宣秀珍

摘 要：抗疲勞設(shè)計(jì)作為公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵部分，直接關(guān)系到鋼結(jié)構(gòu)橋梁的使用壽命，提升其抗疲勞設(shè)計(jì)水平具有重要現(xiàn)實(shí)意義。文章研究了公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞的設(shè)計(jì)方法，為我國(guó)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計(jì)提供一些科學(xué)的參考，對(duì)我國(guó)其他交通行業(yè)鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范的制訂也有著借鑒意義。

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

中圖分類號(hào)：U448.36 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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

公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的自重比較輕，跨徑比較大，在長(zhǎng)期承受車輛自重及荷載的反復(fù)作用下容易因應(yīng)力不均勻分布而使相關(guān)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同疲勞強(qiáng)度，容易會(huì)使細(xì)微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大，容易造成橋梁斷裂和坍塌等事故。為了有效應(yīng)對(duì)疲勞應(yīng)力給鋼結(jié)構(gòu)橋梁帶來的不利影響，需要高度強(qiáng)化其抗疲勞設(shè)計(jì)。

1 公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗疲勞設(shè)計(jì)方法

影響公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能的因素眾多，除了涉及鋼結(jié)構(gòu)材料性能外，也會(huì)受到結(jié)構(gòu)構(gòu)造的影響，所以在抗疲勞設(shè)計(jì)中需要著重從結(jié)構(gòu)構(gòu)造視角進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 無(wú)限壽命設(shè)計(jì)方法

該種抗疲勞設(shè)計(jì)方法是最早誕生和應(yīng)用的一種抗疲勞設(shè)計(jì)方法，主要確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力值要比鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞極限值更低，這就是無(wú)限壽命設(shè)計(jì)的機(jī)理，也是應(yīng)用該種設(shè)計(jì)方法的重要先決條件。伴隨著時(shí)間的延續(xù)，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定變化，應(yīng)力下變幅主要表現(xiàn)為一種交互變化的應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)以所產(chǎn)生的最大應(yīng)力幅為依據(jù)，將其等效成構(gòu)件的最大幅值來進(jìn)行疲勞極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)。無(wú)限壽命設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是可以極大地簡(jiǎn)化抗疲勞設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件過程中，由于僅以最大應(yīng)力幅值為例來進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣會(huì)使得后續(xù)構(gòu)件設(shè)計(jì)過程顯得有些笨重，無(wú)法有效地發(fā)揮各種材料的潛能，設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益不高?；诖?，無(wú)限壽命設(shè)計(jì)逐步被有限壽命設(shè)計(jì)過程所取代。

1.2 安全壽命設(shè)計(jì)方法

安全壽命設(shè)計(jì)就是指在預(yù)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞問題，構(gòu)件應(yīng)力值低于疲勞極限值，這種設(shè)計(jì)方法有效提高了結(jié)構(gòu)應(yīng)力和疲勞壽命。不同于無(wú)限壽命設(shè)計(jì)，安全壽命設(shè)計(jì)屬于有限設(shè)計(jì)范疇，相應(yīng)的構(gòu)件應(yīng)力設(shè)計(jì)值要高于疲勞極限值。

如圖1所示的疲勞壽命曲線，可直觀地展示出規(guī)定使用年限內(nèi)構(gòu)件可以實(shí)現(xiàn)安全應(yīng)用。在圖1中的前半部分，可知相應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞壽命不是固定不變的，而是呈現(xiàn)為逐漸下降的變化趨勢(shì)，所以在進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)期間需要對(duì)相應(yīng)的最高應(yīng)力進(jìn)行密切考慮，然后結(jié)合累積損傷理論等相關(guān)理論來估算出疲勞損傷值。在應(yīng)用該種設(shè)計(jì)方法期間，需要確保相應(yīng)設(shè)計(jì)滿足一定條件：必須要明確其疲勞強(qiáng)度曲線以及滿足鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞的基本定義和等級(jí)條件。此外，在設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，還要綜合考慮車輛荷載、橋梁運(yùn)營(yíng)、維護(hù)管理等分類處理疲勞抗力方程，充分借助全壽命設(shè)計(jì)方法來降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成本。

1.3 損傷容限設(shè)計(jì)方法

該種設(shè)計(jì)方法主要基于斷裂力學(xué)，先對(duì)橋梁構(gòu)件中的初始裂紋進(jìn)行假定，然后用斷裂學(xué)理論來計(jì)算Tf值，將相應(yīng)的裂紋確定為橢圓形表現(xiàn)形式，再將變應(yīng)力作用下會(huì)促使相應(yīng)的裂紋逐步向更深方向進(jìn)行拓展，相應(yīng)的拓展速率可以按照下式來進(jìn)行計(jì)算：

在上述公式中，指在一次應(yīng)力作用下裂紋的對(duì)應(yīng)拓展量；？駐K則是指在一次應(yīng)力作用下的應(yīng)力循環(huán)；參數(shù)A和m均是由材料性能所決定的常數(shù)值。

