桥梁钢结构的疲劳设计分析

2023-01-14路璐倪紫威

建筑与装饰 2022年4期

路璐倪紫威

1. 苏交科集团股份有限公司江苏南京 211112；

2. 南京博科新材料产业研究院有限公司江苏南京 211100

1 桥梁钢结构疲劳性分析

桥梁钢结构主要是由金属元件制成，同时金属存在某种疲劳属性，钢结构在具体应用中受到内外因素影响，处于循环应变以及循环应力影响下，形成局部积累损伤，导致裂纹问题，疲劳裂纹同样会在车辆荷载持续作用影响下，导致裂缝进一步扩大，影响交通和桥梁的应用安全性。抗疲劳性则是上述隐患重要保障，抗疲劳性也成为钢结构重要设计内容，随着钢结构抗疲劳性扩大，桥梁应用寿命相继增加。桥梁钢结构综合抗疲劳性容易受到多种因素影响，内部因素包括桥梁钢构件连接模式、桥梁形式、细节构造，除此之外，焊接方法和设计手段也会影响桥梁钢结构应力分布状态。外部因素包括气候环境，现实昼夜温差、冰冻现象、暴风雪、高温高寒等因素都会导致钢结构设计差异，产生钢结构应用性能差异。材料因素影响中，钢构件属于桥梁钢结构中影响抗疲劳性主要因素，钢结构中细微问题在实际应用中都会被进一步放大，所以需要从源头入手，合理选择钢材，保证钢结构满足抗疲劳设计要求[1]。

2 桥梁钢结构疲劳损伤过程分析

通常可以将桥梁钢结构疲劳损伤分成三种层次，第一阶段是形成裂纹裂缝，因为结构问题或材料等因素影响导致形成裂纹；第二阶段是缓慢扩展阶段，基于荷载的反复作用影响下，导致裂纹不断延伸扩展；第三阶段是快速破坏。经过长时间的破坏影响积累后，出现某种冲击破坏条件下，便会导致裂纹被迅速破坏，形成脆性损伤问题。因为在桥梁钢结构生产施工中不可避免会出现各种结构缺陷，而不管科技发展到何种程度，只能尽量控制种种缺陷，却无法彻底消除。比如桥梁钢结构中的非金属杂质、化学成分偏析以及各种非焊接零件表层划痕等，轧钢生产中所实施的火焰切割、剪边和打孔等操作都容易产生裂纹和毛边问题，而这些损坏也是无法避免的。疲劳强度在静荷载与破坏并不相同，疲劳损坏特征如下：第一，疲劳断裂应力小于静荷载极限标准，甚至部分条件下还小于对应屈服强度。第二，疲劳失效普遍出现于局部高应力剖面，并非是应力最大部位。第三，即便是塑性材料，在出现疲劳损伤后也不会形成较大的塑性变形，不存在明显预兆带，因其属于脆性断裂，具有一定突发性，容易造成巨大的伤亡损失。第四，疲劳损伤可以分成两种区域，分别是拉断区和扩展区，任意端裂缝应力集中，大部分条件下，三向拉应力和双向拉应力不会导致塑性变形，断裂口展现出一种颗粒状脆性端口以及韧性断口。

3 桥梁钢结构疲劳设计基础原则

针对桥梁钢结构实施整体优化设计中，为了进一步优化桥梁结构整体抗疲劳性能，需要严格按照以下几种要求实施，第一是在满足成本效益同时，尽量选择应用疲劳强度等级较高元件。尽管钢结构质量处于首位，但建造价格也是其中的重要考虑元素，市场中存在多样钢构件厂商，对应价格、质量也存在较大差异。为此，施工单位需要对多家厂商钢构件实施综合比较分析，择优选择，在满足基础成本效益同时，选择具有较高抗疲劳等级钢构件，确保价格相等拼质量、质量相同拼价格。成本控制中，除了需联系核心构件价格进行考虑之外，还需要考虑相关部件的可替换性，成本控制不但存在于工程建设环节，同时还存在于桥梁建设应用、保养维护等层面，钢构件可替换性便成为成本控制中的重要参考标准。

