钢结构桥梁疲劳设计要点探析

卢剑桥刘超凤厉硕彬

摘要：对于公路桥梁来说，在对其进行设计时要根据桥梁设计指标的相关要求，以实际情况为根本，优化整体设计形式，并执行有效的评价机制，把评价机制的作用最大程度的发挥出来。本文将根据钢结构桥梁疲劳设计的影响因素，深入分析钢结构桥梁疲劳设计的相关要点。

关键词：钢结构；桥梁；疲劳设计

一、钢结构桥梁疲劳影响因素

钢结构疲劳的基本起因是微裂纹。随着往复荷载的作用，裂纹进一步扩展导致直接降低构件的承载性能，导致失效破坏。因而，钢结构疲劳涉及材料、构件、构造、加工等系列内在因素，和可变荷载作用等外在因素。

1.材料特性

钢材的疲劳性能和钢材的实际强度息息相关，每一种元素比例所构成的钢材料，它们的疲劳性能都存在较大差异。不过同一种钢材，假若其强度增加很大，那么其疲劳性能的增长趋势是极弱的，所以使用过高强度的钢材进行抗疲劳设计是很不经济的，在选择时一定要综合考虑。

2.构件特性

构件的尺寸和表面性能也是影响疲劳特性的关键因素。钢构件的疲劳强度具有尺寸效应，一般而言构件尺寸小的其疲劳性能好；而构件尺寸大的，其疲劳强度具有一定程度的折减。此外，钢构件表面的紧密程度也是影响疲劳强度的关键，因此疲劳裂纹的产生和发展一般在钢构件的表面，主要原因是外表面的应力水平往往较高，而约束较弱，使得裂纹容易拓展。因此设计中需要考虑到尺寸效应引起的钢材疲劳强度折减，以及保证良好的钢构件表面完整性。

3.构造连接特性

钢构件用于桥梁结构中，必然存在不同钢构件之间的连接及构造问题。例如细节构造存在的截面削弱区域，钢构件会有应力集中问题，从而导致疲劳问题突出。构件不同连接形式如焊接、铆接、螺栓连接等，所带来的疲劳问题也不同。铆接和螺栓连接会对母材形成截面削弱，这种削弱导致的应力集中需要考虑到疲劳分析中；焊接引起的残余应力会形成初始缺陷，这种缺陷对于疲劳破坏具有直接的关系。

4.加工质量

钢构件在制作时需要进行多个环节的加工处理。现阶段，虽然已开始使用自动化加工制造技术，但仍然要特别注意钢材的实际加工质量，尤其是对钢构件间的焊接处理，假若加工质量不符合标准就会给后期施工带来许多安全隐患。

二、钢结构桥梁抗疲劳计算

1.全寿命周期设计

考虑到现有设计形式的特殊要求，在利用阶段，必须综合对车辆荷载力进行分析。桥梁应用过程中受到其他因素的影响，对施工、运营和维修管理等有严格的要求，在设计过程中，考虑到后期维护系统的可行性和代价等因素要求，需要对结构的替换周期进行分析，以现有的抗疲劳设计指标为例，对公路结构的抗疲劳工程采用分类设计形式，能最大程度减少造价，实现全寿命周期和设计理念的有效结合。

2.疲劳应力分析

通常情况下，公路桥梁的钢结构设计对应力系统本身有严格的要求，针对桥梁荷载力以及施工路段的具体要求，需要做好随机测定工作。不同的路段以及时段的车辆荷载力不同，为了使其和现有的设计规范有效结合起来，需要采用简化操作的形式，结合公路桥梁荷载计算方式对其进行测定。公路桥梁钢结构荷载力受到汽车荷载和冲击效应的影响，在抗疲劳设计过程中要结合具体情况，对冲击效力进行分析，结合作用力要求对构件模式进行对比。

3.钢结构疲劳抗力

疲劳抗力的设计形式体现在两个方面，第一个是焊接构件和应力变化，第二个则是非焊接构件和连接形式，因它们彼此之间所呈现出的是一种正相关关系，所以一定要对系数进行对比，提高其整体的应用优势。文章中我们所研究的连接形式、厚板系数等都是相关部门所规定的数据，因桥梁钢结构设计规范相互间存在衔接的趋势，所以其应用范围较为广泛。

