高大衛(wèi)

摘 要：近年來，我國的橋梁越來越多的應(yīng)用了鋼結(jié)構(gòu)，但是鋼結(jié)構(gòu)橋梁出現(xiàn)疲勞問題也隨之增多。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)橋梁在使用過程中受到疲勞荷載的長期影響，而且在疲勞荷載產(chǎn)生的微裂縫會因時(shí)間的變遷而擴(kuò)大，因此橋梁設(shè)計(jì)人員應(yīng)該加深對鋼結(jié)構(gòu)承載力的認(rèn)識，車流量較大，環(huán)境侵蝕，車輛超載等因素均會導(dǎo)致橋梁發(fā)生坍塌事故，因此有關(guān)部門予以高度的重視。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；橋梁；抗疲勞；設(shè)計(jì)

中圖分類號：U441+.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）26-0102-02

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中出現(xiàn)的疲勞問題，對橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性造成一定程度的負(fù)面影響，疲勞主要有兩種，即多軸疲勞與單軸疲勞等等。而疲勞是影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)不合理等諸多原因容易使鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞性裂紋，加之行車載荷的作用，裂紋會發(fā)展成為裂縫，不利于鋼結(jié)構(gòu)橋梁的正常使用。從實(shí)踐得知，疲勞設(shè)計(jì)工作的優(yōu)劣直接影響到鋼結(jié)構(gòu)橋梁的使用年限和安全性能。

1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能產(chǎn)生影響的因素

1.1 鋼結(jié)構(gòu)材料的特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)材料本身的特點(diǎn)給鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞性能造成一定的影響，鋼結(jié)構(gòu)橋梁材料性質(zhì)與橋梁鋼構(gòu)件的大小會對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞產(chǎn)生影響。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)材料的表面出現(xiàn)細(xì)微裂紋時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)橋梁自身的疲勞性因裂紋變大不斷增加；當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)的橋梁強(qiáng)度有所增加時(shí)，直接導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能會有所增加，實(shí)際上不是因鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高就代表材料質(zhì)量越好。由于在鋼結(jié)構(gòu)橋梁鋼材表面上會出現(xiàn)疲勞裂紋，這主要是鋼結(jié)構(gòu)表面存在較高的應(yīng)力。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部因素

鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部的因素可以影響到鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞設(shè)計(jì)，可以讓鋼結(jié)構(gòu)橋梁自身的疲勞形象發(fā)生一定的變化，剛結(jié)構(gòu)的影響因素主要包含橋梁的構(gòu)件連接形式，構(gòu)造細(xì)節(jié)等內(nèi)容。鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)形式、鋼結(jié)構(gòu)橋梁的制造技術(shù)和焊接技術(shù)工作都會影響到鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布狀態(tài)。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的外部因素

鋼結(jié)構(gòu)的橋梁產(chǎn)生影響的因素除上述兩種因素以外，還有外部影響，這種影響直至鋼結(jié)構(gòu)的橋梁產(chǎn)生疲勞，外部影響主要包括晝夜溫差，自然環(huán)境，強(qiáng)凍強(qiáng)高溫天氣等，還有外界給鋼結(jié)構(gòu)的橋梁施加壓力，過往行車在行駛中出現(xiàn)的共振。焊接構(gòu)件自身的應(yīng)力的幅值和疲勞強(qiáng)度之間有著一定的關(guān)系，非焊接性構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力的幅值有關(guān)聯(lián)。

2 橋梁結(jié)構(gòu)抗疲勞的設(shè)計(jì)計(jì)算方法

2.1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件連接疲勞的抗力方程式

鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞抗力方程公式可以根據(jù)有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范予以參考，例如：

