钢结构桥梁抗疲劳设计方法讨论

马鸿亮 熊南京

摘要：本文结合实际，指出钢结构材料特性与外部因素影响以及内部因素是影响公路钢结构桥梁耐疲劳性的关键因素，同时总结了公路钢结构桥梁疲劳设计方法，并且在总结设计方法的基础上，对钢结构桥梁疲劳设计关键点进行分析，目的在于提高公路钢结构桥梁抗疲劳水平。

关键词：公路钢结构；桥梁；抗疲劳；设计；方法

0.引言

在社会的高速发展背景之下，当前我国的公路建设里程逐渐增多，公路桥涵的建筑数量也在持续的增加。钢结构桥梁在长期的使用过程中，会直接受到汽车载荷的影响，结构会承载反复的作用力，产生疲劳损害的问题，再加上很多的钢结构梁体自身就存在应力分布部均匀的问题，同时也存在有疲劳程度不同的情况，所以在桥梁长期使用过程中存在很多的安全问题，需要加强抗疲劳设计。

1.公路钢结构桥梁疲劳性能的影响因素

1.1钢结构材料特性

钢结构桥梁的抗疲劳性能分析发现，只要钢结构的外表面存在有一些比较严重的微小裂纹，疲劳性能也会随之裂缝的增多而逐渐的提升，因此，钢结构材料外部表面需要具备较强的应力。

1.2外部因素

从大量的实践经验分析之后可以发现，除了材料的性能影响其疲劳性能，很多的外部因素也会产生直接的影响，比如环境温度的急剧变化、自然环境的变化以及外部梁体施加压力的变化等等，这些因素会直接导致钢结构桥梁性能的疲劳性能的变化。

1.3内部因素

通过实践经验分析，结构内部因素对于抗疲劳性能的影响也是比较严重的，深入分析发现，结构的影响因素主要就是连接形式、公路结构形式、组成细节等等问题，此外所选择使用的焊接施工技术、结构设计方案等因素也会影响其结构应力的分布，也会造成某些部分的缺陷，所以在施工的过程中，需要充分的考虑到其影响因素，选择合适的方案。

2.钢结构桥梁疲劳设计方法

2.1无限寿命设计

这种设计方法就是应该保证桥涵设计应力要低于抗疲劳限值，并且使得整个工程具备无限寿命的要求。随着桥梁使用时间的延长，变幅循环同时也会存在有应力变化的情况，进而可以按照等幅值的疲劳强度参数来进行设计。也就是说，该种设计设计理念的结构形式较为笨重。为了能够有效的发挥出其性能，应该提升设计水平，逐渐的转入无限寿命设计中。

2.2安全寿命设计

这种设计方法就是在应用的时间范围内，桥涵结构中水出现了一定程度的疲劳损坏的问题，因此在应用的过程中，其结构会超出疲劳极限的要求。结构设计细节方面对于寿命所造成的影响，其也体现出了疲劳寿命曲线的形式，主要是为了在限定范围内，确保整体的结构更加的安全。预测结构运营时间可以通过利用频率与加载序列来确定，然后就是分析潜在裂缝处理的过程。在应用不同结构载荷方面，要结合损伤理论来确定疲劳损伤的程度。结合S-N曲线来进行安全寿命的确定与设计，从而可以明确最佳的设计方案，也可以通过使用应变一疲劳曲线确定，前者是进行名义寿命的设计，很多情况下都是应用到高周疲劳中使用，而后者是进行局部应力应变法，很多情况下都是进行地震等偶然载荷的计算。

2.3损伤容限设计

这种施工方法主要是利用断裂力学来进行的，首先应该假设结构初始裂缝的问题，计算确定Tf的数据时，应该使用断裂力学原理，此时可以将裂缝看做是简化的椭圆形状，从而在交变应力的作用之下，裂缝会直接向深度方向发展，扩展速度可以通过下式计算确定：

式中，da/dN是一次应力循环开展两，而AK就是一次应力循环，A、m主要就是与材料有关的常数。然后进行结构剩余性能的估算，通过试验进行校验分析，从而可以保证在应用的期限内，不会出现裂纹严重变化的情况，这种方式能够充分的保证结构的安全性。目前该计算方法主要是应用在钢筋旧桥疲劳寿命的计算与评定过程中。

预测检测间隔的过程中应该要充分的考虑到漏检，Ti≤0.5Tf，其中Tf为可探测裂纹，ld为临界长度，lf则表示时间。表面裂纹的最小尺寸為ld，检测阶段应该根据实际情况选择合适的方法，还要确定裂纹的问题等等内容，同时应该确定表面裂纹最小长度值的探测，具体的数据详见表1所示。

3.钢结构桥梁疲劳设计关键点

3.1确定疲劳荷载

与铁路的设计疲劳设计方案为基础，公路钢结构的上部结构中的车辆数量变化量比较大，车辆间距与车型都不是固定的，从目前所应用的设计规范理论中可以了解到，应用结构疲劳损伤的基本理念来确定标准疲劳参数，此时应该要保证疲劳车总质量是一致的。线长度局部计算中，要按照标准荷载数据进行，这样才能保证最终的数据计算更加的准确。

3.2准确确定验算位置

这方面主要体现在疲劳敏感细节与位置，公路杆结构的疲劳测算中，要从每个节点、焊缝位置都要进行验算。

3.3确定加载次数

公路钢结构桥梁疲劳设计的过程中，应该综合分析疲劳应力参数，从而可以更加准确的确定线长度、一次加载次数以及疲劳车轴距等参数所存在的关联。从钢结构性能、桥梁性质等方面，采用一次轴重加载的方式，应用效应相等的原则来进行，应该将更加复杂的循环应力直接转换成为单个循环的数据来表示。

3.4构件需满足的要求

钢结构桥梁设计中，对于承受弯曲、拉伸作用等的钢结构部件，应该将该部分结构设计成为长、圆形的形状，从而可以有效的降低钢结构的刚度变化，提升整体性能。

3.5复杂应力状态下疲劳验算

单向应力的应用基础上，结构或者构件疲劳强度数据的确定可以来有效的控制抗疲劳应力，该数据会小于疲劳允许应力，但是在进行方案确定的过程中不能只利用单向应力的数据来确定，还要综合分析其他的应力影响。有些结构受到弯矩的作用，也会受到剪力的影响，此时可以通过下式来确定：

4.结束语

桥梁结构的疲劳损坏的影响因素比较多，所以在设计过程中需要注重抗疲劳的设计，还要深入的分析各种影响因素，加大力度进行抗疲劳技术的研究，从而可以有效的防止桥梁结构出现一系列的损坏事故，提升桥梁的技术水平，满足交通运行的需要，促进整个社会的发展。