鋼橋疲勞設(shè)計方法的探索

周業(yè)超

（中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司， 江蘇 南京 210014）

隨著橋梁事業(yè)的發(fā)展，我國鋼橋建設(shè)也有了很大的進步，結(jié)構(gòu)構(gòu)造和制造工藝更加復(fù)雜、精細，橋梁的承受荷載逐漸增大，設(shè)計安全系數(shù)因橋梁的精細化而降低。在橋梁運營期間，車流量的荷載會隨時發(fā)生變化，車輛的超載和交通量可能會有所增加，都可能讓橋梁的疲勞問題更加明顯。結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計可以在一定使用中保證橋梁的承受能力，讓橋梁結(jié)構(gòu)不會因疲勞而失效或損壞。通過分析引起橋梁疲勞問題的因素，應(yīng)用能夠解決影響鋼橋疲勞性能的設(shè)計方法，消除鋼橋疲勞問題，讓橋梁的運行更加安全。

1 鋼橋疲勞影響因素

導(dǎo)致鋼橋疲勞的因素是鋼構(gòu)件上出現(xiàn)裂紋。由于荷載量的改變，鋼橋構(gòu)件上的裂紋會不斷擴展和增加，導(dǎo)致鋼橋構(gòu)件的性能逐漸降低，最后會因損害而失去性能。影響鋼橋結(jié)構(gòu)疲勞的因素包括材料、構(gòu)件、構(gòu)造、加工、荷載等特性。

1.1 用于建造鋼橋的材料

鋼橋的材料影響著鋼橋的疲勞性能。建筑鋼橋時利用的原材料不同，其中的元素比例不同，會導(dǎo)致鋼材料的強度不同，進而影響到鋼橋的疲勞性能。雖然強度大的鋼材能夠提升鋼橋的疲勞性能，但疲勞性能的增加并不明顯，性價比不高。因此對鋼橋抗疲勞設(shè)計時盡可能不用較高強度的鋼材，以免投入更多的成本，而鋼橋的性能得不到應(yīng)有的改善。

1.2 鋼橋的構(gòu)造連接

鋼橋的構(gòu)造連接會影響到鋼橋的疲勞性能。如一些鋼橋存在細節(jié)構(gòu)造，導(dǎo)致截面區(qū)域被削弱，使得此處的鋼構(gòu)件應(yīng)力過于集中，導(dǎo)致疲勞問題愈發(fā)明顯。而對構(gòu)件采用不同的連接方式，也會造成疲勞性能不同。如焊接、鉚接、螺栓連接等，這些連接方式各有優(yōu)點，但使用在同一鋼橋建設(shè)中，就會造成構(gòu)件應(yīng)力不同。焊接會造成殘余應(yīng)力的缺陷，直接對鋼橋產(chǎn)生疲勞破壞；鉚接、螺栓連接會削弱母材截面，導(dǎo)致應(yīng)力過度集中，從而產(chǎn)生疲勞問題。

1.3 鋼橋的構(gòu)件

鋼橋的構(gòu)件會有不同的尺寸，其表面性能也各異，這些因素都足以影響到鋼橋的疲勞性能。通常情況下，尺寸比較小的構(gòu)件會有良好疲勞性能，而尺寸較大的構(gòu)件，會因受力問題而影響疲勞性能。疲勞裂紋多產(chǎn)生在鋼構(gòu)件的表面，因此鋼構(gòu)件的表面緊密程度影響著鋼橋的疲勞性能。在設(shè)計過程中，需要考慮到構(gòu)件的尺寸，盡量使用尺寸較小的構(gòu)件，保證構(gòu)件表面的緊密程度，減少因構(gòu)件特性而產(chǎn)生的鋼材疲勞問題。

1.4 鋼橋的加工質(zhì)量

在鋼橋的結(jié)構(gòu)制作時，需要采用多道加工程序，如果加工質(zhì)量不合格，會對后期的使用產(chǎn)生影響。加工中，開始使用自動化加工制造工藝，可能會影響到鋼材的加工質(zhì)量，尤其是對鋼材進行焊接處理，如果焊接不到位，就會影響整個鋼橋的質(zhì)量，極易引起疲勞問題的產(chǎn)生。

1.5 鋼橋的車輛荷載

鋼橋建設(shè)后投入使用，運營時會面臨車輛荷載問題。由于荷載的不確定性而導(dǎo)致橋梁的應(yīng)力幅值和循環(huán)次數(shù)受到影響，進而威脅到鋼橋的疲勞性能。當荷載幅值增大、循環(huán)次數(shù)增多時，橋梁的應(yīng)力作用加大，疲勞性能會被降低，影響著橋梁的使用壽命。

2 鋼橋疲勞設(shè)計方法

為了應(yīng)對各種因素對橋梁疲勞性能的影響，在鋼橋建設(shè)中，需要采用合理的鋼橋疲勞設(shè)計方法。因鋼橋建設(shè)的材料、構(gòu)件、連接、荷載等的不同，使用的設(shè)計方法也要有所差異。

