公路鋼結構橋梁的抗疲勞設計研究

宣秀珍

摘 要：抗疲勞設計作為公路鋼結構橋梁結構設計關鍵部分，直接關系到鋼結構橋梁的使用壽命，提升其抗疲勞設計水平具有重要現實意義。文章研究了公路鋼結構橋梁抗疲勞的設計方法，為我國公路鋼結構橋梁抗疲勞設計提供一些科學的參考，對我國其他交通行業鋼結構橋梁抗疲勞設計規范的制訂也有著借鑒意義。

關鍵詞：公路鋼結構橋梁；抗疲勞設計；設計方法

中圖分類號：U448.36 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0087-02

Abstract： Anti-fatigue design， as a key part of highway steel structure bridge design， is directly related to the service life of steel structure bridge， so it is of great practical significance to improve the level of anti-fatigue design. In this paper， the design method of fatigue resistance for highway steel structure bridges is studied， which provides some scientific references for the fatigue resistance design of highway steel structure bridges in China. It can also be used for reference in the formulation of anti-fatigue design codes for steel bridges in other transportation industries in our country.

Keywords： highway steel structure bridge； anti-fatigue design； design method

公路鋼結構橋梁的自重比較輕，跨徑比較大，在長期承受車輛自重及荷載的反復作用下容易因應力不均勻分布而使相關結構產生不同疲勞強度，容易會使細微裂紋進一步擴大，容易造成橋梁斷裂和坍塌等事故。為了有效應對疲勞應力給鋼結構橋梁帶來的不利影響，需要高度強化其抗疲勞設計。

1 公路鋼結構橋梁的抗疲勞設計方法

影響公路鋼結構橋梁疲勞性能的因素眾多，除了涉及鋼結構材料性能外，也會受到結構構造的影響，所以在抗疲勞設計中需要著重從結構構造視角進行設計。

1.1 無限壽命設計方法

該種抗疲勞設計方法是最早誕生和應用的一種抗疲勞設計方法，主要確保結構設計應力值要比鋼結構橋梁的疲勞極限值更低，這就是無限壽命設計的機理，也是應用該種設計方法的重要先決條件。伴隨著時間的延續，公路鋼結構橋梁會出現不穩定變化，應力下變幅主要表現為一種交互變化的應力狀態，此時以所產生的最大應力幅為依據，將其等效成構件的最大幅值來進行疲勞極限強度設計。無限壽命設計的優勢是可以極大地簡化抗疲勞設計，在設計鋼結構橋梁構件過程中，由于僅以最大應力幅值為例來進行設計，這樣會使得后續構件設計過程顯得有些笨重，無法有效地發揮各種材料的潛能，設計的經濟效益不高。基于此，無限壽命設計逐步被有限壽命設計過程所取代。

1.2 安全壽命設計方法

安全壽命設計就是指在預定的設計使用年限內結構不會出現疲勞破壞問題，構件應力值低于疲勞極限值，這種設計方法有效提高了結構應力和疲勞壽命。不同于無限壽命設計，安全壽命設計屬于有限設計范疇，相應的構件應力設計值要高于疲勞極限值。

如圖1所示的疲勞壽命曲線，可直觀地展示出規定使用年限內構件可以實現安全應用。在圖1中的前半部分，可知相應鋼結構橋梁疲勞壽命不是固定不變的，而是呈現為逐漸下降的變化趨勢，所以在進行抗疲勞設計期間需要對相應的最高應力進行密切考慮，然后結合累積損傷理論等相關理論來估算出疲勞損傷值。在應用該種設計方法期間，需要確保相應設計滿足一定條件：必須要明確其疲勞強度曲線以及滿足鋼結構橋梁疲勞的基本定義和等級條件。此外，在設計橋梁結構時，還要綜合考慮車輛荷載、橋梁運營、維護管理等分類處理疲勞抗力方程，充分借助全壽命設計方法來降低結構設計的成本。

1.3 損傷容限設計方法

該種設計方法主要基于斷裂力學，先對橋梁構件中的初始裂紋進行假定，然后用斷裂學理論來計算Tf值，將相應的裂紋確定為橢圓形表現形式，再將變應力作用下會促使相應的裂紋逐步向更深方向進行拓展，相應的拓展速率可以按照下式來進行計算：

