基于新时期下钢结构桥梁疲劳设计研究

吴玉有

摘 要：公路桥梁工程为交通系统的重要组成部分，为满足交通运输行业发展需求，需要总结以往施工经验，对桥梁结构设计与施工技术进行研究，对存在的不足进行完善优化，降低各项因素的影响，在整体上提高工程施工质量，延长其服务年限。钢结构桥梁现在已经比较广泛，需要重点对其抗疲劳设计进行研究，分析桥梁施工与运营阶段可能会遇到的问题，避免其基础功能的退化。本文对钢结构桥梁疲劳设计方法进行了简要分析。

关键词：钢结构桥梁；疲劳设计；检测

前言

公路鋼结构桥梁在重载荷交通量的作用下，会产生疲劳，钢结构桥梁的抗疲劳性是影响钢结构桥梁使用寿命的主要因素之一。由于钢结构受力不合理等众多原因，会导致钢结构出现疲劳裂纹，随着行车载荷的不断作用，裂纹发展成裂缝，从而影响到桥梁的正常使用。因此，需要采取有效的措施对其进行预防和处理提升桥梁桥梁的抗疲劳性能。钢结构桥梁其抗疲劳强度很大程度上会受到加工材料性能的影响，因为所选结构钢材，在各加工阶段。

一、影响公路钢结构桥梁疲劳性能的因素

影响钢结构桥梁疲劳性能的因素很多，具体归纳起来主要有钢结构的材料特性、内部因素、钢结构的外部因素。

1.1钢构件材料的性能

对于桥梁钢结构抗疲劳性的影响，钢构件材料的性能是一个非常重要的因素。钢构件不论是从材料上还是从大小上都可能影响到桥梁钢结构的疲劳性。如果钢构件产生了裂纹，哪怕是极其细微的裂纹，都会给桥梁钢结构的疲劳性带来影响，并且这种影响会伴随着裂纹的加深而不断加剧。因此，钢构件材料的强度并不是越高越好。除此之外，由于裂纹往往发生于钢构件的表面，因此对钢构件外表面的应力也有较高的要求。

1.2外部影响因素

桥梁钢结构所处外部环境的变化也会对桥梁的疲劳性产生一定的影响，比如，高温高寒天气气候的影响、昼夜温差巨大、气候条件发生改变以及外部对桥梁钢结构产生的压力等等，都会对桥梁钢结构的疲劳性产生严重影响。

1.3内部影响因素

桥梁钢结构内部的许多因素有时也会对其疲劳性产生的严重影响。具体说来，主要包括桥梁构造的细节、桥梁结构以及桥梁钢构件之间的连接形式等多个方面。除此之外，桥梁钢结构的设计方式以及焊接手段等也会给桥梁钢结构的应力分布带来直接影响。

二、公路钢结构桥梁疲劳设计方法

公路钢结构桥梁疲劳设计根据以上我们分析的影响公路钢结构桥梁疲劳性能设计的因素，进行公路钢结构桥梁疲劳设计，将由钢结构材料自身属性，结构构造等引起的公路钢结构桥梁疲劳性能损伤进行消除，防止钢结构桥梁结构的疲劳性能被破坏。公路钢结构桥梁疲劳设计有3种：安全寿命设计、无限寿命设计、损失容限设计。

2.1安全寿命设计

安全寿命公路钢结构桥梁设计，这种设计方法可以保证公路钢结构桥梁在一定的时限内，疲劳性能不发生损坏，而且构件应力设计可以超过其疲劳极限值。安全寿命设计可以将钢结构桥梁应力—疲劳寿命关系，作为公路钢结构桥梁设计的参考依据，进行钢结构桥梁设计。安全寿命设计和无限寿命设计不同，安全寿命设计属于有限寿命设计，而有限寿命设计的构件应力设计值在疲劳极限值之上，从图1中的前半部折线部分，可以知道在这些区域内的钢结构桥梁疲劳寿命各不相同，所以在设计的过程中不能像无限寿命设计那样只考虑最高应力，这种设计方法需要按照一定的理论进行疲劳损伤估算。公路钢结构桥梁设计使用安全寿命设计的条件是：钢结构桥梁的疲劳强度曲线必须知道，而且含有起裂构件制造质量符合钢结构桥梁疲劳等级定义。

