關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞問題的綜述

張耀文

中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司

1 引言

近年來鋼結(jié)構(gòu)橋梁在我國橋梁工程設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計問題也越來越突出。鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計直接關(guān)系整個橋梁工程的安全性和耐久性，因此積極優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計是非常必要的。

2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞

鋼架橋梁結(jié)構(gòu)自身的承壓能力和穩(wěn)定性能是影響其使用年限的根本性因素，還有一個最重要的影響因素為疲勞性問題。當(dāng)周圍的公路結(jié)構(gòu)環(huán)境受到來自大自然的影響時，可能會因?yàn)殇摷芙Y(jié)構(gòu)的疲勞性設(shè)計與實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)之間誤差太大，就會因?yàn)橐恍┳匀灰蛩氐淖儎佣a(chǎn)生無法挽回的損失，主要表現(xiàn)為鋼架結(jié)構(gòu)的裂縫現(xiàn)象和斷裂現(xiàn)象。鋼結(jié)構(gòu)橋梁的耐久性與疲勞密切相關(guān)。在重復(fù)性交變荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)橋梁容易在焊縫處出現(xiàn)疲勞裂紋，隨著疲勞裂紋不斷加重會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)橋梁開裂，進(jìn)而影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁的正常使用。針對該問題，設(shè)計人員需要在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計之前就意識到疲勞設(shè)計的重要性，不斷優(yōu)化設(shè)計方案。

3 影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞的因素分析

3.1 結(jié)構(gòu)材料特性

影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞的因素較多。其中最主要因素是結(jié)構(gòu)材料的性能，主要有構(gòu)件尺寸、鋼材性能以及結(jié)構(gòu)外表面缺陷等。但是鋼材強(qiáng)度對結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響變化不明顯，通常情況下鋼材強(qiáng)度的提高僅能稍微提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。可見對于疲勞強(qiáng)度控制的構(gòu)件，如果選擇強(qiáng)度較高的鋼材顯然是不經(jīng)濟(jì)的。一般情況下，隨著構(gòu)件尺寸的增加，其疲勞強(qiáng)度反而會逐漸降低。這是由于結(jié)構(gòu)外表面缺陷處常常會出現(xiàn)疲勞裂縫，此時表面層材料對外表面結(jié)構(gòu)的約束力度較小，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的偏移。

3.2 結(jié)構(gòu)的外部環(huán)境

結(jié)構(gòu)外部環(huán)境也會影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞。外界循環(huán)荷載作用在結(jié)構(gòu)上，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞，這其中主要是應(yīng)力幅值偏大引起的。查閱以往的文獻(xiàn)可發(fā)現(xiàn)應(yīng)力幅值直接影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞強(qiáng)度，而平均應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞強(qiáng)度影響不大。

3.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

鋼結(jié)構(gòu)橋梁的制造工藝、焊接工藝、焊接后處理工藝等直接影響結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力分布情況，并對固有缺陷產(chǎn)生較大影響。

4 鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計主要存在的問題

4.1 抗疲勞設(shè)計存在較大隨意性

抗疲勞設(shè)計存在較大隨意性是普遍存在的問題。具體表現(xiàn)為在抗疲勞設(shè)計中采用容許應(yīng)力法帶有較強(qiáng)的隨意性，結(jié)構(gòu)安全服役安全隱患較多。容許應(yīng)力法僅僅是依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)給出的安全系數(shù)對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行評價，此種穩(wěn)定性評價方式可靠度不高。

4.2 荷載模型未定義

荷載模型未定義也是現(xiàn)階段我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計存在的主要問題。這樣就直接導(dǎo)致我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計選擇的荷載缺乏統(tǒng)一形式。鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計疲勞荷載和實(shí)際疲勞荷載明顯不同，難以將橋梁真實(shí)的荷載運(yùn)營情況反映出來。

4.3 控制參數(shù)較為粗略

控制參數(shù)較為粗略在現(xiàn)階段鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計中也較為常見，控制參數(shù)一般為應(yīng)力比，應(yīng)力比作為控制參數(shù)難以將實(shí)際結(jié)構(gòu)被破壞的原因真實(shí)反映出來。目前國外一些較為先進(jìn)的鋼結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計采用的控制參數(shù)大多是應(yīng)力幅。針對我國控制參數(shù)較為粗略的問題，可以積極借鑒國外在控制參數(shù)選擇上的經(jīng)驗(yàn)，將其轉(zhuǎn)化為適合我國國情的鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計規(guī)范。