在上述公式中，指在一次應力作用下裂紋的對應拓展量；？駐K則是指在一次應力作用下的應力循環；參數A和m均是由材料性能所決定的常數值。

在確定后要借助試驗來估算結構的剩余壽命，確保結構裂縫在預定使用年限內不會發生進一步拓展，以便在規定年限內確保各種帶有裂縫構件的安全性，這種設計方法在估算以及評定鋼結構舊橋疲勞性方面具有廣泛應用。在預測檢測間隔期間，要注意對漏檢及情況進行考慮，具體就是按照Ti≤0.5Tf來進行確定。此外，除了要考慮裂紋位置、檢測方法等相關因素外，還要探測結構表明裂紋長度的最小值。

1.4 容許應力設計方法

在我國現行的公路規范中，在疲勞荷載設計中應用靜力強度，在公路一級和二級中的汽車荷載標準值保持一致。在圖2所示的車輛荷載模型中，前輪的著地面積為0.3*0.2m，后輪、重輪的相應著地面積為0.6*0.2m，總重為550kN。

立足于我國國情，中交路橋技術公司統計分析了我國一些具有代表性的高速公路和橋梁的相關參數，基于數理統計理論和方法來處理相關數據，對交通荷載及標準疲勞車譜進行了推到，最終得出了更加直觀，計算更加方便的標準疲勞車輛模型，車輛總重為445kN，具體模型如圖3所示。

2 公路鋼結構橋梁的抗疲勞設計的關鍵點

2.1 科學確定疲勞荷載

不同于鐵路橋梁疲勞設計，公路鋼結構橋梁上的車輛荷載變化比較大，相應的結構變化幅度也相對較大，加之車型和車輛間距的差異性，結合鋼結構橋梁設計規范，可以在計算標準疲勞車時將其通過鋼結構疲勞損傷進行等效折算，必須要確保疲勞車總重量是保持一致。針對線長度的局部計算，需要依據標準軸重荷載來進行，具體就是以1.1倍標準疲勞車軸重荷載來作為相應的標準軸重荷載。

2.2 準確確定驗算位置

在公路鋼結構橋梁抗疲勞驗算的過程中，需要對其驗算位置進行準確確定，這直接關系到驗算結果的質量，具體驗算關鍵位置主要包括公路桿結構、疲勞敏感部位和細節等，除了注重仔細驗算各個焊縫趾和小節點，同時要注重驗算剪開變、結構倒角處、焊接縫跟部和焊趾等重點部位，確保抗疲勞設計中驗算結果的準確性。

2.3 準確確定加載次數

公路鋼結構橋梁抗疲勞設計的過程中，要針對性計算相應的疲勞應力明確疲勞車軸距、一次加載次數以及疲勞車影響線長度等相關指標之間的關系。此外，要充分結合鋼結構橋梁性質和構件性能，以效應相等為原則，將復雜應力循環以單個差異化循環代數來加以表示，其中一個軸重可以確定為一次加載。

2.4 確保構件滿足規定要求

為了確保公路鋼結構橋梁抗疲勞設計的質量，結合相關設計工作經驗以及相關設計規范，要確保鋼結構構件設計滿足如下幾個方面的關鍵設計規定和要求，具體包括：其一，針對拉伸鋼構件、受彎鋼構件等公路鋼結構橋梁構件的設計，要注意采用一些圓且長過渡性鋼結構構件來對其剛度變化進行有效減小；其二，在設計鋼結構橋梁的過程中，借助線對接焊縫進行合理選用，且對構件焊接后相應處理；其三，要強化復雜應力狀態下的疲勞驗算計算。除了需要對單向應力下的橋梁構件疲勞性進行驗算外，還要注意對復雜應力下的疲勞強度進行綜合計算。其四，要對疲勞涉及關鍵點先進行分類處理，與相關研究規范機制進行對比分析，之后仔細分析和修改相關的抗疲勞設計方案，以便可以確保所設計公路鋼結構橋梁結構構造可以滿足相應的疲勞強度。

3 結束語

綜上所述，我國公路鋼結構橋梁抗疲勞設計的方法眾多，涵蓋了無限壽命設計方法、安全壽命設計方法、損傷容限設計方法和容許應力設計方法等。為了確保抗疲勞設計的質量，必須要高度重視科學確定疲勞荷載、驗算位置以及加載次數，同時要確保構件滿足規定要求，保證公路鋼結構設計的合理性。

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