公式一，母材：

公式二，高強(qiáng)度螺栓：

公式三，橫向?qū)尤谕逗附涌p隙：

公式四，留有孔洞的桿件：

公式五，栓釘：

公式六，橫向角度焊接與板梁豎向加勁肋和腹板連接焊接端部：

公式七，單面坡口傳力焊接：

公式八，板梁蓋板端焊接與整體節(jié)點(diǎn)：

公式九，鉚接構(gòu)件：

2.2 根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力情況加以計(jì)算

橋梁鋼結(jié)構(gòu)需要承受的疲勞應(yīng)力分為兩種，即壓應(yīng)力與拉應(yīng)力，主要的設(shè)計(jì)計(jì)算方法有以下幾點(diǎn)。首先，橋梁鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件自身需要承受的疲勞應(yīng)力屬于拉應(yīng)力，構(gòu)建自身的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是應(yīng)力幅控制，因此應(yīng)該運(yùn)用有關(guān)容許應(yīng)力的計(jì)算公式加以計(jì)算，公式是 ；其次，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身還會承受壓應(yīng)力，在進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)計(jì)算工作時(shí)，應(yīng)該結(jié)合應(yīng)力比加以考慮，積極引入應(yīng)力比修正系數(shù)并做好修正工作，主要的公式為 。

在上述兩個公式中△？滓e代表鋼結(jié)構(gòu)橋梁自身連接構(gòu)造細(xì)節(jié)上的等幅應(yīng)力幅，？滓'max表示鋼結(jié)構(gòu)橋梁在構(gòu)造細(xì)節(jié)上活載和桓載的最大總拉應(yīng)力等幅應(yīng)力，rt表示橋梁鋼結(jié)構(gòu)板厚的修正系數(shù)，其自身的臨界點(diǎn)是25mm，若臨界點(diǎn)等于25mm，或是大于25mm，則修正系數(shù)值為1，當(dāng)小于25mm時(shí)，系數(shù)值是rt=4，？滓r表示率不小于97%的容應(yīng)力值，rp表示應(yīng)力比修正系數(shù)。最后，對△？滓e進(jìn)行求解，求解的方式分成可實(shí)測與不可實(shí)測兩個方式。

其一，可實(shí)測：可實(shí)測方式對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，能夠有效的確定構(gòu)件隨機(jī)應(yīng)力幅，進(jìn)而便于實(shí)施抗疲勞計(jì)算，具體的抗疲勞計(jì)算方程為以下公式：

其中？琢代表-控制計(jì)算、或者是測量誤差產(chǎn)生的不利影響，此時(shí)便需要用測量最大值進(jìn)行系數(shù)的修正；相互作用的頻率數(shù)值，所謂的m代表-疲勞抗力方程式中的直線斜率，它的取值需要以△？滓e=？滓max？燮rtrp[？滓r]的計(jì)算為主要依據(jù)，？撞ni代表-累計(jì)應(yīng)力幅的作用頻率值。

其二，不可實(shí)測：由上可知抗疲勞計(jì)算的方程式是

公式 包括恒載在內(nèi)的最大總應(yīng)力，公式 包含恒載在內(nèi)的最小總應(yīng)力，上述公式中，？滓1代表-荷載應(yīng)力，r1代表-在相關(guān)橋梁在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的前提下進(jìn)行恒載組合系數(shù)的取值；r2代表-活載組合系數(shù)取值，？茁表示-在1.0～1.4范圍內(nèi)進(jìn)行取值的交通運(yùn)輸工具的效應(yīng)系數(shù)，mc代表：桁架結(jié)構(gòu)橫向分布系數(shù)和箱型結(jié)構(gòu)偏載系數(shù)，？孜代表-多個車道時(shí)橫向的折減系數(shù)，？滓max，？滓min代表-依據(jù)車道活載應(yīng)力影響加載的方式，因此得到細(xì)節(jié)位置車道荷載作用的最小應(yīng)力、最大應(yīng)力，進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候應(yīng)該詳細(xì)分析兩者在車道荷載狀態(tài)下的平面值，是否考慮到了車道數(shù)、空間分配以及空間橫向分布的系數(shù)等。另外其未能考慮動力自身所帶來的沖擊造成的影響，單一的靠單車道荷載狀態(tài)下做好相關(guān)計(jì)算與取值工作。

