張耀文

中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司

1 引言

近年來鋼結(jié)構(gòu)橋梁在我國橋梁工程設(shè)計領(lǐng)域應用廣泛，但鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計問題也越來越突出。鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計直接關(guān)系整個橋梁工程的安全性和耐久性，因此積極優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計是非常必要的。

2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞

鋼架橋梁結(jié)構(gòu)自身的承壓能力和穩(wěn)定性能是影響其使用年限的根本性因素，還有一個最重要的影響因素為疲勞性問題。當周圍的公路結(jié)構(gòu)環(huán)境受到來自大自然的影響時，可能會因為鋼架結(jié)構(gòu)的疲勞性設(shè)計與實際標準之間誤差太大，就會因為一些自然因素的變動而產(chǎn)生無法挽回的損失，主要表現(xiàn)為鋼架結(jié)構(gòu)的裂縫現(xiàn)象和斷裂現(xiàn)象。鋼結(jié)構(gòu)橋梁的耐久性與疲勞密切相關(guān)。在重復性交變荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)橋梁容易在焊縫處出現(xiàn)疲勞裂紋，隨著疲勞裂紋不斷加重會導致鋼結(jié)構(gòu)橋梁開裂，進而影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁的正常使用。針對該問題，設(shè)計人員需要在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計之前就意識到疲勞設(shè)計的重要性，不斷優(yōu)化設(shè)計方案。

3 影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞的因素分析

3.1 結(jié)構(gòu)材料特性

影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞的因素較多。其中最主要因素是結(jié)構(gòu)材料的性能，主要有構(gòu)件尺寸、鋼材性能以及結(jié)構(gòu)外表面缺陷等。但是鋼材強度對結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響變化不明顯，通常情況下鋼材強度的提高僅能稍微提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。可見對于疲勞強度控制的構(gòu)件，如果選擇強度較高的鋼材顯然是不經(jīng)濟的。一般情況下，隨著構(gòu)件尺寸的增加，其疲勞強度反而會逐漸降低。這是由于結(jié)構(gòu)外表面缺陷處常常會出現(xiàn)疲勞裂縫，此時表面層材料對外表面結(jié)構(gòu)的約束力度較小，導致結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的偏移。

3.2 結(jié)構(gòu)的外部環(huán)境

結(jié)構(gòu)外部環(huán)境也會影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞。外界循環(huán)荷載作用在結(jié)構(gòu)上，會導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞，這其中主要是應力幅值偏大引起的。查閱以往的文獻可發(fā)現(xiàn)應力幅值直接影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞強度，而平均應力對鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞強度影響不大。

3.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

鋼結(jié)構(gòu)橋梁的制造工藝、焊接工藝、焊接后處理工藝等直接影響結(jié)構(gòu)初始應力分布情況，并對固有缺陷產(chǎn)生較大影響。

4 鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計主要存在的問題

4.1 抗疲勞設(shè)計存在較大隨意性

抗疲勞設(shè)計存在較大隨意性是普遍存在的問題。具體表現(xiàn)為在抗疲勞設(shè)計中采用容許應力法帶有較強的隨意性，結(jié)構(gòu)安全服役安全隱患較多。容許應力法僅僅是依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗給出的安全系數(shù)對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行評價，此種穩(wěn)定性評價方式可靠度不高。

4.2 荷載模型未定義

荷載模型未定義也是現(xiàn)階段我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計存在的主要問題。這樣就直接導致我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計選擇的荷載缺乏統(tǒng)一形式。鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計疲勞荷載和實際疲勞荷載明顯不同，難以將橋梁真實的荷載運營情況反映出來。

4.3 控制參數(shù)較為粗略

控制參數(shù)較為粗略在現(xiàn)階段鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計中也較為常見，控制參數(shù)一般為應力比，應力比作為控制參數(shù)難以將實際結(jié)構(gòu)被破壞的原因真實反映出來。目前國外一些較為先進的鋼結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計采用的控制參數(shù)大多是應力幅。針對我國控制參數(shù)較為粗略的問題，可以積極借鑒國外在控制參數(shù)選擇上的經(jīng)驗，將其轉(zhuǎn)化為適合我國國情的鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計規(guī)范。

