公路钢结构桥梁的抗疲劳设计研究

宣秀珍

摘 要：抗疲劳设计作为公路钢结构桥梁结构设计关键部分，直接关系到钢结构桥梁的使用寿命，提升其抗疲劳设计水平具有重要现实意义。文章研究了公路钢结构桥梁抗疲劳的设计方法，为我国公路钢结构桥梁抗疲劳设计提供一些科学的参考，对我国其他交通行业钢结构桥梁抗疲劳设计规范的制订也有着借鉴意义。

关键词：公路钢结构桥梁；抗疲劳设计；设计方法

中图分类号：U448.36 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）26-0087-02

Abstract： Anti-fatigue design， as a key part of highway steel structure bridge design， is directly related to the service life of steel structure bridge， so it is of great practical significance to improve the level of anti-fatigue design. In this paper， the design method of fatigue resistance for highway steel structure bridges is studied， which provides some scientific references for the fatigue resistance design of highway steel structure bridges in China. It can also be used for reference in the formulation of anti-fatigue design codes for steel bridges in other transportation industries in our country.

Keywords： highway steel structure bridge； anti-fatigue design； design method

公路鋼结构桥梁的自重比较轻，跨径比较大，在长期承受车辆自重及荷载的反复作用下容易因应力不均匀分布而使相关结构产生不同疲劳强度，容易会使细微裂纹进一步扩大，容易造成桥梁断裂和坍塌等事故。为了有效应对疲劳应力给钢结构桥梁带来的不利影响，需要高度强化其抗疲劳设计。

1 公路钢结构桥梁的抗疲劳设计方法

影响公路钢结构桥梁疲劳性能的因素众多，除了涉及钢结构材料性能外，也会受到结构构造的影响，所以在抗疲劳设计中需要着重从结构构造视角进行设计。

1.1 无限寿命设计方法

该种抗疲劳设计方法是最早诞生和应用的一种抗疲劳设计方法，主要确保结构设计应力值要比钢结构桥梁的疲劳极限值更低，这就是无限寿命设计的机理，也是应用该种设计方法的重要先决条件。伴随着时间的延续，公路钢结构桥梁会出现不稳定变化，应力下变幅主要表现为一种交互变化的应力状态，此时以所产生的最大应力幅为依据，将其等效成构件的最大幅值来进行疲劳极限强度设计。无限寿命设计的优势是可以极大地简化抗疲劳设计，在设计钢结构桥梁构件过程中，由于仅以最大应力幅值为例来进行设计，这样会使得后续构件设计过程显得有些笨重，无法有效地发挥各种材料的潜能，设计的经济效益不高。基于此，无限寿命设计逐步被有限寿命设计过程所取代。

1.2 安全寿命设计方法

安全寿命设计就是指在预定的设计使用年限内结构不会出现疲劳破坏问题，构件应力值低于疲劳极限值，这种设计方法有效提高了结构应力和疲劳寿命。不同于无限寿命设计，安全寿命设计属于有限设计范畴，相应的构件应力设计值要高于疲劳极限值。

如图1所示的疲劳寿命曲线，可直观地展示出规定使用年限内构件可以实现安全应用。在图1中的前半部分，可知相应钢结构桥梁疲劳寿命不是固定不变的，而是呈现为逐渐下降的变化趋势，所以在进行抗疲劳设计期间需要对相应的最高应力进行密切考虑，然后结合累积损伤理论等相关理论来估算出疲劳损伤值。在应用该种设计方法期间，需要确保相应设计满足一定条件：必须要明确其疲劳强度曲线以及满足钢结构桥梁疲劳的基本定义和等级条件。此外，在设计桥梁结构时，还要综合考虑车辆荷载、桥梁运营、维护管理等分类处理疲劳抗力方程，充分借助全寿命设计方法来降低结构设计的成本。

1.3 损伤容限设计方法

该种设计方法主要基于断裂力学，先对桥梁构件中的初始裂纹进行假定，然后用断裂学理论来计算Tf值，将相应的裂纹确定为椭圆形表现形式，再将变应力作用下会促使相应的裂纹逐步向更深方向进行拓展，相应的拓展速率可以按照下式来进行计算：