3 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞設(shè)計(jì)方法

由于鋼結(jié)構(gòu)自身具備一定屬性，結(jié)構(gòu)構(gòu)造都會避免疲勞性受損壞的問題。而鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)的方法三種：安全壽命設(shè)計(jì)，損失容限設(shè)計(jì)以及無限壽命設(shè)計(jì)。在安全壽命的設(shè)計(jì)工作中，期能保障鋼結(jié)構(gòu)橋梁在某段時(shí)間范圍內(nèi)不能出現(xiàn)疲勞損壞，而構(gòu)件應(yīng)力的設(shè)計(jì)可以超過構(gòu)件的疲勞極限數(shù)值。其次，損失容限設(shè)計(jì)方法需要在鋼結(jié)構(gòu)橋梁裂紋出現(xiàn)處的近地表或是表面進(jìn)行。最后，無限壽命設(shè)計(jì)屬于較為傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì)方法用于鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)階段中，同時(shí)能簡化鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞設(shè)計(jì)方式。endprint

4 鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)

在實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計(jì)中，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞荷載，驗(yàn)算位置，加載次數(shù)以及鋼構(gòu)件的條件的確定，均是疲勞設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)。

4.1 確定疲勞荷載

鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)與橋梁上行車數(shù)量的變化情況有一定的關(guān)聯(lián)，在車型和車輛的間距方面會存在一定的影響，而且在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中有明文規(guī)定，需要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)自身的疲勞損傷程度將其折算成為標(biāo)準(zhǔn)的疲勞車輛，以及做好計(jì)算工作，并保證好各個疲勞車輛的總體重量能夠相等。對線長度影響較小的局部做好相應(yīng)的計(jì)算工作，并且依據(jù)相關(guān)規(guī)范做好軸重荷載的工作，軸重荷載公式如下：標(biāo)準(zhǔn)軸重荷載=1.1×標(biāo)準(zhǔn)疲勞車軸重載荷。

4.2 準(zhǔn)確確定驗(yàn)算位置

鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞位置以及敏感的細(xì)節(jié)被稱為驗(yàn)算位置，鋼結(jié)構(gòu)橋梁自身有諸多地方需要進(jìn)行疲勞驗(yàn)算，每一個焊縫趾，甚至是每一個節(jié)點(diǎn)均需要進(jìn)行驗(yàn)算工作。這其中較為重要的是焊趾、沖孔、焊接縫根部等等。

4.3 加載次數(shù)的確定

鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞設(shè)計(jì)工作需要重點(diǎn)計(jì)算疲勞應(yīng)力工作，除此以外，還應(yīng)重視確定疲勞車軸距間的關(guān)系，影響線長度，還有疲勞車輛一次加載次數(shù)。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)橋梁自身的性質(zhì)以及高構(gòu)件的自身性能，一個軸重表示一次加載，根據(jù)效應(yīng)相等原理應(yīng)把復(fù)雜的應(yīng)力循環(huán)轉(zhuǎn)換成單個應(yīng)力循環(huán)。

4.4 鋼構(gòu)件應(yīng)滿足的需求與條件

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等文件的基本要求，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)時(shí)，選擇的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要滿足其承受彎曲與拉伸，應(yīng)該采用長又圓的過渡型鋼構(gòu)件，有助于最大化減小鋼結(jié)構(gòu)的剛度。

5 結(jié)束語

近年來我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁總是會出現(xiàn)一些疲勞問題，需要橋梁設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中全面考量以及做好橋梁的抗疲勞設(shè)計(jì)工作，從而促進(jìn)橋梁工程的發(fā)展。本文分析了影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性影響因素，提到了相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法與關(guān)鍵點(diǎn)，期望能給鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗疲勞設(shè)計(jì)工作有所幫助。

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