5 鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計的主要方法

5.1 無限壽命設(shè)計

最早的疲勞設(shè)計方法就是無限壽命設(shè)計，該設(shè)計模式要求結(jié)構(gòu)設(shè)計應力要遠遠小于疲勞極限值，這樣才能達到無限壽命的使用效果。對于變幅循環(huán)應力需要滿足最大應力幅低于構(gòu)件等效等幅疲勞極限強度的標準。英國是最早對無限壽命設(shè)計做出明確規(guī)范的國家，明確了鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞驗算方法，此種驗算方法較為簡單，非常適用于無限次應力循環(huán)為零的構(gòu)建，且不需要考慮疲勞損傷程度。但是此種設(shè)計模式存在的主要問題是構(gòu)件不靈巧，材料承載潛能難以全部體現(xiàn)出來。

5.2 安全壽命設(shè)計

安全壽命設(shè)計可確保結(jié)構(gòu)在一定使用期限內(nèi)不會因為疲勞發(fā)生損壞，此時構(gòu)件工作應力可以大于疲勞極限。安全壽命設(shè)計可確保構(gòu)件在固定期限內(nèi)使用順利，確保構(gòu)件安全和穩(wěn)定性。加載序列和頻數(shù)可用來表達預測結(jié)構(gòu)運營歷程，隨后對潛在裂紋處應力歷程進行分析。結(jié)構(gòu)運營歷程荷載不同時可以以一定累積損傷理論對總的疲勞損傷進行估算。S-N曲線設(shè)計是安全壽命設(shè)計常采取的方法，在車輛等荷載引起的高周疲勞計算時可采取S-N 曲線設(shè)計。應變-疲勞壽命曲線又稱為局部應力應變法，地震等偶然荷載引起的低周疲勞計算可采用應變-疲勞壽命曲線。

5.3 損傷容限設(shè)計

損傷容限設(shè)計可確?？赡芎鸭y或者含裂紋重要構(gòu)件的安全性，此種設(shè)計方法最先開始于二十世紀七十年代，隨后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代化疲勞裂紋控制方法。假設(shè)某個構(gòu)件中有裂紋，對其進行斷裂力學、疲勞裂紋擴展分析并試驗驗證，在裂紋出現(xiàn)之前定期檢查，確保裂紋不會繼續(xù)外向擴大，以免加重損傷程度。以上就是損傷容限設(shè)計的主要思路。損傷容限設(shè)計時需要對結(jié)構(gòu)做好相應的安全措施，在嚴格制度的約束下確保結(jié)構(gòu)的安全性。損傷容限設(shè)計允許構(gòu)件在使用壽命期間產(chǎn)生破損和裂紋，并允許構(gòu)件存在初始缺陷。但是下次檢修構(gòu)件之前，需要確保構(gòu)件強度與上次檢查結(jié)果一致，以保證正常使用。

5.4 疲勞可靠性設(shè)計

上述設(shè)計方法均存在不同程度的分散性，單純按照平均值設(shè)計難以確保鋼結(jié)構(gòu)橋梁的安全性。因此設(shè)計人員需要參考之前的使用經(jīng)驗，將相應的安全系數(shù)引入其中，平均值和安全系數(shù)結(jié)合在一起可確保鋼結(jié)構(gòu)橋梁的安全性和穩(wěn)定性。疲勞可靠性設(shè)計需要參考疲勞強度平均值和構(gòu)件應力以及疲勞強度的分布規(guī)律。以此為基礎(chǔ)得到相應的分布曲線計算出強度超過應力的概率，該概率就是構(gòu)件可靠度。

6 新型鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)及其構(gòu)造細節(jié)的疲勞研究

6.1 整體節(jié)點疲勞試驗

整體節(jié)點作為鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件連接方式，傳力簡單、安裝便捷、節(jié)省材料。整體節(jié)點在鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計中應用較為廣泛。整體節(jié)點作為一種新的構(gòu)造形式對制造加工和結(jié)構(gòu)分析要求較高，不僅需要靜力分析還需要開展相應試驗，分析構(gòu)件的抗疲勞能力。比如蕪湖長江大橋使用了整體節(jié)點的桿件連接方式，并對十三種整體節(jié)點連接類型的構(gòu)造細節(jié)展開疲勞試驗，隨后得出十三條S-N 曲線，并結(jié)合不同構(gòu)造細節(jié)考核各個階段的疲勞試驗結(jié)果。