2.1 有限壽命設(shè)計

鋼橋疲勞設(shè)計的有限壽命設(shè)計使鋼橋結(jié)構(gòu)在一定的壽限內(nèi)不會發(fā)生破壞，但應(yīng)力幅值超出了鋼橋的承受能力，就會導(dǎo)致鋼橋的使用壽命大大降低。這種設(shè)計是在無限壽命設(shè)計中發(fā)展而來的，但設(shè)計方法不會像無限壽命設(shè)計一樣只考慮使用應(yīng)力的問題，而是需要考慮累積損傷去估計總的疲勞損傷。

2.2 無限壽命設(shè)計

和鋼橋有限壽命設(shè)計相對的是無限壽命設(shè)計，這一設(shè)計需要鋼橋受到應(yīng)力一直在疲勞極限值以下，即讓構(gòu)件的設(shè)計應(yīng)力值超過承受的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)在外界應(yīng)力下不會受到損壞，橋梁的使用壽命得到延長。這種設(shè)計方式是為了應(yīng)對不穩(wěn)定變幅循環(huán)應(yīng)力，讓疲勞極限強度遠在最大應(yīng)力幅之上。無限壽命設(shè)計方法非常簡單，不用考慮到材料的性能問題，只要控制使用的應(yīng)力。這導(dǎo)致設(shè)計中無法發(fā)揮材料的性能，儲備過高，形成資源浪費。

2.3 疲勞可靠度設(shè)計

疲勞可靠設(shè)計將鋼橋的疲勞失效用極限狀態(tài)方程進行計算，方程中的所有因素都用概率方式進行顯示，讓鋼橋的疲勞問題演變?yōu)楦怕士煽慷惹蠼鈫栴}。疲勞可靠度設(shè)計為了讓疲勞的可靠度在能夠接受的范圍內(nèi)，即使出現(xiàn)疲勞失效，也能得到及時處理。

2.4 損傷容限設(shè)計

損傷容限設(shè)計是在斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上對構(gòu)件疲勞問題進行設(shè)計。假定構(gòu)件在疲勞的初期出現(xiàn)裂紋，且裂紋為橢圓形，可以通過交變應(yīng)力的作用對裂紋的拓展方向和速率進行分析，估算構(gòu)件剩余的壽命。既然存在裂紋損傷，需要對裂紋進行控制，保證裂紋在使用期限內(nèi)不會繼續(xù)擴大，讓構(gòu)建的壽命得到延續(xù)。這種設(shè)計方法多用于舊鋼橋的檢查和壽命估算，并不會使用在新建的鋼橋的疲勞設(shè)計中。

3 鋼橋疲勞設(shè)計的要點

3.1 疲勞荷載

橋梁的疲勞荷載主要是車輛荷載，對疲勞車輛荷載的設(shè)計需要掌握橋梁在后期運營中車輛的荷載等級和標準，利用隨機車流模擬方法，對橋梁壽命內(nèi)的車流荷載進行仿真分析，通過計算可得更加準確的橋梁應(yīng)力幅模型，確定橋梁的實際疲勞荷載。設(shè)計疲勞荷載在各國都有相應(yīng)的規(guī)范，是基于大量研究后確定的設(shè)計模型，具有普遍橋梁適用性，安全儲備較高。

3.2 疲勞強度

鋼橋疲勞設(shè)計中的疲勞強度，需要根據(jù)鋼橋的構(gòu)件進行確定。如果知道鋼構(gòu)件的材質(zhì)和性能，可以通過疲勞試驗來驗證構(gòu)件的疲勞強度；如果只給了鋼構(gòu)件的尺寸和結(jié)構(gòu)型式，就無法通過疲勞試驗進行驗證，應(yīng)該考慮到多種因素的折減，如構(gòu)件的尺寸、加工的質(zhì)量、構(gòu)件的受力等。由于這些因素的影響，構(gòu)件的強度就會被折減，設(shè)計時需要對此因素進行考慮。一些鋼橋構(gòu)件的受力比較復(fù)雜，并不是單一性的受力方式，疲勞強度需要結(jié)合各方面因素綜合計算。

3.3 疲勞驗算位置

鋼橋的結(jié)構(gòu)如果是設(shè)定的模式，一些疲勞損壞的位置可以根據(jù)以往經(jīng)驗進行預(yù)算。在設(shè)計過程中，需要對這些容易損壞的疲勞部位做設(shè)計驗算，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞位置處于安全狀態(tài)中。鋼橋疲勞設(shè)計中，正交異性鋼橋面板是關(guān)鍵，需要關(guān)注頂板和U型加勁肋連接處、U型加勁肋和橫隔板連接處等位置的疲勞性，保證疲勞壽命，以提升橋面板的疲勞安全性能。

4 結(jié)束語

鋼橋疲勞設(shè)計在橋梁建設(shè)有著重要的作用，可以對橋梁中存在疲勞問題的部位進行修整，讓橋梁的性能得到提升。在設(shè)計時，需要根據(jù)影響鋼橋疲勞性能的因素選定適宜的設(shè)計方法。同時也要根據(jù)實際情況來進行橋梁的疲勞設(shè)計，這樣才能滿足橋梁設(shè)計需求，鋼橋能夠更好地運營，使用壽命得到增加。