基于新時(shí)期下鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計(jì)研究

吳玉有

摘 要：公路橋梁工程為交通系統(tǒng)的重要組成部分，為滿(mǎn)足交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展需求，需要總結(jié)以往施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)存在的不足進(jìn)行完善優(yōu)化，降低各項(xiàng)因素的影響，在整體上提高工程施工質(zhì)量，延長(zhǎng)其服務(wù)年限。鋼結(jié)構(gòu)橋梁現(xiàn)在已經(jīng)比較廣泛，需要重點(diǎn)對(duì)其抗疲勞設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，分析橋梁施工與運(yùn)營(yíng)階段可能會(huì)遇到的問(wèn)題，避免其基礎(chǔ)功能的退化。本文對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)橋梁；疲勞設(shè)計(jì)；檢測(cè)

前言

公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁在重載荷交通量的作用下，會(huì)產(chǎn)生疲勞，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗疲勞性是影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁使用壽命的主要因素之一。由于鋼結(jié)構(gòu)受力不合理等眾多原因，會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞裂紋，隨著行車(chē)載荷的不斷作用，裂紋發(fā)展成裂縫，從而影響到橋梁的正常使用。因此，需要采取有效的措施對(duì)其進(jìn)行預(yù)防和處理提升橋梁橋梁的抗疲勞性能。鋼結(jié)構(gòu)橋梁其抗疲勞強(qiáng)度很大程度上會(huì)受到加工材料性能的影響，因?yàn)樗x結(jié)構(gòu)鋼材，在各加工階段。

一、影響公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能的因素

影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能的因素很多，具體歸納起來(lái)主要有鋼結(jié)構(gòu)的材料特性、內(nèi)部因素、鋼結(jié)構(gòu)的外部因素。

1.1鋼構(gòu)件材料的性能

對(duì)于橋梁鋼結(jié)構(gòu)抗疲勞性的影響，鋼構(gòu)件材料的性能是一個(gè)非常重要的因素。鋼構(gòu)件不論是從材料上還是從大小上都可能影響到橋梁鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性。如果鋼構(gòu)件產(chǎn)生了裂紋，哪怕是極其細(xì)微的裂紋，都會(huì)給橋梁鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性帶來(lái)影響，并且這種影響會(huì)伴隨著裂紋的加深而不斷加劇。因此，鋼構(gòu)件材料的強(qiáng)度并不是越高越好。除此之外，由于裂紋往往發(fā)生于鋼構(gòu)件的表面，因此對(duì)鋼構(gòu)件外表面的應(yīng)力也有較高的要求。

1.2外部影響因素

橋梁鋼結(jié)構(gòu)所處外部環(huán)境的變化也會(huì)對(duì)橋梁的疲勞性產(chǎn)生一定的影響，比如，高溫高寒天氣氣候的影響、晝夜溫差巨大、氣候條件發(fā)生改變以及外部對(duì)橋梁鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓力等等，都會(huì)對(duì)橋梁鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

1.3內(nèi)部影響因素

橋梁鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部的許多因素有時(shí)也會(huì)對(duì)其疲勞性產(chǎn)生的嚴(yán)重影響。具體說(shuō)來(lái)，主要包括橋梁構(gòu)造的細(xì)節(jié)、橋梁結(jié)構(gòu)以及橋梁鋼構(gòu)件之間的連接形式等多個(gè)方面。除此之外，橋梁鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式以及焊接手段等也會(huì)給橋梁鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布帶來(lái)直接影響。

二、公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計(jì)方法

公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計(jì)根據(jù)以上我們分析的影響公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能設(shè)計(jì)的因素，進(jìn)行公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計(jì)，將由鋼結(jié)構(gòu)材料自身屬性，結(jié)構(gòu)構(gòu)造等引起的公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能損傷進(jìn)行消除，防止鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞性能被破壞。公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計(jì)有3種：安全壽命設(shè)計(jì)、無(wú)限壽命設(shè)計(jì)、損失容限設(shè)計(jì)。

2.1安全壽命設(shè)計(jì)

安全壽命公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法可以保證公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁在一定的時(shí)限內(nèi)，疲勞性能不發(fā)生損壞，而且構(gòu)件應(yīng)力設(shè)計(jì)可以超過(guò)其疲勞極限值。安全壽命設(shè)計(jì)可以將鋼結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)力—疲勞壽命關(guān)系，作為公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)的參考依據(jù)，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)。安全壽命設(shè)計(jì)和無(wú)限壽命設(shè)計(jì)不同，安全壽命設(shè)計(jì)屬于有限壽命設(shè)計(jì)，而有限壽命設(shè)計(jì)的構(gòu)件應(yīng)力設(shè)計(jì)值在疲勞極限值之上，從圖1中的前半部折線(xiàn)部分，可以知道在這些區(qū)域內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞壽命各不相同，所以在設(shè)計(jì)的過(guò)程中不能像無(wú)限壽命設(shè)計(jì)那樣只考慮最高應(yīng)力，這種設(shè)計(jì)方法需要按照一定的理論進(jìn)行疲勞損傷估算。公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)使用安全壽命設(shè)計(jì)的條件是：鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞強(qiáng)度曲線(xiàn)必須知道，而且含有起裂構(gòu)件制造質(zhì)量符合鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞等級(jí)定義。