三、钢结构桥梁疲劳设计要点

1.疲劳荷载

疲劳设计荷载是开展疲劳评估的关键。目前各国规范中都有相应的疲劳荷载验算，对于路桥结构主要是车辆活载。规范中的疲劳车辆荷载模型都是基于大量研究确定的均一性的设计模型，所以是面向所有类型桥梁结构的，因此安全储备较高。如果对于设计的桥梁，能够掌握该桥梁在后期运营中的荷载等级和标准，可以采用更加精确的随机车流模拟方法，仿真分析桥梁寿命期内的典型车流荷载谱，并基于这些结果计算更为准确的、反映实际桥梁状况的应力幅模型，从而确定等效累积应力幅值。

2.安全寿命设计

安全寿命设计是保证结构在一定使用期限内不会出现损坏的设计形式，基于构件工作能力的具体要求，在设计阶段要采用曲线形式对其进行应用，保证在规定的使用期间安全应用。系统本身具有预测的功能，因此对加载序列和频率进行分析后，能结合裂纹处的应力结构测定荷载力。安全寿命设计以S-N曲线为标准，结合依据寿命曲线要求，进行有限利用。以损伤容限设计为例，该方式是以基础力学为基础的，首先要假定构件存在裂纹现象，在交换应力的作用下，可以对深度方向进行扩展。此外要估算剩余寿命，通过实验检测的方式进行应用。为了保证结构在使用期限内，不会出现损坏的现象，要对钢结构旧桥疲劳寿命进行估算和评估。

3.疲劳强度

对于所给定材料性质的钢构件，它的疲劳强度能通过疲劳试验加以确定，但是针对给定尺寸和结构型式的钢构件，它的疲劳强度则要从各个因素加以考虑，比如尺寸效应、加工质量等等，在设计时要从根本上考虑这些因素并给出合理的强度折减。与此同时，针对复杂受力型式下的疲劳验算，比如能同时承受多向弯矩和剪力的构件，其疲劳强度要同时进行综合验算。

4.在悬索桥中的应用

根据现有应力结构系统的特殊要求，在构件截面内力计算过程中需要按照结构属性进行。荷载作用比较大，结构刚度大，可以以现有的原模型作为基础，进行移动荷载非线性分析，经过分析后得到移动荷载作用下的节点应力。由于设计过程中会产生误差，公路桥梁钢结构设计规范对不同疲劳抗力设计进行综合性的比较和分析，能得到荷载差异项目。在实际应用过程中要对细节进行分析，计算出高强度的螺栓。同时桥涵设计阶段对设计规范有一定的要求，在实际应用过程中要对构件类型和细节进行对比，同时公路桥涵钢结构、木结构都可以按照设计规范进行计算。钢结构设计规范可以按照验算部位构造进行计算，同时在设计过程中还需要以国外设计规范为参考。

5.进行参数标准设定

针对公路桥梁施工以及疲劳验算设计的具体要求，在实践阶段要按照具体指标要求进行，公路钢结构设计阶段，车辆间距、车型都存在不同，纵观钢结构桥梁设计规范，可以将钢结构疲劳损伤等效折算成标准疲劳车，但是这里值得注意的是，必须保证疲劳车总重量是相同的。考虑到检测指标的具体要求，在验算阶段需要对敏感设计以及细节部位进行分析，包括各个阶段的焊接缝或者结构处，如果不能对疲劳设计参数进行确定，必然会导致系数设计不合理。按照相对应的效应可知，如果对复杂的应力系统进行分析，则要最大程度满足构件要求，提升其应用优势。应利用线合理选用对接焊缝，同时应该保证构件焊缝字应力区之下，还要进行必要的焊后处理，满足设计要求。

综上所述，在钢结构桥梁的疲劳设计过程中，要全面掌握疲劳安全的影响因素，并严格遵循疲劳设计的相关原则，了解现阶段每一种疲劳设计方法的原理和应用，只有这样才能够为桥梁设计出满足其疲劳寿命要求的结构模式。

参考文献：

[1]郭琦，贺拴海，房东东.基于全寿命理念的公路桥梁钢结构抗疲劳设计[J].郑州大学学报（工学版），2011，03（12）：33-36.

[2]曹伟.公路钢结构桥梁抗疲劳设计方法分析[J].信息化建设，2016，05（12）：234.

[3]郝苏，张志宇，王爱华.国际现行钢结构公、铁路桥梁疲劳设计规范综述[J].世界桥梁，2012，06（01）：29-37.