鐵路橋梁的壽命分析與研究

楊陽

摘 要：在最原始的橋梁使用上，橋梁的設計只是滿足使用，沒有對橋梁的施工和運營等問題考慮，這樣會導致橋梁的使用期限不受控制，有的會很快費掉，對于鐵路橋梁的設計要考慮它的疲勞設計，通過結構疲勞優(yōu)化讓橋梁使用更久遠。

關鍵詞：鐵路橋梁；疲勞設計；結構疲勞優(yōu)化

中圖分類號：U44 文獻標志碼：A

1 鐵路橋梁

在六十年代 的時候，對鐵路橋梁（如圖1所示）的設計就有疲勞研究，但是那時候的研究不是很全面，并且設計人員意見不統(tǒng)一，對影響疲勞的因素研究沒有做到實處，對于不同層次的鋼結構沒有系統(tǒng)化研究，同時也沒有專門的軟件進行分析，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計中，出現(xiàn)了很多不同國家不同地區(qū)的橋梁損壞現(xiàn)象，而這些破壞的發(fā)生都是因為剛疲勞產(chǎn)生的，例如在1938年的時候，位于德國柏林的一座橋梁因為在-10℃的條件小，橋體出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象；在我國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

時間 橋名 地點 狀況 原因 溫度

二戰(zhàn)前夕 卡里來大橋 比利時 脆斷坍塌 低溫疲勞 -14℃

1938 Hasselt大橋 比利時 脆斷坍塌 低溫疲勞 -20℃

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

1938 某橋 德國 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 開裂 疲勞

1973 太子河橋 中國 斜拉桿斷裂 疲勞

1967 Point Pleasant 大橋 美國 倒塌 疲勞

1970 耶羅·米爾·龐德橋 美國 開裂 疲勞

1978 157號公路橋 美國 鏈桿斷裂 疲勞

1990 Bascule橋 荷蘭 開裂 疲勞

2001 Daniel Webster Hoan Bridge 美國 斷裂 疲勞

1994 漢江大橋 韓國 斷裂 腐蝕疲勞

2 疲勞設計

鋼材在使用的過程中由于反復的載荷作用，在使用一段時間后會出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，同時在疲勞的破壞之前，整個鋼材是會發(fā)生明顯的變形或者收縮，有的會出現(xiàn)彎曲，有的會出現(xiàn)斷裂，在這種載荷的作用下，鐵路橋梁中主要鋼材會先發(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構疲勞，材料疲勞是材料本身的基礎問題，結構疲勞是設計問題，這種疲勞是試驗研究產(chǎn)生的，通過標準形式可以查找到，結構疲勞是不可預測的，通過疲勞的性能和估算進行研究。

金屬的疲勞階段可以劃分為3個階段，疲勞的開始階段、疲勞的擴展階段、疲勞的失效階段，同對鋼的結構與壽命研究，對其進行安全評定，而常用的疲勞評定方法有以下幾種：

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

（2）局部應力應變法，將應力集中在某個局部進行疲勞分析，進行破壞性研究。

（3）損傷容限評定方法，這種方法是通過假設的方法進行疲勞研究，先假設鋼材內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生破壞，然后分析這個鋼材還能使用多長時間，這種方法是提高使用安全系數(shù)。

（4）概率疲勞評定方法，這種方法是通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法，然后進行概率疲勞設計。

對于抗疲勞設計的方法主要是通過橋梁在承受反復應力的作用下，許用應力需要在一個系數(shù)的前提下，還要大于橋梁的疲勞應力，如下：

σmax≤r[σ]

式中：

[σ]—強度容許應力。

r —疲勞折減系數(shù)。

σmax —最大應力。

在鐵路橋梁的疲勞研究中，除了鋼材本身的結構發(fā)生變化，對橋梁造成的疲勞破壞之外，還發(fā)現(xiàn)橋梁的使用環(huán)境也會對橋梁鋼進行疲勞破壞，而實驗中發(fā)現(xiàn)溫度對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，會發(fā)現(xiàn)剛的脆性在提高，同時還跟鋼材的形狀和厚度有關，圖2就是鋼材與溫度之間的關系曲線。

3 結構疲勞優(yōu)化

鐵路橋梁在實際使用時候會出現(xiàn)出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，影響其自身剛性，但是在使用或者設計中可以進行疲勞優(yōu)化，減少疲勞度，提高使用壽命，結構疲勞的優(yōu)化可以通過以下幾個方面進行：

（1）焊接蓋板的優(yōu)化，通過大量的實驗數(shù)據(jù)表明，在梁的使用中，要是對其進行焊接蓋板，可以減少梁關鍵疲勞位置的疲勞，增加梁的強度，圖3就是蓋板的焊縫處理圖。

（2）可以通過堅向增加勁肋的方法提高橋梁的強度，是在兩個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，但是在每個肋的端面與梁連接的位置，需要特殊處理，因為這個位置可以影響整個梁的結構強度，有的是螺栓連接，有的是球焊接。

（3）平縱聯(lián)節(jié)點，這個與增加勁肋相似，這個是在橋梁結構中采用平縱聯(lián)的方法進行抵抗風載荷、活載或者側(cè)向移位，平縱聯(lián)的節(jié)點是需要焊接到腹板或者翼緣板上的，在這個連接處理上，要將位置設計在應力最小的位置，可以滿足抗疲勞的要求，或者是將其連接在受拉翼緣上，可以提高疲勞強度。

結論

在對于鐵路橋梁設計中，橋梁鋼結構的疲勞是影響橋梁最重要的因素，需要結合國家現(xiàn)有的橋梁鋼結構分析實例，結合使用現(xiàn)場的實際情況，設計出先進性、適用性和可靠性的橋梁，制定細致的抗疲勞設計措施，將鐵路橋梁的指標達到最大化。

參考文獻

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