關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計(jì)分析

李善群

（中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230000）

鋼結(jié)構(gòu)橋梁為一種重要的橋梁結(jié)構(gòu)類型，可依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及通用要求，在設(shè)計(jì)、研發(fā)生產(chǎn)、施工過程中，起到極具優(yōu)勢且獨(dú)特的模塊化作用，且在重復(fù)利用的環(huán)保領(lǐng)域，價(jià)值也較為突出。而在鋼結(jié)構(gòu)橋梁具體使用過程中，鋼結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)出的抗疲勞性能如何，可對使用效果產(chǎn)生直接影響，同時(shí)，對橋梁整體質(zhì)量也具決定作用，若抗疲勞性能未及標(biāo)準(zhǔn)，除壽命會明顯縮短外，且還增加了維修幾率，引發(fā)資源浪費(fèi)。故分析鋼結(jié)構(gòu)橋梁在對抗疲勞性能進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)所遵循的原則及策略，可為相關(guān)應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 橋梁鋼結(jié)構(gòu)所具有的疲勞性能特征

就橋梁鋼結(jié)構(gòu)而言，其所屬鋼構(gòu)件在制作時(shí)，以金屬為原料，而金屬在特征上，具疲勞屬性，在使用中，易受自身材料、內(nèi)、外等多因素影響，漸有累積損傷產(chǎn)生，進(jìn)而出現(xiàn)裂紋，在車輛載荷的持續(xù)作用下，裂紋漸趨擴(kuò)大，促使裂縫形成，最終影響到交通安全。

1.1 鋼結(jié)構(gòu)材料方面的因素

研究所示，鋼構(gòu)件是主要引發(fā)橋梁鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)抗疲勞性的因素，即使鋼構(gòu)件問題極其微小，放在橋梁鋼結(jié)構(gòu)中，會表現(xiàn)為被無限放大的情況，故需從材料源頭展開關(guān)注，以使鋼結(jié)構(gòu)抗疲勞性能可從根本上對設(shè)計(jì)要求滿足。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部因素

能夠影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞性能的還有自身內(nèi)部因素，如橋梁的構(gòu)件連接模式和細(xì)節(jié)、設(shè)計(jì)形式、制造技術(shù)以及焊接技術(shù)等，都能影響到鋼筋結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布狀況。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)外部因素

外部因素以自然環(huán)境因素為主，包括晝夜溫差因素、高溫強(qiáng)寒強(qiáng)凍等。同時(shí)，過往超負(fù)荷運(yùn)載的車輛對橋梁的壓力也屬外部因素范疇。橋梁的焊接構(gòu)件本身的軟硬程度與橋梁疲勞強(qiáng)度也存在一定的關(guān)聯(lián)。

2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計(jì)方所遵循的原則

2.1 符合當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件

在工程建筑中，橋梁鋼結(jié)構(gòu)屬重要的一種類型，所在區(qū)域不同，在進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，除具一定共性外，還有自身特征。如焊接即是共性，為重點(diǎn)對工程質(zhì)量造成影響的因素，過度或重復(fù)焊接，均會降低鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，引發(fā)裂縫、裂紋，故將焊接引發(fā)的殘余應(yīng)力最大程度降低具有十分必要性。但焊接易受當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件影響，如埋弧焊，在夏季濕度高，可明顯增加受潮風(fēng)險(xiǎn)，引發(fā)氣泡等不良現(xiàn)象。故依據(jù)季節(jié)特征，對施工項(xiàng)目進(jìn)行開展，是需要考慮的重點(diǎn)事項(xiàng)。

另外，地區(qū)不同，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在要求上，也存在較大差異，與自然氣候、地理方位差異具直接相關(guān)性，特別是我國，國土跨越不同緯度，南部屬亞熱帶，與東北寒冷地區(qū)在對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，有明顯區(qū)別。以低溫地區(qū)為例，需對冷脆性及動態(tài)負(fù)載耦合因素考慮，相較南方，需更具韌性。

2.2 考慮設(shè)計(jì)成本

成本預(yù)期為工程項(xiàng)目的重要內(nèi)容，故在對橋梁鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，在對工程質(zhì)量進(jìn)行保證的基礎(chǔ)上，需注意成本的控制。需以最低的投入，對最高的效益獲取為核心目標(biāo)，建設(shè)者需從多角度，展開優(yōu)化及合理的選擇。就重要組成鋼構(gòu)建而言，其質(zhì)量需放在首位，但在自市場購買時(shí)，也需充分對價(jià)格進(jìn)行考慮。供應(yīng)廠商不同，價(jià)格、質(zhì)量均有區(qū)別，需擇優(yōu)選取，在對成本效益符合的條件下，對具較高疲勞等級的鋼構(gòu)件進(jìn)行確定。此外，除構(gòu)件價(jià)格，可更換性也是成本控制中的重要內(nèi)容，橋梁的保養(yǎng)及維護(hù)，也屬成本支出范疇。如在使用期間鋼構(gòu)件出現(xiàn)問題，僅需對局部進(jìn)行更換便可將問題解決，未影響到橋梁整體運(yùn)行狀況，故也是壓縮成本的重要舉措[1]。

