关于钢结构桥梁抗疲劳设计的分析

高大卫

摘 要：近年来，我国的桥梁越来越多的应用了钢结构，但是钢结构桥梁出现疲劳问题也随之增多。因为钢结构桥梁在使用过程中受到疲劳荷载的长期影响，而且在疲劳荷载产生的微裂缝会因时间的变迁而扩大，因此桥梁设计人员应该加深对钢结构承载力的认识，车流量较大，环境侵蚀，车辆超载等因素均会导致桥梁发生坍塌事故，因此有关部门予以高度的重视。

关键词：钢结构；桥梁；抗疲劳；设计

中图分类号：U441+.4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）26-0102-02

在钢结构桥梁中出现的疲劳问题，对桥梁结构的耐久性造成一定程度的负面影响，疲劳主要有两种，即多轴疲劳与单轴疲劳等等。而疲劳是影响桥梁结构耐久性的关键因素，设计不合理等诸多原因容易使钢结构发生疲劳性裂纹，加之行车载荷的作用，裂纹会发展成为裂缝，不利于钢结构桥梁的正常使用。从实践得知，疲劳设计工作的优劣直接影响到钢结构桥梁的使用年限和安全性能。

1 钢结构桥梁疲劳性能产生影响的因素

1.1 钢结构材料的特点

钢结构材料本身的特点给钢结构桥梁的疲劳性能造成一定的影响，钢结构桥梁材料性质与桥梁钢构件的大小会对钢结构桥梁的疲劳产生影响。当钢结构材料的表面出现细微裂纹时，钢结构桥梁自身的疲劳性因裂纹变大不断增加；当钢结构的桥梁强度有所增加时，直接导致钢结构的疲劳性能会有所增加，实际上不是因钢结构强度高就代表材料质量越好。由于在钢结构桥梁钢材表面上会出现疲劳裂纹，这主要是钢结构表面存在较高的应力。

1.2 钢结构的内部因素

钢结构内部的因素可以影响到钢结构桥梁的疲劳设计，可以让钢结构桥梁自身的疲劳形象发生一定的变化，刚结构的影响因素主要包含桥梁的构件连接形式，构造细节等内容。钢结构桥梁的设计形式、钢结构桥梁的制造技术和焊接技术工作都会影响到钢结构应力的分布状态。

1.3 钢结构桥梁的外部因素

钢结构的桥梁产生影响的因素除上述两种因素以外，还有外部影响，这种影响直至钢结构的桥梁产生疲劳，外部影响主要包括昼夜温差，自然环境，强冻强高温天气等，还有外界给钢结构的桥梁施加压力，过往行车在行驶中出现的共振。焊接构件自身的应力的幅值和疲劳强度之间有着一定的关系，非焊接性构件的疲劳强度和应力的幅值有关联。

2 桥梁结构抗疲劳的设计计算方法

2.1 钢结构桥梁构件连接疲劳的抗力方程式

钢结构桥梁的疲劳抗力方程公式可以根据有关钢结构设计规范予以参考，例如：

公式一，母材：

公式二，高强度螺栓：

公式三，横向对接融投焊接缝隙：

公式四，留有孔洞的杆件：

公式五，栓钉：

公式六，横向角度焊接与板梁竖向加劲肋和腹板连接焊接端部：

公式七，单面坡口传力焊接：

公式八，板梁盖板端焊接与整体节点：

公式九，铆接构件：

2.2 根据钢结构的实际应力情况加以计算

桥梁钢结构需要承受的疲劳应力分为两种，即压应力与拉应力，主要的设计计算方法有以下几点。首先，桥梁钢结构的构件自身需要承受的疲劳应力屬于拉应力，构建自身的设计要点是应力幅控制，因此应该运用有关容许应力的计算公式加以计算，公式是 ；其次，钢结构构件自身还会承受压应力，在进行抗疲劳设计计算工作时，应该结合应力比加以考虑，积极引入应力比修正系数并做好修正工作，主要的公式为 。

在上述两个公式中△？滓e代表钢结构桥梁自身连接构造细节上的等幅应力幅，？滓'max表示钢结构桥梁在构造细节上活载和桓载的最大总拉应力等幅应力，rt表示桥梁钢结构板厚的修正系数，其自身的临界点是25mm，若临界点等于25mm，或是大于25mm，则修正系数值为1，当小于25mm时，系数值是rt=4，？滓r表示率不小于97%的容应力值，rp表示应力比修正系数。最后，对△？滓e进行求解，求解的方式分成可实测与不可实测两个方式。