开展疲劳计算中，注重桥梁构件可替换性，此外，还需要联系桥梁施工进行合理考量，明确保养、维护和应用等不同因素影响。处于低温区域内，构件桥梁钢结构中，还需要进一步联系冷脆性和动态负载耦合等影响因素进行考虑，选择具备较高韧性材料。开展桥梁钢结构综合设计中，处于焊接缺陷以及应力集中条件下，或因为结构形状限制，无法开展非破坏性检测，需要优选具有较高韧性材料进行焊接。焊接结构相关设计活动中，需要减少过度集中以及重叠焊接等问题，控制焊接操作中所形成应力残余[2]。

质量优先原则是桥梁钢结构相关抗疲劳设计中的基础原则。同时质量控制也是建筑工程核心，工程质量除了和工程自身相关之外，同时还和区域发展、公共安全相关。为此在抗疲劳设计中，需要严格按照质量优先基础原则，钢结构抗疲劳性能会影响钢构件的材料选择，建设单位需要选择有效钢材料。假如钢构件产生细小裂纹，则在车辆负荷影响下，便会导致钢结构裂纹进一步扩大，影响桥梁结构应用寿命。为此需要重视钢构件选择，保证结构外表面完整性。强化工程质量控制，避免因为操作失误导致的钢结构质量问题，过度焊接以及重复焊接等都会影响钢结构应力，从而产生各种裂纹、裂缝。为此需要做好焊接施工，选择高韧性材料和焊条，从最大程度上降低焊接裂缝，保障桥梁结构综合质量。

4 桥梁钢结构疲劳设计具体策略

4.1 横向抗倾覆稳定性能

在现代化背景下，钢结构桥梁建设规模持续扩大，而疲劳设计质量会直接影响桥梁钢结构后期应用时间长短，为此需要提高相关设计人员重视程度。针对桥梁钢结构实施抗疲劳设计中，需要按照下列原则实施，使抗疲劳性满足桥梁后续应用要求。桥梁钢结构所选材料和其他领域材料相比普遍拥有更高强度、重量更轻，但在多车道和小半径设计中，需要重点注意横向抗倾覆稳定性能。从前，因为桥梁施工中尚未形成横向抗倾覆稳定性能设计，导致桥体产生倾覆现象。连续钢梁产生小半径故障，导致形成较大跨度，假如桥面宽度超出钢梁，则容易产生内侧支座受力不足的问题，该种状态下扩大横梁外部支座承载力，该种衡量受力不均，同样会使整个桥体直接倾覆。桥梁钢结构实施疲劳设计中，需要实施准确计算，预防横梁出现不均匀受力问题。针对桥梁结构中的横梁部位实施灌砂处理，可以进一步优化桥梁综合稳定性。

4.2 焊接结构完整性

桥梁钢结构设计中，需要优化结构设计，改善受力模型，选择有效结构降低部分疲劳。静态负载下桥梁钢结构应力集中普遍不会在塑钢发展，在高峰压力降低，在低应力压力提升，设计中，不会对极限承载力对应横截面考虑其影响，使界面应力逐渐均匀。峰值应力区内，突出的应力集中变形通常会伴随着较大应力域，和动态负载下断裂结构疲劳失效相关。桥梁钢结构完整性设计会影响桥梁综合稳定性。在实施焊接操作中，所选接头方式因为受力差异而存在较大差别。接头应力作用同样会对母材受力性能和结构特征产生一定影响。此外，焊接处理中，应力普遍会导致焊接结构产生变形问题，增加接头的焊接缺陷，无法满足桥梁整体性结构要求。为此从整体层面设计桥梁整体钢结构中，需要高度重视接头焊接设计，在检测结构焊接效果中，通过焊接性检测获得焊接接头的疲劳和静力等级，挑选适合焊接方法，避免接头焊接处理中产生各种变形问题。开展焊接设计中，需要对重要细节部位实施合理设计，保证焊接受力均匀，进一步降低应力。进一步减少因为接头处理不当形成的桥梁钢结构连接区域受力不均问题，提升桥梁钢结构局部连接稳固性。

