3.1疲勞荷載的確定

公路鋼結構橋梁設計和鐵路橋梁設計疲勞驗算有所不同，公路鋼結構橋梁通過的車輛數量變化幅度非常的大，而且車型、車輛間距等都有所不同，在鋼結構橋梁設計規范中有：可以根據鋼結構疲勞損傷等效，將其折算成標準疲勞車進行計算，但是要保證各疲勞車的總重量相同

影響線長度較小的局部計算，按照標準軸重荷載進行。標準軸重荷載=標準疲勞車軸重載荷×1.1。

3.2將驗算位置進行準確確定

驗算位置指的是疲勞敏感細節和部位，公路桿結構橋梁的疲勞驗算有很多地方，每一個小節點、每一個焊縫趾等短都需要進行驗算。其中重點驗算的內容有：焊接縫根部、焊趾、結構倒角處、沖孔、剪開邊等。

3.3確定加載次數

在公路鋼結構橋梁疲勞設計過程中進行疲勞應力計算時，要將疲勞車一次加載次數、影響線長度、疲勞車軸距之間的關系進行確定。根據鋼結構橋梁的性質以及鋼構件的性能，一個軸重就是一次加載，根據效應相等原則，將復雜應力循環轉換成單個循環代數進行表示。

3.4鋼結構橋梁設計中構件需要滿足的要求

根據多年的公路鋼結構橋梁設計經驗以及現有的橋梁設計規范等文件要求，公路鋼結構橋梁設計中鋼結構構件需要滿足的要求為：在公路鋼結構橋梁設計過程中對于承受拉伸、彎曲等鋼構件，需要使用長且圓的過渡性鋼構件，這樣可以將鋼結構的剛度變化相應的減?。讳摻Y構橋梁設計中要有線選用對接焊縫，焊接構件的焊縫要在應力區下面，并且進行焊后處理。對于較復雜的構件采用輔助疲勞設計的方法進行輔助設計。

四、總結

綜上可知，隨著鋼結構橋梁的不斷發展，在公路橋梁結構設計過程中侵蝕現象的凸顯威脅到了公路橋梁使用安全性，為此，為了保障人們出行安全，需在當前公路橋梁結構設計工作開展過程中探索抗疲勞設計準則，就此在一定程度上緩解公路橋梁疲勞現象，通過不同的橋梁結構設計方法對其進行優化設計，確保橋梁結構的穩定。

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