关于钢结构桥梁疲劳问题的综述

张耀文

中铁第五勘察设计院集团有限公司

1 引言

近年来钢结构桥梁在我国桥梁工程设计领域应用广泛，但钢结构桥梁疲劳设计问题也越来越突出。钢结构疲劳设计直接关系整个桥梁工程的安全性和耐久性，因此积极优化钢结构桥梁疲劳设计是非常必要的。

2 钢结构桥梁的疲劳

钢架桥梁结构自身的承压能力和稳定性能是影响其使用年限的根本性因素，还有一个最重要的影响因素为疲劳性问题。当周围的公路结构环境受到来自大自然的影响时，可能会因为钢架结构的疲劳性设计与实际标准之间误差太大，就会因为一些自然因素的变动而产生无法挽回的损失，主要表现为钢架结构的裂缝现象和断裂现象。钢结构桥梁的耐久性与疲劳密切相关。在重复性交变荷载作用下钢结构桥梁容易在焊缝处出现疲劳裂纹，随着疲劳裂纹不断加重会导致钢结构桥梁开裂，进而影响钢结构桥梁的正常使用。针对该问题，设计人员需要在钢结构桥梁设计之前就意识到疲劳设计的重要性，不断优化设计方案。

3 影响钢结构桥梁疲劳的因素分析

3.1 结构材料特性

影响钢结构桥梁疲劳的因素较多。其中最主要因素是结构材料的性能，主要有构件尺寸、钢材性能以及结构外表面缺陷等。但是钢材强度对结构疲劳性能的影响变化不明显，通常情况下钢材强度的提高仅能稍微提高结构的抗疲劳性能。可见对于疲劳强度控制的构件，如果选择强度较高的钢材显然是不经济的。一般情况下，随着构件尺寸的增加，其疲劳强度反而会逐渐降低。这是由于结构外表面缺陷处常常会出现疲劳裂缝，此时表面层材料对外表面结构的约束力度较小，导致结构发生较大的偏移。

3.2 结构的外部环境

结构外部环境也会影响钢结构桥梁疲劳。外界循环荷载作用在结构上，会导致结构产生疲劳破坏，这其中主要是应力幅值偏大引起的。查阅以往的文献可发现应力幅值直接影响钢结构桥梁的疲劳强度，而平均应力对钢结构桥梁疲劳强度影响不大。

3.3 结构构造

钢结构桥梁的制造工艺、焊接工艺、焊接后处理工艺等直接影响结构初始应力分布情况，并对固有缺陷产生较大影响。

4 钢结构桥梁抗疲劳设计主要存在的问题

4.1 抗疲劳设计存在较大随意性

抗疲劳设计存在较大随意性是普遍存在的问题。具体表现为在抗疲劳设计中采用容许应力法带有较强的随意性，结构安全服役安全隐患较多。容许应力法仅仅是依靠传统经验给出的安全系数对结构稳定性进行评价，此种稳定性评价方式可靠度不高。

4.2 荷载模型未定义

荷载模型未定义也是现阶段我国钢结构桥梁抗疲劳设计存在的主要问题。这样就直接导致我国钢结构桥梁抗疲劳设计选择的荷载缺乏统一形式。钢结构桥梁的设计疲劳荷载和实际疲劳荷载明显不同，难以将桥梁真实的荷载运营情况反映出来。

4.3 控制参数较为粗略

控制参数较为粗略在现阶段钢结构桥梁抗疲劳设计中也较为常见，控制参数一般为应力比，应力比作为控制参数难以将实际结构被破坏的原因真实反映出来。目前国外一些较为先进的钢结构抗疲劳设计采用的控制参数大多是应力幅。针对我国控制参数较为粗略的问题，可以积极借鉴国外在控制参数选择上的经验，将其转化为适合我国国情的钢结构桥梁抗疲劳设计规范。

5 钢结构桥梁抗疲劳设计的主要方法

5.1 无限寿命设计

最早的疲劳设计方法就是无限寿命设计，该设计模式要求结构设计应力要远远小于疲劳极限值，这样才能达到无限寿命的使用效果。对于变幅循环应力需要满足最大应力幅低于构件等效等幅疲劳极限强度的标准。英国是最早对无限寿命设计做出明确规范的国家，明确了钢结构桥梁的疲劳验算方法，此种验算方法较为简单，非常适用于无限次应力循环为零的构建，且不需要考虑疲劳损伤程度。但是此种设计模式存在的主要问题是构件不灵巧，材料承载潜能难以全部体现出来。

5.2 安全寿命设计

安全寿命设计可确保结构在一定使用期限内不会因为疲劳发生损坏，此时构件工作应力可以大于疲劳极限。安全寿命设计可确保构件在固定期限内使用顺利，确保构件安全和稳定性。加载序列和频数可用来表达预测结构运营历程，随后对潜在裂纹处应力历程进行分析。结构运营历程荷载不同时可以以一定累积损伤理论对总的疲劳损伤进行估算。S-N曲线设计是安全寿命设计常采取的方法，在车辆等荷载引起的高周疲劳计算时可采取S-N 曲线设计。应变-疲劳寿命曲线又称为局部应力应变法，地震等偶然荷载引起的低周疲劳计算可采用应变-疲劳寿命曲线。

