钢桥疲劳设计方法的探索

2018-08-15周业超

四川水泥 2018年9期

周业超

（中设设计集团股份有限公司，江苏南京 210014）

随着桥梁事业的发展，我国钢桥建设也有了很大的进步，结构构造和制造工艺更加复杂、精细，桥梁的承受荷载逐渐增大，设计安全系数因桥梁的精细化而降低。在桥梁运营期间，车流量的荷载会随时发生变化，车辆的超载和交通量可能会有所增加，都可能让桥梁的疲劳问题更加明显。结构抗疲劳设计可以在一定使用中保证桥梁的承受能力，让桥梁结构不会因疲劳而失效或损坏。通过分析引起桥梁疲劳问题的因素，应用能够解决影响钢桥疲劳性能的设计方法，消除钢桥疲劳问题，让桥梁的运行更加安全。

1 钢桥疲劳影响因素

导致钢桥疲劳的因素是钢构件上出现裂纹。由于荷载量的改变，钢桥构件上的裂纹会不断扩展和增加，导致钢桥构件的性能逐渐降低，最后会因损害而失去性能。影响钢桥结构疲劳的因素包括材料、构件、构造、加工、荷载等特性。

1.1 用于建造钢桥的材料

钢桥的材料影响着钢桥的疲劳性能。建筑钢桥时利用的原材料不同，其中的元素比例不同，会导致钢材料的强度不同，进而影响到钢桥的疲劳性能。虽然强度大的钢材能够提升钢桥的疲劳性能，但疲劳性能的增加并不明显，性价比不高。因此对钢桥抗疲劳设计时尽可能不用较高强度的钢材，以免投入更多的成本，而钢桥的性能得不到应有的改善。

1.2 钢桥的构造连接

钢桥的构造连接会影响到钢桥的疲劳性能。如一些钢桥存在细节构造，导致截面区域被削弱，使得此处的钢构件应力过于集中，导致疲劳问题愈发明显。而对构件采用不同的连接方式，也会造成疲劳性能不同。如焊接、铆接、螺栓连接等，这些连接方式各有优点，但使用在同一钢桥建设中，就会造成构件应力不同。焊接会造成残余应力的缺陷，直接对钢桥产生疲劳破坏；铆接、螺栓连接会削弱母材截面，导致应力过度集中，从而产生疲劳问题。

1.3 钢桥的构件

钢桥的构件会有不同的尺寸，其表面性能也各异，这些因素都足以影响到钢桥的疲劳性能。通常情况下，尺寸比较小的构件会有良好疲劳性能，而尺寸较大的构件，会因受力问题而影响疲劳性能。疲劳裂纹多产生在钢构件的表面，因此钢构件的表面紧密程度影响着钢桥的疲劳性能。在设计过程中，需要考虑到构件的尺寸，尽量使用尺寸较小的构件，保证构件表面的紧密程度，减少因构件特性而产生的钢材疲劳问题。

1.4 钢桥的加工质量

在钢桥的结构制作时，需要采用多道加工程序，如果加工质量不合格，会对后期的使用产生影响。加工中，开始使用自动化加工制造工艺，可能会影响到钢材的加工质量，尤其是对钢材进行焊接处理，如果焊接不到位，就会影响整个钢桥的质量，极易引起疲劳问题的产生。

1.5 钢桥的车辆荷载

钢桥建设后投入使用，运营时会面临车辆荷载问题。由于荷载的不确定性而导致桥梁的应力幅值和循环次数受到影响，进而威胁到钢桥的疲劳性能。当荷载幅值增大、循环次数增多时，桥梁的应力作用加大，疲劳性能会被降低，影响着桥梁的使用寿命。

2 钢桥疲劳设计方法

为了应对各种因素对桥梁疲劳性能的影响，在钢桥建设中，需要采用合理的钢桥疲劳设计方法。因钢桥建设的材料、构件、连接、荷载等的不同，使用的设计方法也要有所差异。

2.1 有限寿命设计

钢桥疲劳设计的有限寿命设计使钢桥结构在一定的寿限内不会发生破坏，但应力幅值超出了钢桥的承受能力，就会导致钢桥的使用寿命大大降低。这种设计是在无限寿命设计中发展而来的，但设计方法不会像无限寿命设计一样只考虑使用应力的问题，而是需要考虑累积损伤去估计总的疲劳损伤。

2.2 无限寿命设计

和钢桥有限寿命设计相对的是无限寿命设计，这一设计需要钢桥受到应力一直在疲劳极限值以下，即让构件的设计应力值超过承受的应力，结构在外界应力下不会受到损坏，桥梁的使用寿命得到延长。这种设计方式是为了应对不稳定变幅循环应力，让疲劳极限强度远在最大应力幅之上。无限寿命设计方法非常简单，不用考虑到材料的性能问题，只要控制使用的应力。这导致设计中无法发挥材料的性能，储备过高，形成资源浪费。

2.3 疲劳可靠度设计

疲劳可靠设计将钢桥的疲劳失效用极限状态方程进行计算，方程中的所有因素都用概率方式进行显示，让钢桥的疲劳问题演变为概率可靠度求解问题。疲劳可靠度设计为了让疲劳的可靠度在能够接受的范围内，即使出现疲劳失效，也能得到及时处理。

2.4 损伤容限设计

损伤容限设计是在断裂力学的基础上对构件疲劳问题进行设计。假定构件在疲劳的初期出现裂纹，且裂纹为椭圆形，可以通过交变应力的作用对裂纹的拓展方向和速率进行分析，估算构件剩余的寿命。既然存在裂纹损伤，需要对裂纹进行控制，保证裂纹在使用期限内不会继续扩大，让构建的寿命得到延续。这种设计方法多用于旧钢桥的检查和寿命估算，并不会使用在新建的钢桥的疲劳设计中。

3 钢桥疲劳设计的要点

3.1 疲劳荷载

桥梁的疲劳荷载主要是车辆荷载，对疲劳车辆荷载的设计需要掌握桥梁在后期运营中车辆的荷载等级和标准，利用随机车流模拟方法，对桥梁寿命内的车流荷载进行仿真分析，通过计算可得更加准确的桥梁应力幅模型，确定桥梁的实际疲劳荷载。设计疲劳荷载在各国都有相应的规范，是基于大量研究后确定的设计模型，具有普遍桥梁适用性，安全储备较高。

3.2 疲劳强度

钢桥疲劳设计中的疲劳强度，需要根据钢桥的构件进行确定。如果知道钢构件的材质和性能，可以通过疲劳试验来验证构件的疲劳强度；如果只给了钢构件的尺寸和结构型式，就无法通过疲劳试验进行验证，应该考虑到多种因素的折减，如构件的尺寸、加工的质量、构件的受力等。由于这些因素的影响，构件的强度就会被折减，设计时需要对此因素进行考虑。一些钢桥构件的受力比较复杂，并不是单一性的受力方式，疲劳强度需要结合各方面因素综合计算。

3.3 疲劳验算位置

钢桥的结构如果是设定的模式，一些疲劳损坏的位置可以根据以往经验进行预算。在设计过程中，需要对这些容易损坏的疲劳部位做设计验算，以保证桥梁结构的疲劳位置处于安全状态中。钢桥疲劳设计中，正交异性钢桥面板是关键，需要关注顶板和U型加劲肋连接处、U型加劲肋和横隔板连接处等位置的疲劳性，保证疲劳寿命，以提升桥面板的疲劳安全性能。