关于钢结构桥梁抗疲劳设计分析

2020-07-14李善群

建材发展导向 2020年10期

李善群

（中国市政工程西北设计研究院有限公司安徽分公司，安徽合肥 230000）

钢结构桥梁为一种重要的桥梁结构类型，可依据相关标准及通用要求，在设计、研发生产、施工过程中，起到极具优势且独特的模块化作用，且在重复利用的环保领域，价值也较为突出。而在钢结构桥梁具体使用过程中，钢结构所呈现出的抗疲劳性能如何，可对使用效果产生直接影响，同时，对桥梁整体质量也具决定作用，若抗疲劳性能未及标准，除寿命会明显缩短外，且还增加了维修几率，引发资源浪费。故分析钢结构桥梁在对抗疲劳性能进行设计时所遵循的原则及策略，可为相关应用提供参考依据。

1 桥梁钢结构所具有的疲劳性能特征

就桥梁钢结构而言，其所属钢构件在制作时，以金属为原料，而金属在特征上，具疲劳属性，在使用中，易受自身材料、内、外等多因素影响，渐有累积损伤产生，进而出现裂纹，在车辆载荷的持续作用下，裂纹渐趋扩大，促使裂缝形成，最终影响到交通安全。

1.1 钢结构材料方面的因素

研究所示，钢构件是主要引发桥梁钢结构出现抗疲劳性的因素，即使钢构件问题极其微小，放在桥梁钢结构中，会表现为被无限放大的情况，故需从材料源头展开关注，以使钢结构抗疲劳性能可从根本上对设计要求满足。

1.2 钢结构内部因素

能够影响钢结构桥梁抗疲劳性能的还有自身内部因素，如桥梁的构件连接模式和细节、设计形式、制造技术以及焊接技术等，都能影响到钢筋结构应力的分布状况。

1.3 钢结构外部因素

外部因素以自然环境因素为主，包括昼夜温差因素、高温强寒强冻等。同时，过往超负荷运载的车辆对桥梁的压力也属外部因素范畴。桥梁的焊接构件本身的软硬程度与桥梁疲劳强度也存在一定的关联。

2 钢结构桥梁抗疲劳设计方所遵循的原则

2.1 符合当地环境条件

在工程建筑中，桥梁钢结构属重要的一种类型，所在区域不同，在进行抗疲劳设计时，除具一定共性外，还有自身特征。如焊接即是共性，为重点对工程质量造成影响的因素，过度或重复焊接，均会降低钢结构的应力，引发裂缝、裂纹，故将焊接引发的残余应力最大程度降低具有十分必要性。但焊接易受当地环境条件影响，如埋弧焊，在夏季湿度高，可明显增加受潮风险，引发气泡等不良现象。故依据季节特征，对施工项目进行开展，是需要考虑的重点事项。

另外，地区不同，钢结构设计在要求上，也存在较大差异，与自然气候、地理方位差异具直接相关性，特别是我国，国土跨越不同纬度，南部属亚热带，与东北寒冷地区在对钢结构设计时，有明显区别。以低温地区为例，需对冷脆性及动态负载耦合因素考虑，相较南方，需更具韧性。

2.2 考虑设计成本

成本预期为工程项目的重要内容，故在对桥梁钢结构进行抗疲劳设计时，在对工程质量进行保证的基础上，需注意成本的控制。需以最低的投入，对最高的效益获取为核心目标，建设者需从多角度，展开优化及合理的选择。就重要组成钢构建而言，其质量需放在首位，但在自市场购买时，也需充分对价格进行考虑。供应厂商不同，价格、质量均有区别，需择优选取，在对成本效益符合的条件下，对具较高疲劳等级的钢构件进行确定。此外，除构件价格，可更换性也是成本控制中的重要内容，桥梁的保养及维护，也属成本支出范畴。如在使用期间钢构件出现问题，仅需对局部进行更换便可将问题解决，未影响到桥梁整体运行状况，故也是压缩成本的重要举措[1]。

2.3 需严格遵循质量优先

质量控制为各施工项目的重点，工程质量如何，除与工程本身存在关联外，也与公共安全、区域发展等社会重大议题具密切相关性。故在针对桥梁钢结构展开抗疲劳设计时，需注意对质量优先原则严格遵循。就质量优先特征而言，在对桥梁钢结构进行设计过程中，其指所有设计层面，而钢结构所具有的抗疲劳性能仍为重点内容，所有可使此性能提升的措施，均可作为重点关注及探索的项目。而其中，如何选择钢构建材料仍为重点。钢构件材料适宜，才可对抗疲劳性能优良提供保障。钢构件为主要对钢结构组成的部件，不管是外形或是材料本身，均会影响抗疲劳性，如于受力区域分布的钢构件产生了较为细微的裂纹，持续在呈运行状态的车辆载荷作用下，可促使桥梁钢结构有较为巨大的裂缝出现，进而将使用期限明显缩短，并引发安全事件。故在选择钢构件时，除自身强度外，还需对外表面的应力进行考虑。

同时，质量优先除在选择材料时需重视，在对工程进行建设的过程中，各个环节也均需严格控制，以降低人为因素引发的质量问题，如焊接可对工程质量好坏产生直接影响，过度或重复焊接均可在一定程度下降低钢结构应力，增加裂纹、裂缝风险。故需将焊接造成的残余应力最大程度降低，采用具较高韧性的材料与焊条，以使焊接处的裂缝尽可能的缩小，为桥梁钢结构提供在质量方面的保证[2]。

3 钢结构桥梁抗疲劳设计具体对策

3.1 从完整性层面进行考虑

桥梁钢结构在进行施工时，桥体稳定性为重要目标，而桥体完整性为重要的确保桥梁钢结构运营成本可被有效控制的因素。如在对桥梁进行焊接过程中，有大量的接头生成，接头形式存在差异时，受体也有着较大区别，而接头部位所存在的应力作用，受接头问题影响，引发的钢构件问题也较为突出。另外，在进行焊接时，应力还可有形变现象，此是主要使接头强度减弱的因素，并可促使焊接接头无法对钢结构在强度方面的整体需求满足，严重者，可有裂纹出现，导致严重的可影响公共安全的质量问题。故需提高对焊接接头设计的重视力度，为确保整体工程质量完整且稳定的前提条件。裂纹检测方法见表1。

表1 表面裂纹检测

项目在进行焊接期间，需采取焊接性检测，来对接头的疲劳及静力等级进行确定，以对最为理想的焊接形式进行选择，以防有接头变形的现象。另外，在设计焊接时，需详细对细节进行设计和规划，以受力均匀，将接头应力最大程度降低，避免因接头故障引发钢结构连接区域出现受力不均的情况，保持连接部位的稳定性[3]。

3.2 稳定性方面的设计要点

与其它桥梁结构进行比较，钢结构材料质量相同呈较轻显示，强度却居更高水平，故有较高的应用价值，但在抗倾覆稳定性方面，还有较大的提升空间。在既往施工中，有桥体倾覆的现象，分析原因，与横向抗倾覆设计存在问题相关，使施工安全受到严重影响，使工程预期社会和经济效益无法达成。分析原因，为在设计多车道小半径桥梁时，桥面宽度大于钢梁，横梁表现为受力不均的情况，进而引发桥体倾覆。故在对桥梁钢结构进行设计时，对横向抗倾覆稳定性进行强化，为工作的重点内容。