5.3 损伤容限设计

损伤容限设计可确保可能含裂纹或者含裂纹重要构件的安全性，此种设计方法最先开始于二十世纪七十年代，随后逐渐转变为现代化疲劳裂纹控制方法。假设某个构件中有裂纹，对其进行断裂力学、疲劳裂纹扩展分析并试验验证，在裂纹出现之前定期检查，确保裂纹不会继续外向扩大，以免加重损伤程度。以上就是损伤容限设计的主要思路。损伤容限设计时需要对结构做好相应的安全措施，在严格制度的约束下确保结构的安全性。损伤容限设计允许构件在使用寿命期间产生破损和裂纹，并允许构件存在初始缺陷。但是下次检修构件之前，需要确保构件强度与上次检查结果一致，以保证正常使用。

5.4 疲劳可靠性设计

上述设计方法均存在不同程度的分散性，单纯按照平均值设计难以确保钢结构桥梁的安全性。因此设计人员需要参考之前的使用经验，将相应的安全系数引入其中，平均值和安全系数结合在一起可确保钢结构桥梁的安全性和稳定性。疲劳可靠性设计需要参考疲劳强度平均值和构件应力以及疲劳强度的分布规律。以此为基础得到相应的分布曲线计算出强度超过应力的概率，该概率就是构件可靠度。

6 新型钢结构桥梁结构及其构造细节的疲劳研究

6.1 整体节点疲劳试验

整体节点作为钢结构桥梁构件连接方式，传力简单、安装便捷、节省材料。整体节点在钢结构桥梁疲劳设计中应用较为广泛。整体节点作为一种新的构造形式对制造加工和结构分析要求较高，不仅需要静力分析还需要开展相应试验，分析构件的抗疲劳能力。比如芜湖长江大桥使用了整体节点的杆件连接方式，并对十三种整体节点连接类型的构造细节展开疲劳试验，随后得出十三条S-N 曲线，并结合不同构造细节考核各个阶段的疲劳试验结果。

6.2 索梁锚固结构及拉索疲劳试验

索梁直接影响钢结构悬索桥或斜拉桥结构安全性，尤其是斜拉桥的斜拉索，因此需要使用更为可靠的索梁连接方式。其中锚管连接、锚箱连接以及耳板连接是索梁连接的常见方式。其中最先开始对索梁锚固等关键部位疲劳试验研究的是日本。我国在修建苏通长江大桥、南京长江大桥等大跨度的钢结构桥梁建设时仔细研究了锚箱连接方式，为桥梁工程施工奠定了坚实的基础。循环动荷载直接作用在斜拉索上，斜拉索即便是单元构件，但是依然是由高强度的钢丝构成。目前大跨度钢结构桥梁斜拉索都需要进行疲劳试验。受斜拉索拉伸弹性的影响，需要对其施加更大的疲劳荷载。该试验需要高性能的试验设备，且试验耗费的时间较多，一般情况下一个厂家对一项工程只要求做一根开展验证试验。此外，纳入斜拉索减震措施和制振措施能有利减少桥梁的疲劳破坏，并进一步增强了斜拉索的耐久性。

6.3 双轴疲劳试验

节点构造受力不是单向的，传统构件疲劳性能检算时按照单向应力并纳入次应力对其产生影响，设计规范中对多向受力没有做出明确的规定。为了将复杂应力状态直接反映出来，需要对实际受力情况进行模拟，并进行双轴疲劳试验。查阅相关文件发现在设计渝怀铁路长寿长江大桥科研项目组使用FESAFE 疲劳分析软件对其进行计算，开展了次应力双轴疲劳试验。系统性研究了铁路标准钢桁梁次应力是如何产生的，验证了次应力对疲劳性能产生的影响，并归纳出了次应力疲劳检算相关建议。

7 实际应用

要想真正发挥钢结构桥梁的真正功能和效用，不仅需要利用精密的计算仪器来对其构造内部的细节和螺母进行长度和细节的运算，还需要对其抗疲劳设计的性能进行实际的应用和操作演练。此外，相关设计人员还可以结合国外先进的科学设计规范和标准来对其作出辅助性影响作用，从这些影响结构特征中，最终得出以下几点结论:第一，虽然国家采用的抗疲劳设计内部具有一些结构性特征，具有较大的差异性，但实际采用的效用都为荷载效应，他们最终的设计理念和结构性构想都具有较高的一致性，但在实际的操作过程时，也会因为具体桥梁结构的内部构造和相关系数来进行不断的整改；第二，对于我国的桥梁结构的具体设计而言，对其进行非常细致的和等级的划分，但对于整体桥梁结构的可持续发展却没有推进作用。这就需要国内的相关设计人员，利用国外先进的科学技术标准，来对我国的设计规范进行不断的调节和整改，对于现存的问题进行及时的纠正和解决，才能够真正地解决现实生活中实际存在的各项问题，提高整个钢结构桥梁的使用年限。所以，要利用可持续的发展原则和方式，来推动我国钢结构桥梁抗疲劳设计的可持续发展和科学性进步，以安全性为原则来进行细致的划分和性能的最大化激发，从而可以有效地利用这种高架桥梁的设计来保障我国高架桥使用的安全性，最大限度地减少安全事故发生的可能性，还可以利用这种桥梁结构来促进国内经济的调整和结构性改善，实现农村地区和城镇地区的共同进步，对于社会的未来都具有推动作用。

8 结束语

本文通过分析钢结构桥梁的疲劳影响因素、抗疲劳设计存在的问题、抗疲劳设计的主要方法、新型结构、构造细节的疲劳研究以及实际应用等方面，较为详尽地阐述了我国钢结构桥梁疲劳问题的研究进展，希望对该领域研究有一定帮助，进一步推动我国钢结构桥梁的发展。