在上述公式中，指在一次应力作用下裂纹的对应拓展量；？驻K则是指在一次应力作用下的应力循环；参数A和m均是由材料性能所决定的常数值。

在确定后要借助试验来估算结构的剩余寿命，确保结构裂缝在预定使用年限内不会发生进一步拓展，以便在规定年限内确保各种带有裂缝构件的安全性，这种设计方法在估算以及评定钢结构旧桥疲劳性方面具有广泛应用。在预测检测间隔期间，要注意对漏检及情况进行考虑，具体就是按照Ti≤0.5Tf来进行确定。此外，除了要考虑裂纹位置、检测方法等相关因素外，还要探测结构表明裂纹长度的最小值。

1.4 容许应力设计方法

在我国现行的公路规范中，在疲劳荷载设计中应用静力强度，在公路一级和二级中的汽车荷载标准值保持一致。在图2所示的车辆荷载模型中，前轮的着地面积为0.3*0.2m，后轮、重轮的相应着地面积为0.6*0.2m，总重为550kN。

立足于我国国情，中交路桥技术公司统计分析了我国一些具有代表性的高速公路和桥梁的相关参数，基于数理统计理论和方法来处理相关数据，对交通荷载及标准疲劳车谱进行了推到，最终得出了更加直观，计算更加方便的标准疲劳车辆模型，车辆总重为445kN，具体模型如图3所示。

2 公路钢结构桥梁的抗疲劳设计的关键点

2.1 科学确定疲劳荷载

不同于铁路桥梁疲劳设计，公路钢结构桥梁上的车辆荷载变化比较大，相应的结构变化幅度也相对较大，加之车型和车辆间距的差异性，结合钢结构桥梁设计规范，可以在计算标准疲劳车时将其通过钢结构疲劳损伤进行等效折算，必须要确保疲劳车总重量是保持一致。针对线长度的局部计算，需要依据标准轴重荷载来进行，具体就是以1.1倍标准疲劳车轴重荷载来作为相应的标准轴重荷载。

2.2 準确确定验算位置

在公路钢结构桥梁抗疲劳验算的过程中，需要对其验算位置进行准确确定，这直接关系到验算结果的质量，具体验算关键位置主要包括公路杆结构、疲劳敏感部位和细节等，除了注重仔细验算各个焊缝趾和小节点，同时要注重验算剪开变、结构倒角处、焊接缝跟部和焊趾等重点部位，确保抗疲劳设计中验算结果的准确性。

2.3 准确确定加载次数

公路钢结构桥梁抗疲劳设计的过程中，要针对性计算相应的疲劳应力明确疲劳车轴距、一次加载次数以及疲劳车影响线长度等相关指标之间的关系。此外，要充分结合钢结构桥梁性质和构件性能，以效应相等为原则，将复杂应力循环以单个差异化循环代数来加以表示，其中一个轴重可以确定为一次加载。

2.4 确保构件满足规定要求

为了确保公路钢结构桥梁抗疲劳设计的质量，结合相关设计工作经验以及相关设计规范，要确保钢结构构件设计满足如下几个方面的关键设计规定和要求，具体包括：其一，针对拉伸钢构件、受弯钢构件等公路钢结构桥梁构件的设计，要注意采用一些圆且长过渡性钢结构构件来对其刚度变化进行有效减小；其二，在设计钢结构桥梁的过程中，借助线对接焊缝进行合理选用，且对构件焊接后相应处理；其三，要强化复杂应力状态下的疲劳验算计算。除了需要对单向应力下的桥梁构件疲劳性进行验算外，还要注意对复杂应力下的疲劳强度进行综合计算。其四，要对疲劳涉及关键点先进行分类处理，与相关研究规范机制进行对比分析，之后仔细分析和修改相关的抗疲劳设计方案，以便可以确保所设计公路钢结构桥梁结构构造可以满足相应的疲劳强度。

3 结束语

综上所述，我国公路钢结构桥梁抗疲劳设计的方法众多，涵盖了无限寿命设计方法、安全寿命设计方法、损伤容限设计方法和容许应力设计方法等。为了确保抗疲劳设计的质量，必须要高度重视科学确定疲劳荷载、验算位置以及加载次数，同时要确保构件满足规定要求，保证公路钢结构设计的合理性。

参考文献：

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