6.2 索梁錨固結(jié)構(gòu)及拉索疲勞試驗

索梁直接影響鋼結(jié)構(gòu)懸索橋或斜拉橋結(jié)構(gòu)安全性，尤其是斜拉橋的斜拉索，因此需要使用更為可靠的索梁連接方式。其中錨管連接、錨箱連接以及耳板連接是索梁連接的常見方式。其中最先開始對索梁錨固等關(guān)鍵部位疲勞試驗研究的是日本。我國在修建蘇通長江大橋、南京長江大橋等大跨度的鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)時仔細研究了錨箱連接方式，為橋梁工程施工奠定了堅實的基礎(chǔ)。循環(huán)動荷載直接作用在斜拉索上，斜拉索即便是單元構(gòu)件，但是依然是由高強度的鋼絲構(gòu)成。目前大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁斜拉索都需要進行疲勞試驗。受斜拉索拉伸彈性的影響，需要對其施加更大的疲勞荷載。該試驗需要高性能的試驗設(shè)備，且試驗耗費的時間較多，一般情況下一個廠家對一項工程只要求做一根開展驗證試驗。此外，納入斜拉索減震措施和制振措施能有利減少橋梁的疲勞破壞，并進一步增強了斜拉索的耐久性。

6.3 雙軸疲勞試驗

節(jié)點構(gòu)造受力不是單向的，傳統(tǒng)構(gòu)件疲勞性能檢算時按照單向應力并納入次應力對其產(chǎn)生影響，設(shè)計規(guī)范中對多向受力沒有做出明確的規(guī)定。為了將復雜應力狀態(tài)直接反映出來，需要對實際受力情況進行模擬，并進行雙軸疲勞試驗。查閱相關(guān)文件發(fā)現(xiàn)在設(shè)計渝懷鐵路長壽長江大橋科研項目組使用FESAFE 疲勞分析軟件對其進行計算，開展了次應力雙軸疲勞試驗。系統(tǒng)性研究了鐵路標準鋼桁梁次應力是如何產(chǎn)生的，驗證了次應力對疲勞性能產(chǎn)生的影響，并歸納出了次應力疲勞檢算相關(guān)建議。

7 實際應用

要想真正發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)橋梁的真正功能和效用，不僅需要利用精密的計算儀器來對其構(gòu)造內(nèi)部的細節(jié)和螺母進行長度和細節(jié)的運算，還需要對其抗疲勞設(shè)計的性能進行實際的應用和操作演練。此外，相關(guān)設(shè)計人員還可以結(jié)合國外先進的科學設(shè)計規(guī)范和標準來對其作出輔助性影響作用，從這些影響結(jié)構(gòu)特征中，最終得出以下幾點結(jié)論:第一，雖然國家采用的抗疲勞設(shè)計內(nèi)部具有一些結(jié)構(gòu)性特征，具有較大的差異性，但實際采用的效用都為荷載效應，他們最終的設(shè)計理念和結(jié)構(gòu)性構(gòu)想都具有較高的一致性，但在實際的操作過程時，也會因為具體橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)造和相關(guān)系數(shù)來進行不斷的整改；第二，對于我國的橋梁結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計而言，對其進行非常細致的和等級的劃分，但對于整體橋梁結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展卻沒有推進作用。這就需要國內(nèi)的相關(guān)設(shè)計人員，利用國外先進的科學技術(shù)標準，來對我國的設(shè)計規(guī)范進行不斷的調(diào)節(jié)和整改，對于現(xiàn)存的問題進行及時的糾正和解決，才能夠真正地解決現(xiàn)實生活中實際存在的各項問題，提高整個鋼結(jié)構(gòu)橋梁的使用年限。所以，要利用可持續(xù)的發(fā)展原則和方式，來推動我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計的可持續(xù)發(fā)展和科學性進步，以安全性為原則來進行細致的劃分和性能的最大化激發(fā)，從而可以有效地利用這種高架橋梁的設(shè)計來保障我國高架橋使用的安全性，最大限度地減少安全事故發(fā)生的可能性，還可以利用這種橋梁結(jié)構(gòu)來促進國內(nèi)經(jīng)濟的調(diào)整和結(jié)構(gòu)性改善，實現(xiàn)農(nóng)村地區(qū)和城鎮(zhèn)地區(qū)的共同進步，對于社會的未來都具有推動作用。

8 結(jié)束語

本文通過分析鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞影響因素、抗疲勞設(shè)計存在的問題、抗疲勞設(shè)計的主要方法、新型結(jié)構(gòu)、構(gòu)造細節(jié)的疲勞研究以及實際應用等方面，較為詳盡地闡述了我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞問題的研究進展，希望對該領(lǐng)域研究有一定幫助，進一步推動我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展。