5 鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計的主要方法

5.1 無限壽命設(shè)計

最早的疲勞設(shè)計方法就是無限壽命設(shè)計，該設(shè)計模式要求結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于疲勞極限值，這樣才能達(dá)到無限壽命的使用效果。對于變幅循環(huán)應(yīng)力需要滿足最大應(yīng)力幅低于構(gòu)件等效等幅疲勞極限強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)。英國是最早對無限壽命設(shè)計做出明確規(guī)范的國家，明確了鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞驗(yàn)算方法，此種驗(yàn)算方法較為簡單，非常適用于無限次應(yīng)力循環(huán)為零的構(gòu)建，且不需要考慮疲勞損傷程度。但是此種設(shè)計模式存在的主要問題是構(gòu)件不靈巧，材料承載潛能難以全部體現(xiàn)出來。

5.2 安全壽命設(shè)計

安全壽命設(shè)計可確保結(jié)構(gòu)在一定使用期限內(nèi)不會因?yàn)槠诎l(fā)生損壞，此時構(gòu)件工作應(yīng)力可以大于疲勞極限。安全壽命設(shè)計可確保構(gòu)件在固定期限內(nèi)使用順利，確保構(gòu)件安全和穩(wěn)定性。加載序列和頻數(shù)可用來表達(dá)預(yù)測結(jié)構(gòu)運(yùn)營歷程，隨后對潛在裂紋處應(yīng)力歷程進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)運(yùn)營歷程荷載不同時可以以一定累積損傷理論對總的疲勞損傷進(jìn)行估算。S-N曲線設(shè)計是安全壽命設(shè)計常采取的方法，在車輛等荷載引起的高周疲勞計算時可采取S-N 曲線設(shè)計。應(yīng)變-疲勞壽命曲線又稱為局部應(yīng)力應(yīng)變法，地震等偶然荷載引起的低周疲勞計算可采用應(yīng)變-疲勞壽命曲線。

5.3 損傷容限設(shè)計

損傷容限設(shè)計可確保可能含裂紋或者含裂紋重要構(gòu)件的安全性，此種設(shè)計方法最先開始于二十世紀(jì)七十年代，隨后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代化疲勞裂紋控制方法。假設(shè)某個構(gòu)件中有裂紋，對其進(jìn)行斷裂力學(xué)、疲勞裂紋擴(kuò)展分析并試驗(yàn)驗(yàn)證，在裂紋出現(xiàn)之前定期檢查，確保裂紋不會繼續(xù)外向擴(kuò)大，以免加重?fù)p傷程度。以上就是損傷容限設(shè)計的主要思路。損傷容限設(shè)計時需要對結(jié)構(gòu)做好相應(yīng)的安全措施，在嚴(yán)格制度的約束下確保結(jié)構(gòu)的安全性。損傷容限設(shè)計允許構(gòu)件在使用壽命期間產(chǎn)生破損和裂紋，并允許構(gòu)件存在初始缺陷。但是下次檢修構(gòu)件之前，需要確保構(gòu)件強(qiáng)度與上次檢查結(jié)果一致，以保證正常使用。

5.4 疲勞可靠性設(shè)計

上述設(shè)計方法均存在不同程度的分散性，單純按照平均值設(shè)計難以確保鋼結(jié)構(gòu)橋梁的安全性。因此設(shè)計人員需要參考之前的使用經(jīng)驗(yàn)，將相應(yīng)的安全系數(shù)引入其中，平均值和安全系數(shù)結(jié)合在一起可確保鋼結(jié)構(gòu)橋梁的安全性和穩(wěn)定性。疲勞可靠性設(shè)計需要參考疲勞強(qiáng)度平均值和構(gòu)件應(yīng)力以及疲勞強(qiáng)度的分布規(guī)律。以此為基礎(chǔ)得到相應(yīng)的分布曲線計算出強(qiáng)度超過應(yīng)力的概率，該概率就是構(gòu)件可靠度。

6 新型鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)及其構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞研究

6.1 整體節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)

整體節(jié)點(diǎn)作為鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件連接方式，傳力簡單、安裝便捷、節(jié)省材料。整體節(jié)點(diǎn)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計中應(yīng)用較為廣泛。整體節(jié)點(diǎn)作為一種新的構(gòu)造形式對制造加工和結(jié)構(gòu)分析要求較高，不僅需要靜力分析還需要開展相應(yīng)試驗(yàn)，分析構(gòu)件的抗疲勞能力。比如蕪湖長江大橋使用了整體節(jié)點(diǎn)的桿件連接方式，并對十三種整體節(jié)點(diǎn)連接類型的構(gòu)造細(xì)節(jié)展開疲勞試驗(yàn)，隨后得出十三條S-N 曲線，并結(jié)合不同構(gòu)造細(xì)節(jié)考核各個階段的疲勞試驗(yàn)結(jié)果。

6.2 索梁錨固結(jié)構(gòu)及拉索疲勞試驗(yàn)