在確定后要借助試驗(yàn)來估算結(jié)構(gòu)的剩余壽命，確保結(jié)構(gòu)裂縫在預(yù)定使用年限內(nèi)不會(huì)發(fā)生進(jìn)一步拓展，以便在規(guī)定年限內(nèi)確保各種帶有裂縫構(gòu)件的安全性，這種設(shè)計(jì)方法在估算以及評(píng)定鋼結(jié)構(gòu)舊橋疲勞性方面具有廣泛應(yīng)用。在預(yù)測(cè)檢測(cè)間隔期間，要注意對(duì)漏檢及情況進(jìn)行考慮，具體就是按照Ti≤0.5Tf來進(jìn)行確定。此外，除了要考慮裂紋位置、檢測(cè)方法等相關(guān)因素外，還要探測(cè)結(jié)構(gòu)表明裂紋長(zhǎng)度的最小值。

1.4 容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法

在我國(guó)現(xiàn)行的公路規(guī)范中，在疲勞荷載設(shè)計(jì)中應(yīng)用靜力強(qiáng)度，在公路一級(jí)和二級(jí)中的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值保持一致。在圖2所示的車輛荷載模型中，前輪的著地面積為0.3*0.2m，后輪、重輪的相應(yīng)著地面積為0.6*0.2m，總重為550kN。

立足于我國(guó)國(guó)情，中交路橋技術(shù)公司統(tǒng)計(jì)分析了我國(guó)一些具有代表性的高速公路和橋梁的相關(guān)參數(shù)，基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論和方法來處理相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)交通荷載及標(biāo)準(zhǔn)疲勞車譜進(jìn)行了推到，最終得出了更加直觀，計(jì)算更加方便的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛模型，車輛總重為445kN，具體模型如圖3所示。

2 公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗疲勞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 科學(xué)確定疲勞荷載

不同于鐵路橋梁疲勞設(shè)計(jì)，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁上的車輛荷載變化比較大，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化幅度也相對(duì)較大，加之車型和車輛間距的差異性，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，可以在計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)疲勞車時(shí)將其通過鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷進(jìn)行等效折算，必須要確保疲勞車總重量是保持一致。針對(duì)線長(zhǎng)度的局部計(jì)算，需要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)軸重荷載來進(jìn)行，具體就是以1.1倍標(biāo)準(zhǔn)疲勞車軸重荷載來作為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)軸重荷載。

2.2 準(zhǔn)確確定驗(yàn)算位置

在公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞驗(yàn)算的過程中，需要對(duì)其驗(yàn)算位置進(jìn)行準(zhǔn)確確定，這直接關(guān)系到驗(yàn)算結(jié)果的質(zhì)量，具體驗(yàn)算關(guān)鍵位置主要包括公路桿結(jié)構(gòu)、疲勞敏感部位和細(xì)節(jié)等，除了注重仔細(xì)驗(yàn)算各個(gè)焊縫趾和小節(jié)點(diǎn)，同時(shí)要注重驗(yàn)算剪開變、結(jié)構(gòu)倒角處、焊接縫跟部和焊趾等重點(diǎn)部位，確?？蛊谠O(shè)計(jì)中驗(yàn)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 準(zhǔn)確確定加載次數(shù)

公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計(jì)的過程中，要針對(duì)性計(jì)算相應(yīng)的疲勞應(yīng)力明確疲勞車軸距、一次加載次數(shù)以及疲勞車影響線長(zhǎng)度等相關(guān)指標(biāo)之間的關(guān)系。此外，要充分結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)橋梁性質(zhì)和構(gòu)件性能，以效應(yīng)相等為原則，將復(fù)雜應(yīng)力循環(huán)以單個(gè)差異化循環(huán)代數(shù)來加以表示，其中一個(gè)軸重可以確定為一次加載。

2.4 確保構(gòu)件滿足規(guī)定要求

為了確保公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計(jì)的質(zhì)量，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，要確保鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)滿足如下幾個(gè)方面的關(guān)鍵設(shè)計(jì)規(guī)定和要求，具體包括：其一，針對(duì)拉伸鋼構(gòu)件、受彎鋼構(gòu)件等公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件的設(shè)計(jì)，要注意采用一些圓且長(zhǎng)過渡性鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件來對(duì)其剛度變化進(jìn)行有效減??；其二，在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的過程中，借助線對(duì)接焊縫進(jìn)行合理選用，且對(duì)構(gòu)件焊接后相應(yīng)處理；其三，要強(qiáng)化復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞驗(yàn)算計(jì)算。除了需要對(duì)單向應(yīng)力下的橋梁構(gòu)件疲勞性進(jìn)行驗(yàn)算外，還要注意對(duì)復(fù)雜應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行綜合計(jì)算。其四，要對(duì)疲勞涉及關(guān)鍵點(diǎn)先進(jìn)行分類處理，與相關(guān)研究規(guī)范機(jī)制進(jìn)行對(duì)比分析，之后仔細(xì)分析和修改相關(guān)的抗疲勞設(shè)計(jì)方案，以便可以確保所設(shè)計(jì)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造可以滿足相應(yīng)的疲勞強(qiáng)度。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計(jì)的方法眾多，涵蓋了無(wú)限壽命設(shè)計(jì)方法、安全壽命設(shè)計(jì)方法、損傷容限設(shè)計(jì)方法和容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法等。為了確?？蛊谠O(shè)計(jì)的質(zhì)量，必須要高度重視科學(xué)確定疲勞荷載、驗(yàn)算位置以及加載次數(shù)，同時(shí)要確保構(gòu)件滿足規(guī)定要求，保證公路鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

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