關于鋼結構橋梁抗疲勞設計分析

趙志楊

摘 要 鋼結構作為目前橋梁設計的主要結構，在保障橋梁承載力，維護橋梁安全性上有著重要作用。抗疲勞設計是鋼結構橋梁設計中的重要一環，一旦出現問題，就會增加鋼結構病害出現概率，不利于橋梁的安全運行。文章將對鋼結構橋梁抗疲勞設計進行分析，以供參考。

關鍵詞 鋼結構橋梁;抗疲勞設計;安全運行

我國針對鋼結構橋梁有明確的規定要求，目的在于增強橋梁的穩定性、安全性，減少危險事故的發生。不過在鋼結構橋梁抗疲勞設計中，由于考慮不全面，設計質量不高，對鋼結構橋梁帶來了較多的不利影響，需加大研究力度，增大橋梁安全系數。

1鋼結構橋梁疲勞性能產生影響的因素

（1）材料特點影響。鋼結構橋梁建設中，材料性能的變化會使鋼結構橋梁疲勞性發生較大變革，進而降低橋梁結構穩定性，發生危險事故。鋼結構橋梁材料性能及構件尺寸都是影響鋼結構橋梁疲勞性的關鍵要素。在具體設計中，如果材料自身存在裂紋，在使用中，會因為壓力荷載的增加，導致鋼結構自身出現問題，且隨著裂紋的增加，疲勞性也會加劇，在超出規定范圍后，鋼結構自身強度會降低，進而降低橋梁質量。在鋼結構橋梁設計中，不是材料性能越好，結構強度越高，疲勞裂縫越少，而是需要根據總體要求，對結構展開科學布設，注重應力均衡性[1]。

（2）內部因素影響。內部因素對鋼結構橋梁疲勞設計的影響集中在結構設計、連接方式的轉變、細節處理這幾方面上，這些環節作業中，會存在外力影響狀態，使內部結構應力發生改變，影響疲勞設計的整體效果。

（3）外部因素影響。外部因素帶來的影響相對較多，鋼結構橋梁屬于室外施工作業，會受到溫度變化、環境氣候的影響，使鋼結構橋梁疲勞值出現不同變化，進而降低結構質量。另外，工程建設中振動和外界荷載的增加，也會對鋼結構橋梁的疲勞度造成影響，導致設計范圍與實際情況不符，應力變動不均，增加橋梁的危險性。

2鋼結構橋梁疲勞設計方法

（1）無限壽命設計。無限壽命設計中要求橋涵設計的應力變化值在鋼結構橋梁的抗疲勞值范圍內。為達到無限壽命設計目標，設計人員要對變度循環的應力變化情況加以控制，確定其在疲勞強度的規定范圍內，并對結構形態予以完善，以延長鋼結構橋梁的使用時間。

（2）安全壽命設計。安全壽命設計要求在鋼結構橋梁抗疲勞設計中，對橋涵中水含量情況、結構細節處理情況、結構荷載及裂縫問題實行詳細研究和了解，注重設計的合理性。具體來說，橋涵結構中應盡可能避免水的出現，一旦含水量增多，會增加橋涵疲勞損耗系數，降低結構強度。細節處理的目的是為在限定范圍內，通過疲勞壽命曲線的分析，控制細小部位變化帶來的影響，維護結構安全性。

而結合荷載的分析及裂縫問題的把控，要求從不同方面對鋼結構橋梁疲勞損傷情況加以測定，在損傷理論及運營時間的幫助下，計算準確的疲勞損傷程度，根據應變-疲勞曲線來確定與設計安全壽命，從而明確最佳的設計方案，也可以借助應變-疲勞曲線，確定前者是開展名義壽命的設計，很多情況下都是應用到高周疲勞中，而后者是進行局部應力應變法，很多情況下都是實行地震等偶然載荷的計算。

（3）損傷容限設計。損傷容限設計，是借助斷裂力學原理對可探測裂紋的相關數據加以計算的方式，計算所得的相關參數可判斷結構的實際情況及可能存在的危險，采取有效措施加以控制，維護鋼結構橋梁的安全性。

在可探測裂紋的計算中，需要明確一次應力循環開展量和應力循環的相關參數，再結合與材料相關的常數，計算可探測裂紋的情況，估算裂縫可能帶來的結構問題，利用試驗的方式展開科學調整，避免裂紋的再次產生。

該方法目前在計算和評價鋼筋舊橋疲勞壽命上起到顯著效果。需注意的是，在預測檢測間隔過程中，應考慮到漏檢情況，要求漏檢長度在可探測裂紋的0.5倍左右;檢測方法需根據實際情況科學選擇，確定表面裂縫的最小長度。

3鋼結構橋梁疲勞設計關鍵點

（1）疲勞荷載值的確定。與鐵路橋梁設計不同，鋼結構橋梁的通車輛、車輛種類、車間距等都存在明顯的差異，難以對其實行科學把控。在設計中，為加強鋼結構橋梁抗疲勞設計的準確性，需將產生的疲勞損傷轉變成標準數據，計算抗疲勞值。這里值得注意的是，必須保證疲勞車軸重量是相同的。線長度局部計算要以標準軸重荷載為根據，標準軸重荷載為標準疲勞車軸重載荷的1.1倍。

（2）驗算位置規劃。鋼結構橋梁的驗算位置集中在敏感點和細節部位上，如果是桿結構橋梁，驗算位置會相對較多，每個節點、焊縫趾都要被當作驗算位置，開展疲勞驗算工作。在鋼結構橋梁疲勞驗算中，焊接縫、倒角位置、沖孔、剪開邊等位置應重點把控，獲取準確信息數據。

（3）加載次數設計。鋼結構橋梁疲勞設計中疲勞應力計算是非常必要的，疲勞應力會受到加載次數、軸間距等的影響而發生變化，所以在實際處理中，要結合構件性能、結構屬性加以科學規劃，尤其要確定加載次數，注重應力平衡性。設計中一個軸重被當作是一次加載，之后在效應相等原則下，將其轉化成代數形式，用于設計計算。

（4）構件要求。根據現有設計方案和筆者經驗總結，可將鋼結構橋梁設計中，構件的各項要求概括為以下兩方面：一是對于存在拉伸和彎曲的鋼構件，設置一些長且圓的過渡性鋼構件，注重連接效果，控制構件剛度的變化;二是做好焊接處理，增強接焊縫設置的合理性，減少構件變形、破損等問題的發生。焊接完成后，按照規定要求做好構件處理，延長使用壽命。構件的相關設計規范必須嚴格遵照現有的規范標準要求加以把控，改進鋼結構橋梁的質量。

（5）復雜應力下的疲勞驗算。單向應力下，鋼結構及構件的疲勞強度會受到疲勞應力的影響而發生變化，這時為了改進結構或構件質量，需對疲勞容許應力進行科學把控，以維護單向應力下結構和構件的安全性。但如果在單向應力基礎上，存在多向應力情況，為了提高抗彎和抗剪能力，則需使用下面公式展開疲勞驗算。公示內容為：

4結束語

綜上，鋼結構橋梁抗疲勞設計中需要考慮的內容較多，如果設計存在問題，就會威脅鋼結構橋梁的安全性，故而必須高度重視，做好加載次數設計，規范構件要求，且開展復雜應力下的疲勞驗算，以此增強設計工作的準確性，延長橋梁的使用壽命。

參考文獻

[1] 宣秀珍.公路鋼結構橋梁的抗疲勞設計研究[J].科技創新與應用，2018（26）：87-88.