索梁直接影響鋼結(jié)構(gòu)懸索橋或斜拉橋結(jié)構(gòu)安全性，尤其是斜拉橋的斜拉索，因此需要使用更為可靠的索梁連接方式。其中錨管連接、錨箱連接以及耳板連接是索梁連接的常見方式。其中最先開始對索梁錨固等關(guān)鍵部位疲勞試驗(yàn)研究的是日本。我國在修建蘇通長江大橋、南京長江大橋等大跨度的鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)時仔細(xì)研究了錨箱連接方式，為橋梁工程施工奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。循環(huán)動荷載直接作用在斜拉索上，斜拉索即便是單元構(gòu)件，但是依然是由高強(qiáng)度的鋼絲構(gòu)成。目前大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁斜拉索都需要進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。受斜拉索拉伸彈性的影響，需要對其施加更大的疲勞荷載。該試驗(yàn)需要高性能的試驗(yàn)設(shè)備，且試驗(yàn)耗費(fèi)的時間較多，一般情況下一個廠家對一項(xiàng)工程只要求做一根開展驗(yàn)證試驗(yàn)。此外，納入斜拉索減震措施和制振措施能有利減少橋梁的疲勞破壞，并進(jìn)一步增強(qiáng)了斜拉索的耐久性。

6.3 雙軸疲勞試驗(yàn)

節(jié)點(diǎn)構(gòu)造受力不是單向的，傳統(tǒng)構(gòu)件疲勞性能檢算時按照單向應(yīng)力并納入次應(yīng)力對其產(chǎn)生影響，設(shè)計規(guī)范中對多向受力沒有做出明確的規(guī)定。為了將復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)直接反映出來，需要對實(shí)際受力情況進(jìn)行模擬，并進(jìn)行雙軸疲勞試驗(yàn)。查閱相關(guān)文件發(fā)現(xiàn)在設(shè)計渝懷鐵路長壽長江大橋科研項(xiàng)目組使用FESAFE 疲勞分析軟件對其進(jìn)行計算，開展了次應(yīng)力雙軸疲勞試驗(yàn)。系統(tǒng)性研究了鐵路標(biāo)準(zhǔn)鋼桁梁次應(yīng)力是如何產(chǎn)生的，驗(yàn)證了次應(yīng)力對疲勞性能產(chǎn)生的影響，并歸納出了次應(yīng)力疲勞檢算相關(guān)建議。

7 實(shí)際應(yīng)用

要想真正發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)橋梁的真正功能和效用，不僅需要利用精密的計算儀器來對其構(gòu)造內(nèi)部的細(xì)節(jié)和螺母進(jìn)行長度和細(xì)節(jié)的運(yùn)算，還需要對其抗疲勞設(shè)計的性能進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用和操作演練。此外，相關(guān)設(shè)計人員還可以結(jié)合國外先進(jìn)的科學(xué)設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)來對其作出輔助性影響作用，從這些影響結(jié)構(gòu)特征中，最終得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:第一，雖然國家采用的抗疲勞設(shè)計內(nèi)部具有一些結(jié)構(gòu)性特征，具有較大的差異性，但實(shí)際采用的效用都為荷載效應(yīng)，他們最終的設(shè)計理念和結(jié)構(gòu)性構(gòu)想都具有較高的一致性，但在實(shí)際的操作過程時，也會因?yàn)榫唧w橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)造和相關(guān)系數(shù)來進(jìn)行不斷的整改；第二，對于我國的橋梁結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計而言，對其進(jìn)行非常細(xì)致的和等級的劃分，但對于整體橋梁結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展卻沒有推進(jìn)作用。這就需要國內(nèi)的相關(guān)設(shè)計人員，利用國外先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，來對我國的設(shè)計規(guī)范進(jìn)行不斷的調(diào)節(jié)和整改，對于現(xiàn)存的問題進(jìn)行及時的糾正和解決，才能夠真正地解決現(xiàn)實(shí)生活中實(shí)際存在的各項(xiàng)問題，提高整個鋼結(jié)構(gòu)橋梁的使用年限。所以，要利用可持續(xù)的發(fā)展原則和方式，來推動我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計的可持續(xù)發(fā)展和科學(xué)性進(jìn)步，以安全性為原則來進(jìn)行細(xì)致的劃分和性能的最大化激發(fā)，從而可以有效地利用這種高架橋梁的設(shè)計來保障我國高架橋使用的安全性，最大限度地減少安全事故發(fā)生的可能性，還可以利用這種橋梁結(jié)構(gòu)來促進(jìn)國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的調(diào)整和結(jié)構(gòu)性改善，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村地區(qū)和城鎮(zhèn)地區(qū)的共同進(jìn)步，對于社會的未來都具有推動作用。

8 結(jié)束語

本文通過分析鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞影響因素、抗疲勞設(shè)計存在的問題、抗疲勞設(shè)計的主要方法、新型結(jié)構(gòu)、構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞研究以及實(shí)際應(yīng)用等方面，較為詳盡地闡述了我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞問題的研究進(jìn)展，希望對該領(lǐng)域研究有一定幫助，進(jìn)一步推動我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展。