2.2无限寿命设计

无限寿命设计是最早的公路钢结构桥梁疲劳设计使用的方法，这种设计方法在钢结构桥梁设计的过程中，要求结构设计的应力低于钢结构桥梁疲劳极限值，进而完成公路钢结构桥梁的无限寿命设计。无线寿命设计是简化设计，虽然是将公路钢结构桥梁疲劳设计进行简化，但是在构件设计上显得有些笨重，为了能够充分的利用材料的性能，将钢结构桥梁应力的设计水平提升，进而将公路钢结构桥梁的无线寿命设计演变为有限寿命设计。

2.3损伤容限设计

使用这种方法进行公路钢结构桥梁设计需要满足的前提条件是：钢结构桥梁裂纹开始的地方接近表面或者从表面开始：潜在起裂处设计寿命内的损伤超过10；采用探测方法可行；维护说明中要指明裂缝发生的位置。

在进行预测检测间隔时需要考虑到一次漏检。Ti≤0.5Tf其中Tf是可探测裂纹ld是临界长度lf是时间（见图2）

表面裂纹的最小暴露长度ld，在检测时考虑了探测的可能性、裂纹的位置、检测方法等内容，可探测表面裂纹长度的最小值。

三、钢结构桥梁疲劳设计的关键点

3.1疲劳荷载的确定

公路钢结构桥梁设计和铁路桥梁设计疲劳验算有所不同，公路钢结构桥梁通过的车辆数量变化幅度非常的大，而且车型、车辆间距等都有所不同，在钢结构桥梁设计规范中有：可以根据钢结构疲劳损伤等效，将其折算成标准疲劳车进行计算，但是要保证各疲劳车的总重量相同

影响线长度较小的局部计算，按照标准轴重荷载进行。标准轴重荷载=标准疲劳车轴重载荷×1.1。

3.2将验算位置进行准确确定

验算位置指的是疲劳敏感细节和部位，公路杆结构桥梁的疲劳验算有很多地方，每一个小节点、每一个焊缝趾等短都需要进行验算。其中重点验算的内容有：焊接缝根部、焊趾、结构倒角处、冲孔、剪开边等。

3.3确定加载次数

在公路钢结构桥梁疲劳设计过程中进行疲劳应力计算时，要将疲劳车一次加载次数、影响线长度、疲劳车轴距之间的关系进行确定。根据钢结构桥梁的性质以及钢构件的性能，一个轴重就是一次加载，根据效应相等原则，将复杂应力循环转换成单个循环代数进行表示。

3.4钢结构桥梁设计中构件需要满足的要求

根据多年的公路钢结构桥梁设计经验以及现有的桥梁设计规范等文件要求，公路钢结构桥梁设计中钢结构构件需要满足的要求为：在公路钢结构桥梁设计过程中对于承受拉伸、弯曲等钢构件，需要使用长且圆的过渡性钢构件，这样可以将钢结构的刚度变化相应的减小；钢结构桥梁设计中要有线选用对接焊缝，焊接构件的焊缝要在应力区下面，并且进行焊后处理。对于较复杂的构件采用辅助疲劳设计的方法进行辅助设计。

四、总结

综上可知，随着钢结构桥梁的不断发展，在公路桥梁结构设计过程中侵蚀现象的凸显威胁到了公路桥梁使用安全性，为此，为了保障人们出行安全，需在当前公路桥梁结构设计工作开展过程中探索抗疲劳设计准则，就此在一定程度上缓解公路桥梁疲劳现象，通过不同的桥梁结构设计方法对其进行优化设计，确保桥梁结构的稳定。

参考文献：

[1]李星新，汪正兴，任伟新.钢筋混凝土桥梁疲劳时变可靠度分析[J].中国铁道科学，2009（02）

[2]朱劲松，孟会林.公路钢桥精细化抗疲劳设计方法及其应用[J].桥梁建设，2009（03）.

[3]王丽，张玉玲.混凝土桥梁疲劳设计方法综述[J].铁道建筑，2008（01）.