4.3 结构内力

针对桥梁钢结构内力实施综合计算中，普遍是边孔单悬臂模式为主，而中孔选择简支挂梁结构实施合理计算。该种计算方法进一步把桥梁纵向分解成数个单元模块，同时针对各个单元截面合理编制号码，并把各种原始数据编码实施输入操作。具体输入信息涵盖应用信息、施工信息、预应力钢束、单元特征以及项目等信息。结合全预应力构件准确计算桥梁整体结构安全性，具体计算内容涵盖活载、收缩徐变以及预应力等。于桥台位置安装滑动支座，并在桥墩位置安装固定支座，于挂梁一侧安装固定支座，在另一面安装滑动支座。

为了进一步优化桥梁钢结构综合应用寿命，需要设计者提高桥梁安全寿命相关设计的重视程度，确保特定时间内，桥梁结构不会产生任何损坏。并在初期设计中，合理应用曲线形式，满足桥梁安全应用需求。系统自身具备预测功能，所以在对频率和加载顺序实施系统分析后，可以进一步联系裂纹应力结构对荷载力实施准确预测，安全寿命设计将S-N曲线当成基础标准，联系寿命曲线具体要求。除此之外，还应该准确估算桥梁架构的剩余寿命，借助实验检测等措施，为了保障结构应用寿命，需要对钢结构的疲劳寿命实施准确评估和预算。

4.4 钢箱梁对应横梁

针对桥梁钢结构实施综合设计中，假如桥梁主道宽度较大，可以进一步优化设计，实施该种设计工作中，需要重点关注竖向计算要求。并选择竖向加劲作为配套措施，在竖向加劲肋无法满足桥梁应用性能要求条件下，可以考虑选择设置横向加劲肋。为了保障施工质量，减低裂纹概率，需要加强材料控制，选择高韧性材料，降低结构应力幅。

4.5 安全寿命设计

为了进一步提升桥梁钢结构工程的应用寿命，相关设计人员需要将设计重点放到桥梁钢结构的安全性能和应用寿命当中。同时在设计过程中，保障整个桥梁钢结构在限定应用期间内不会产生各种损坏问题，实施桥梁钢结构综合设计中，还需要合理应用各种曲线形式。系统自身具备一定的预测功能，所以在对加载序列和运动频率进行系统分析后，可以进一步联系裂纹应力结构对荷载力进行科学检测，按照S-N曲线进行安全寿命设计，同时和寿命曲线进行充分融合。除此之外，还需要准确估算桥梁钢结构的剩余应用寿命，借助实验检测措施实施具体应用，为了保证应用期限内桥梁钢结构的应用性能，需要对桥梁钢结构的疲劳寿命进行准确评估测算。

4.6 疲劳强度设计

结合应力结构系统实际应用要求和承载特征，需要联系结构属性对构件截面内力进行准确计算，针对结构刚度较大以及荷载作用较强的部件，可以在原有模型基础上，对移动荷载的变化和非线性运动特征进行准确分析计算，通过系统分析进一步了解移动荷载影响下节点应力特征。因为设计中容易产生各种误差，为此需要进一步联系桥梁钢结构相关规范标准，通过系统比较分析合理设计结构疲劳抗力。在具体实践应用中，还需要对其中各种细节部分进行细致分析，准确计算高强度螺栓。此外，桥涵部分设计工作中也对设计规范提出明确要求，在实际设计应用中，需要针对构件各个细节和不同类型进行全面对比分析，严格按照具体标准规范要求对桥涵结构以及木结构实施准确计算。而桥梁钢结构相关设计，可以结合验算部位整体构造实施准确计算，参考国外相关设计规范实施创新设计。

4.7 标准参数设计

在桥梁钢结构实际应用设计中，应该严格按照相应的规范标准实施，针对桥梁施工和疲劳验算设计等内容进行准确计算。桥梁钢结构整体设计中，可以按照等效折算方法，把桥梁钢结构的疲劳损伤数值进一步转化成标准疲劳车，但应该保障疲劳车辆维持相同重量。综合考虑各种检测指标，实际验算中，重点对各种细节部位、敏感部位进行合理设计，假如无法确定相应的疲劳参数，便会影响系数设计质量。对于某些复杂结构的应力系统，应该保障各个构件从最大限度上满足工程要求，发挥出桥梁的功能优势。全面控制构件焊缝到应力区间处理质量，促进焊后处理工作全面落实，满足设计要求[3]。