楊陽(yáng)

摘 要：在最原始的橋梁使用上，橋梁的設(shè)計(jì)只是滿足使用，沒有對(duì)橋梁的施工和運(yùn)營(yíng)等問題考慮，這樣會(huì)導(dǎo)致橋梁的使用期限不受控制，有的會(huì)很快費(fèi)掉，對(duì)于鐵路橋梁的設(shè)計(jì)要考慮它的疲勞設(shè)計(jì)，通過結(jié)構(gòu)疲勞優(yōu)化讓橋梁使用更久遠(yuǎn)。

關(guān)鍵詞：鐵路橋梁；疲勞設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)疲勞優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U44 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 鐵路橋梁

在六十年代 的時(shí)候，對(duì)鐵路橋梁（如圖1所示）的設(shè)計(jì)就有疲勞研究，但是那時(shí)候的研究不是很全面，并且設(shè)計(jì)人員意見不統(tǒng)一，對(duì)影響疲勞的因素研究沒有做到實(shí)處，對(duì)于不同層次的鋼結(jié)構(gòu)沒有系統(tǒng)化研究，同時(shí)也沒有專門的軟件進(jìn)行分析，這就使得鐵路橋梁疲勞的研究沒有更本性解決。

在后期的鐵路鋼橋梁的使用與設(shè)計(jì)中，出現(xiàn)了很多不同國(guó)家不同地區(qū)的橋梁損壞現(xiàn)象，而這些破壞的發(fā)生都是因?yàn)閯偲诋a(chǎn)生的，例如在1938年的時(shí)候，位于德國(guó)柏林的一座橋梁因?yàn)樵?10℃的條件小，橋體出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象；在我國(guó)的哈爾濱的松花江大橋，在1901年建造的，但是在1914年出現(xiàn)了裂紋，原因是鋼疲勞。以下是世界各地鐵路橋梁疲勞失效示例，見表1。

表1 疲勞失效示例

時(shí)間 橋名 地點(diǎn) 狀況 原因 溫度

二戰(zhàn)前夕 卡里來(lái)大橋 比利時(shí) 脆斷坍塌 低溫疲勞 -14℃

1938 Hasselt大橋 比利時(shí) 脆斷坍塌 低溫疲勞 -20℃

1940 Herenthals-Oolen大橋 比利時(shí) 開裂 低溫疲勞 -14℃

1938 某橋 德國(guó) 開裂 低溫疲勞 -14℃

1951 Duplessis大橋 加拿大 脆斷坍塌 低溫疲勞 -10℃

1962 Kings bridge 澳大利亞 脆性斷裂 疲勞 -35℃

1914 松花江大鋼橋 中國(guó) 開裂 疲勞

1973 太子河橋 中國(guó) 斜拉桿斷裂 疲勞

1967 Point Pleasant 大橋 美國(guó) 倒塌 疲勞

1970 耶羅·米爾·龐德橋 美國(guó) 開裂 疲勞

1978 157號(hào)公路橋 美國(guó) 鏈桿斷裂 疲勞

1990 Bascule橋 荷蘭 開裂 疲勞

2001 Daniel Webster Hoan Bridge 美國(guó) 斷裂 疲勞

1994 漢江大橋 韓國(guó) 斷裂 腐蝕疲勞

2 疲勞設(shè)計(jì)

鋼材在使用的過程中由于反復(fù)的載荷作用，在使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，同時(shí)在疲勞的破壞之前，整個(gè)鋼材是會(huì)發(fā)生明顯的變形或者收縮，有的會(huì)出現(xiàn)彎曲，有的會(huì)出現(xiàn)斷裂，在這種載荷的作用下，鐵路橋梁中主要鋼材會(huì)先發(fā)生塑性變形，然后是硬化，最后是斷裂。

疲勞的分類可以分為材料疲勞和結(jié)構(gòu)疲勞，材料疲勞是材料本身的基礎(chǔ)問題，結(jié)構(gòu)疲勞是設(shè)計(jì)問題，這種疲勞是試驗(yàn)研究產(chǎn)生的，通過標(biāo)準(zhǔn)形式可以查找到，結(jié)構(gòu)疲勞是不可預(yù)測(cè)的，通過疲勞的性能和估算進(jìn)行研究。