2.2無(wú)限壽命設(shè)計(jì)

無(wú)限壽命設(shè)計(jì)是最早的公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計(jì)使用的方法，這種設(shè)計(jì)方法在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)力低于鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞極限值，進(jìn)而完成公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的無(wú)限壽命設(shè)計(jì)。無(wú)線(xiàn)壽命設(shè)計(jì)是簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，雖然是將公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)化，但是在構(gòu)件設(shè)計(jì)上顯得有些笨重，為了能夠充分的利用材料的性能，將鋼結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)力的設(shè)計(jì)水平提升，進(jìn)而將公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的無(wú)線(xiàn)壽命設(shè)計(jì)演變?yōu)橛邢迚勖O(shè)計(jì)。

2.3損傷容限設(shè)計(jì)

使用這種方法進(jìn)行公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足的前提條件是：鋼結(jié)構(gòu)橋梁裂紋開(kāi)始的地方接近表面或者從表面開(kāi)始：潛在起裂處設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的損傷超過(guò)10；采用探測(cè)方法可行；維護(hù)說(shuō)明中要指明裂縫發(fā)生的位置。

在進(jìn)行預(yù)測(cè)檢測(cè)間隔時(shí)需要考慮到一次漏檢。Ti≤0.5Tf其中Tf是可探測(cè)裂紋ld是臨界長(zhǎng)度lf是時(shí)間（見(jiàn)圖2）

表面裂紋的最小暴露長(zhǎng)度ld，在檢測(cè)時(shí)考慮了探測(cè)的可能性、裂紋的位置、檢測(cè)方法等內(nèi)容，可探測(cè)表面裂紋長(zhǎng)度的最小值。

三、鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

3.1疲勞荷載的確定

公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)和鐵路橋梁設(shè)計(jì)疲勞驗(yàn)算有所不同，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁通過(guò)的車(chē)輛數(shù)量變化幅度非常的大，而且車(chē)型、車(chē)輛間距等都有所不同，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中有：可以根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷等效，將其折算成標(biāo)準(zhǔn)疲勞車(chē)進(jìn)行計(jì)算，但是要保證各疲勞車(chē)的總重量相同

影響線(xiàn)長(zhǎng)度較小的局部計(jì)算，按照標(biāo)準(zhǔn)軸重荷載進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)軸重荷載=標(biāo)準(zhǔn)疲勞車(chē)軸重載荷×1.1。

3.2將驗(yàn)算位置進(jìn)行準(zhǔn)確確定

驗(yàn)算位置指的是疲勞敏感細(xì)節(jié)和部位，公路桿結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞驗(yàn)算有很多地方，每一個(gè)小節(jié)點(diǎn)、每一個(gè)焊縫趾等短都需要進(jìn)行驗(yàn)算。其中重點(diǎn)驗(yàn)算的內(nèi)容有：焊接縫根部、焊趾、結(jié)構(gòu)倒角處、沖孔、剪開(kāi)邊等。

3.3確定加載次數(shù)

在公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行疲勞應(yīng)力計(jì)算時(shí)，要將疲勞車(chē)一次加載次數(shù)、影響線(xiàn)長(zhǎng)度、疲勞車(chē)軸距之間的關(guān)系進(jìn)行確定。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的性質(zhì)以及鋼構(gòu)件的性能，一個(gè)軸重就是一次加載，根據(jù)效應(yīng)相等原則，將復(fù)雜應(yīng)力循環(huán)轉(zhuǎn)換成單個(gè)循環(huán)代數(shù)進(jìn)行表示。

3.4鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)中構(gòu)件需要滿(mǎn)足的要求

根據(jù)多年的公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)有的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范等文件要求，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要滿(mǎn)足的要求為：在公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)于承受拉伸、彎曲等鋼構(gòu)件，需要使用長(zhǎng)且圓的過(guò)渡性鋼構(gòu)件，這樣可以將鋼結(jié)構(gòu)的剛度變化相應(yīng)的減?。讳摻Y(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)中要有線(xiàn)選用對(duì)接焊縫，焊接構(gòu)件的焊縫要在應(yīng)力區(qū)下面，并且進(jìn)行焊后處理。對(duì)于較復(fù)雜的構(gòu)件采用輔助疲勞設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。

四、總結(jié)

綜上可知，隨著鋼結(jié)構(gòu)橋梁的不斷發(fā)展，在公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中侵蝕現(xiàn)象的凸顯威脅到了公路橋梁使用安全性，為此，為了保障人們出行安全，需在當(dāng)前公路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作開(kāi)展過(guò)程中探索抗疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，就此在一定程度上緩解公路橋梁疲勞現(xiàn)象，通過(guò)不同的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

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