其一，可实测：可实测方式对钢结构构件而言，能够有效的确定构件随机应力幅，进而便于实施抗疲劳计算，具体的抗疲劳计算方程为以下公式：

其中？琢代表-控制计算、或者是测量误差产生的不利影响，此时便需要用测量最大值进行系数的修正；相互作用的频率数值，所谓的m代表-疲劳抗力方程式中的直线斜率，它的取值需要以△？滓e=？滓max？燮rtrp[？滓r]的计算为主要依据，？撞ni代表-累计应力幅的作用频率值。

其二，不可实测：由上可知抗疲劳计算的方程式是

公式 包括恒载在内的最大总应力，公式 包含恒载在内的最小总应力，上述公式中，？滓1代表-荷载应力，r1代表-在相关桥梁在设计标准为基础的前提下进行恒载组合系数的取值；r2代表-活载组合系数取值，？茁表示-在1.0～1.4范围内进行取值的交通运输工具的效应系数，mc代表：桁架结构横向分布系数和箱型结构偏载系数，？孜代表-多个车道时横向的折减系数，？滓max，？滓min代表-依据车道活载应力影响加载的方式，因此得到细节位置车道荷载作用的最小应力、最大应力，进行计算的时候应该详细分析两者在车道荷载状态下的平面值，是否考虑到了车道数、空间分配以及空间横向分布的系数等。另外其未能考虑动力自身所带来的冲击造成的影响，单一的靠单车道荷载状态下做好相关计算与取值工作。

3 钢结构桥梁的疲劳设计方法

由于钢结构自身具备一定属性，结构构造都会避免疲劳性受损坏的问题。而钢结构桥梁设计的方法三种：安全寿命设计，损失容限设计以及无限寿命设计。在安全寿命的设计工作中，期能保障钢结构桥梁在某段时间范围内不能出现疲劳损坏，而构件应力的设计可以超过构件的疲劳极限数值。其次，损失容限设计方法需要在钢结构桥梁裂纹出现处的近地表或是表面进行。最后，无限寿命设计属于较为传统钢结构桥梁疲劳设计方法，这种设计方法用于钢结构桥梁设计阶段中，同时能简化钢结构桥梁的疲劳设计方式。endprint

4 钢结构桥梁疲劳设计的关键要点

在实际钢结构桥梁抗疲劳设计中，钢结构桥梁的疲劳荷载，验算位置，加载次数以及钢构件的条件的确定，均是疲劳设计工作的重点。

4.1 确定疲劳荷载

钢结构桥梁设计与桥梁上行车数量的变化情况有一定的关联，在车型和车辆的间距方面会存在一定的影响，而且在钢结构桥梁设计标准中有明文规定，需要根据钢结构自身的疲劳损伤程度将其折算成为标准的疲劳车辆，以及做好计算工作，并保证好各个疲劳车辆的总体重量能够相等。对线长度影响较小的局部做好相应的计算工作，并且依据相关规范做好轴重荷载的工作，轴重荷载公式如下：标准轴重荷载=1.1×标准疲劳车轴重载荷。

4.2 准确确定验算位置

钢结构桥梁的疲劳位置以及敏感的细节被称为验算位置，钢结构桥梁自身有诸多地方需要进行疲劳验算，每一个焊缝趾，甚至是每一个节点均需要进行验算工作。这其中较为重要的是焊趾、冲孔、焊接缝根部等等。

4.3 加载次数的确定

钢结构桥梁的疲劳设计工作需要重点计算疲劳应力工作，除此以外，还应重视确定疲劳车轴距间的关系，影响线长度，还有疲劳车辆一次加载次数。根据钢结构桥梁自身的性质以及高构件的自身性能，一个轴重表示一次加载，根据效应相等原理應把复杂的应力循环转换成单个应力循环。

4.4 钢构件应满足的需求与条件

根据桥梁设计标准、规范等文件的基本要求，在钢结构桥梁的设计时，选择的钢结构构件需要满足其承受弯曲与拉伸，应该采用长又圆的过渡型钢构件，有助于最大化减小钢结构的刚度。

5 结束语

近年来我国钢结构桥梁总是会出现一些疲劳问题，需要桥梁设计者在设计过程中全面考量以及做好桥梁的抗疲劳设计工作，从而促进桥梁工程的发展。本文分析了影响钢结构桥梁疲劳性影响因素，提到了相关的设计计算方法与关键点，期望能给钢结构桥梁的抗疲劳设计工作有所帮助。

参考文献：

[1]杨晓红.针对钢结构公路桥梁抗疲劳设计分析[J].工程技术：全文版，2016（11）：141.

[2]梁维全.疲劳荷载模型Ⅲ下的公路钢结构桥梁疲劳性能分析[J].城市道桥与防洪，2016（07）：129-132.

[3]李学刚.桥梁钢结构施工质量控制[J].科技创新与应用，2012（14）：168.endprint