金屬的疲勞階段可以劃分為3個(gè)階段，疲勞的開始階段、疲勞的擴(kuò)展階段、疲勞的失效階段，同對(duì)鋼的結(jié)構(gòu)與壽命研究，對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)定，而常用的疲勞評(píng)定方法有以下幾種：

（1）名義應(yīng)力法，這種方法是最早的分析方法，其是通過參數(shù)進(jìn)行分析的，主要是材料的S-N曲線。

（2）局部應(yīng)力應(yīng)變法，將應(yīng)力集中在某個(gè)局部進(jìn)行疲勞分析，進(jìn)行破壞性研究。

（3）損傷容限評(píng)定方法，這種方法是通過假設(shè)的方法進(jìn)行疲勞研究，先假設(shè)鋼材內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生破壞，然后分析這個(gè)鋼材還能使用多長(zhǎng)時(shí)間，這種方法是提高使用安全系數(shù)。

（4）概率疲勞評(píng)定方法，這種方法是通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法，然后進(jìn)行概率疲勞設(shè)計(jì)。

對(duì)于抗疲勞設(shè)計(jì)的方法主要是通過橋梁在承受反復(fù)應(yīng)力的作用下，許用應(yīng)力需要在一個(gè)系數(shù)的前提下，還要大于橋梁的疲勞應(yīng)力，如下：

σmax≤r[σ]

式中：

[σ]—強(qiáng)度容許應(yīng)力。

r —疲勞折減系數(shù)。

σmax —最大應(yīng)力。

在鐵路橋梁的疲勞研究中，除了鋼材本身的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，對(duì)橋梁造成的疲勞破壞之外，還發(fā)現(xiàn)橋梁的使用環(huán)境也會(huì)對(duì)橋梁鋼進(jìn)行疲勞破壞，而實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)橋梁的影響是突出的，在常溫狀態(tài)下，鋼的韌性的良好的，但是隨著溫度的下降，會(huì)發(fā)現(xiàn)剛的脆性在提高，同時(shí)還跟鋼材的形狀和厚度有關(guān)，圖2就是鋼材與溫度之間的關(guān)系曲線。

3 結(jié)構(gòu)疲勞優(yōu)化

鐵路橋梁在實(shí)際使用時(shí)候會(huì)出現(xiàn)出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，影響其自身剛性，但是在使用或者設(shè)計(jì)中可以進(jìn)行疲勞優(yōu)化，減少疲勞度，提高使用壽命，結(jié)構(gòu)疲勞的優(yōu)化可以通過以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

（1）焊接蓋板的優(yōu)化，通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在梁的使用中，要是對(duì)其進(jìn)行焊接蓋板，可以減少梁關(guān)鍵疲勞位置的疲勞，增加梁的強(qiáng)度，圖3就是蓋板的焊縫處理圖。

（2）可以通過堅(jiān)向增加勁肋的方法提高橋梁的強(qiáng)度，是在兩個(gè)上下梁之間添加勁肋，這樣可以將梁與梁之間產(chǎn)生相互作用力，提高整體性能，但是在每個(gè)肋的端面與梁連接的位置，需要特殊處理，因?yàn)檫@個(gè)位置可以影響整個(gè)梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有的是螺栓連接，有的是球焊接。

（3）平縱聯(lián)節(jié)點(diǎn)，這個(gè)與增加勁肋相似，這個(gè)是在橋梁結(jié)構(gòu)中采用平縱聯(lián)的方法進(jìn)行抵抗風(fēng)載荷、活載或者側(cè)向移位，平縱聯(lián)的節(jié)點(diǎn)是需要焊接到腹板或者翼緣板上的，在這個(gè)連接處理上，要將位置設(shè)計(jì)在應(yīng)力最小的位置，可以滿足抗疲勞的要求，或者是將其連接在受拉翼緣上，可以提高疲勞強(qiáng)度。

結(jié)論

在對(duì)于鐵路橋梁設(shè)計(jì)中，橋梁鋼結(jié)構(gòu)的疲勞是影響橋梁最重要的因素，需要結(jié)合國(guó)家現(xiàn)有的橋梁鋼結(jié)構(gòu)分析實(shí)例，結(jié)合使用現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出先進(jìn)性、適用性和可靠性的橋梁，制定細(xì)致的抗疲勞設(shè)計(jì)措施，將鐵路橋梁的指標(biāo)達(dá)到最大化。

參考文獻(xiàn)

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