張立鑫

【摘 要】疲勞是鋼結(jié)構(gòu)耐久性的重要影響因素之一，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。本文對(duì)影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能的因素進(jìn)行了概述，重點(diǎn)對(duì)疲勞設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了重點(diǎn)分析，以便從設(shè)計(jì)方面就避免鋼結(jié)構(gòu)橋梁在使用過(guò)程中出現(xiàn)疲勞病害。

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

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，公路鋼結(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。橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)槠诎l(fā)生損壞，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。

1 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 鋼結(jié)構(gòu)的材料特性

鋼結(jié)構(gòu)材料的特性是影響公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能的因素之一，鋼構(gòu)件的大小和鋼結(jié)構(gòu)材料的各種性能都是影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁出現(xiàn)疲勞的因素。但鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微弱的裂紋的時(shí)候，鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能會(huì)隨著裂紋的增加而加大，同時(shí)，隨著鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的增加，鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能也會(huì)增強(qiáng)，因此，并非是采用強(qiáng)度越高的材料就越好。由于鋼結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋主要是發(fā)生在鋼材的表面，主要是由于鋼結(jié)構(gòu)外表面的應(yīng)力較高。

1.2 外部因素

影響公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的因素除了有上面的情況外，外部因素也會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞產(chǎn)生一定的影響，如自然環(huán)境的變化，晝夜溫差太大或強(qiáng)凍強(qiáng)高溫的情況，以及外界給橋梁所施加的壓力等，車輛行駛所產(chǎn)生的共振等。根據(jù)相關(guān)的研究證明，焊接構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力幅值有很大的關(guān)系，非焊接構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度也和應(yīng)力幅值有關(guān)系。

1.3 內(nèi)部因素

結(jié)構(gòu)內(nèi)部因素對(duì)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計(jì)的影響主要體現(xiàn)在，導(dǎo)致公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞形象發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)構(gòu)造影響因素包括了公路橋梁的結(jié)構(gòu)、鋼構(gòu)件的連接形式、構(gòu)造細(xì)節(jié)等等。同時(shí)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)方法、采用鋼結(jié)構(gòu)的制造以及其焊接技術(shù)、焊接處理等都會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布以及鋼結(jié)構(gòu)自身的缺陷產(chǎn)生很大的影響。

2 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)度的最小值見(jiàn)表1：

在計(jì)算Tf時(shí)，采用的方法是斷裂力學(xué)原理，將裂紋表現(xiàn)形式簡(jiǎn)化成半橢圓等近似的橢圓形狀，在交變應(yīng)力作用下，按照計(jì)算公式進(jìn)行深度方向上裂紋擴(kuò)展速率計(jì)算：

3 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)的車輛數(shù)量變化幅度非常的大，而且車型、車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)疲勞車進(jìn)行計(jì)算，但是要保證各疲勞車的總重量相同。

影響線長(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)，要將疲勞車一次加載次數(shù)、影響線長(zhǎng)度、疲勞車軸距之間的關(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)。

4 總結(jié)

隨著鋼結(jié)構(gòu)橋梁的不斷發(fā)展，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)的過(guò)程中常會(huì)存在一些設(shè)計(jì)的缺陷，從而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)疲勞破壞，而影響橋梁結(jié)構(gòu)疲勞的因素很多，需要我們對(duì)其原因進(jìn)行分析，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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[責(zé)任編輯：王楠]