2.3 需嚴(yán)格遵循質(zhì)量優(yōu)先

質(zhì)量控制為各施工項(xiàng)目的重點(diǎn)，工程質(zhì)量如何，除與工程本身存在關(guān)聯(lián)外，也與公共安全、區(qū)域發(fā)展等社會重大議題具密切相關(guān)性。故在針對橋梁鋼結(jié)構(gòu)展開抗疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，需注意對質(zhì)量優(yōu)先原則嚴(yán)格遵循。就質(zhì)量優(yōu)先特征而言，在對橋梁鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，其指所有設(shè)計(jì)層面，而鋼結(jié)構(gòu)所具有的抗疲勞性能仍為重點(diǎn)內(nèi)容，所有可使此性能提升的措施，均可作為重點(diǎn)關(guān)注及探索的項(xiàng)目。而其中，如何選擇鋼構(gòu)建材料仍為重點(diǎn)。鋼構(gòu)件材料適宜，才可對抗疲勞性能優(yōu)良提供保障。鋼構(gòu)件為主要對鋼結(jié)構(gòu)組成的部件，不管是外形或是材料本身，均會影響抗疲勞性，如于受力區(qū)域分布的鋼構(gòu)件產(chǎn)生了較為細(xì)微的裂紋，持續(xù)在呈運(yùn)行狀態(tài)的車輛載荷作用下，可促使橋梁鋼結(jié)構(gòu)有較為巨大的裂縫出現(xiàn)，進(jìn)而將使用期限明顯縮短，并引發(fā)安全事件。故在選擇鋼構(gòu)件時(shí)，除自身強(qiáng)度外，還需對外表面的應(yīng)力進(jìn)行考慮。

同時(shí)，質(zhì)量優(yōu)先除在選擇材料時(shí)需重視，在對工程進(jìn)行建設(shè)的過程中，各個(gè)環(huán)節(jié)也均需嚴(yán)格控制，以降低人為因素引發(fā)的質(zhì)量問題，如焊接可對工程質(zhì)量好壞產(chǎn)生直接影響，過度或重復(fù)焊接均可在一定程度下降低鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力，增加裂紋、裂縫風(fēng)險(xiǎn)。故需將焊接造成的殘余應(yīng)力最大程度降低，采用具較高韌性的材料與焊條，以使焊接處的裂縫盡可能的縮小，為橋梁鋼結(jié)構(gòu)提供在質(zhì)量方面的保證[2]。

3 鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計(jì)具體對策

3.1 從完整性層面進(jìn)行考慮

橋梁鋼結(jié)構(gòu)在進(jìn)行施工時(shí)，橋體穩(wěn)定性為重要目標(biāo)，而橋體完整性為重要的確保橋梁鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)營成本可被有效控制的因素。如在對橋梁進(jìn)行焊接過程中，有大量的接頭生成，接頭形式存在差異時(shí)，受體也有著較大區(qū)別，而接頭部位所存在的應(yīng)力作用，受接頭問題影響，引發(fā)的鋼構(gòu)件問題也較為突出。另外，在進(jìn)行焊接時(shí)，應(yīng)力還可有形變現(xiàn)象，此是主要使接頭強(qiáng)度減弱的因素，并可促使焊接接頭無法對鋼結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度方面的整體需求滿足，嚴(yán)重者，可有裂紋出現(xiàn)，導(dǎo)致嚴(yán)重的可影響公共安全的質(zhì)量問題。故需提高對焊接接頭設(shè)計(jì)的重視力度，為確保整體工程質(zhì)量完整且穩(wěn)定的前提條件。裂紋檢測方法見表1。

表1 表面裂紋檢測

項(xiàng)目在進(jìn)行焊接期間，需采取焊接性檢測，來對接頭的疲勞及靜力等級進(jìn)行確定，以對最為理想的焊接形式進(jìn)行選擇，以防有接頭變形的現(xiàn)象。另外，在設(shè)計(jì)焊接時(shí)，需詳細(xì)對細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃，以受力均勻，將接頭應(yīng)力最大程度降低，避免因接頭故障引發(fā)鋼結(jié)構(gòu)連接區(qū)域出現(xiàn)受力不均的情況，保持連接部位的穩(wěn)定性[3]。

3.2 穩(wěn)定性方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

與其它橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，鋼結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量相同呈較輕顯示，強(qiáng)度卻居更高水平，故有較高的應(yīng)用價(jià)值，但在抗傾覆穩(wěn)定性方面，還有較大的提升空間。在既往施工中，有橋體傾覆的現(xiàn)象，分析原因，與橫向抗傾覆設(shè)計(jì)存在問題相關(guān)，使施工安全受到嚴(yán)重影響，使工程預(yù)期社會和經(jīng)濟(jì)效益無法達(dá)成。分析原因，為在設(shè)計(jì)多車道小半徑橋梁時(shí)，橋面寬度大于鋼梁，橫梁表現(xiàn)為受力不均的情況，進(jìn)而引發(fā)橋體傾覆。故在對橋梁鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對橫向抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行強(qiáng)化，為工作的重點(diǎn)內(nèi)容。

4 結(jié)語

在對鋼結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，抗疲勞設(shè)計(jì)為關(guān)鍵內(nèi)容，與橋梁鋼結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的社會與經(jīng)濟(jì)效益均具密切關(guān)聯(lián)，是保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，也是確保交通安全的前提。故在對質(zhì)量優(yōu)先進(jìn)行遵循的同時(shí)，還需堅(jiān)持環(huán)境適應(yīng)及成本控制原則，通過科學(xué)設(shè)計(jì)與施工，來使整體質(zhì)量增強(qiáng)，以滿足鋼結(jié)構(gòu)橋梁耐久實(shí)用的需求。