鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計(jì)方法討論

馬鴻亮 熊南京

摘要：本文結(jié)合實(shí)際，指出鋼結(jié)構(gòu)材料特性與外部因素影響以及內(nèi)部因素是影響公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁耐疲勞性的關(guān)鍵因素，同時(shí)總結(jié)了公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計(jì)方法，并且在總結(jié)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，對鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析，目的在于提高公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞水平。

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

0.引言

在社會的高速發(fā)展背景之下，當(dāng)前我國的公路建設(shè)里程逐漸增多，公路橋涵的建筑數(shù)量也在持續(xù)的增加。鋼結(jié)構(gòu)橋梁在長期的使用過程中，會直接受到汽車載荷的影響，結(jié)構(gòu)會承載反復(fù)的作用力，產(chǎn)生疲勞損害的問題，再加上很多的鋼結(jié)構(gòu)梁體自身就存在應(yīng)力分布部均勻的問題，同時(shí)也存在有疲勞程度不同的情況，所以在橋梁長期使用過程中存在很多的安全問題，需要加強(qiáng)抗疲勞設(shè)計(jì)。

1.公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞性能的影響因素

1.1鋼結(jié)構(gòu)材料特性

鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗疲勞性能分析發(fā)現(xiàn)，只要鋼結(jié)構(gòu)的外表面存在有一些比較嚴(yán)重的微小裂紋，疲勞性能也會隨之裂縫的增多而逐漸的提升，因此，鋼結(jié)構(gòu)材料外部表面需要具備較強(qiáng)的應(yīng)力。

1.2外部因素

從大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析之后可以發(fā)現(xiàn)，除了材料的性能影響其疲勞性能，很多的外部因素也會產(chǎn)生直接的影響，比如環(huán)境溫度的急劇變化、自然環(huán)境的變化以及外部梁體施加壓力的變化等等，這些因素會直接導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)橋梁性能的疲勞性能的變化。

1.3內(nèi)部因素

通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析，結(jié)構(gòu)內(nèi)部因素對于抗疲勞性能的影響也是比較嚴(yán)重的，深入分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的影響因素主要就是連接形式、公路結(jié)構(gòu)形式、組成細(xì)節(jié)等等問題，此外所選擇使用的焊接施工技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案等因素也會影響其結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布，也會造成某些部分的缺陷，所以在施工的過程中，需要充分的考慮到其影響因素，選擇合適的方案。

2.鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計(jì)方法

2.1無限壽命設(shè)計(jì)

這種設(shè)計(jì)方法就是應(yīng)該保證橋涵設(shè)計(jì)應(yīng)力要低于抗疲勞限值，并且使得整個(gè)工程具備無限壽命的要求。隨著橋梁使用時(shí)間的延長，變幅循環(huán)同時(shí)也會存在有應(yīng)力變化的情況，進(jìn)而可以按照等幅值的疲勞強(qiáng)度參數(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。也就是說，該種設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)理念的結(jié)構(gòu)形式較為笨重。為了能夠有效的發(fā)揮出其性能，應(yīng)該提升設(shè)計(jì)水平，逐漸的轉(zhuǎn)入無限壽命設(shè)計(jì)中。

2.2安全壽命設(shè)計(jì)

這種設(shè)計(jì)方法就是在應(yīng)用的時(shí)間范圍內(nèi)，橋涵結(jié)構(gòu)中水出現(xiàn)了一定程度的疲勞損壞的問題，因此在應(yīng)用的過程中，其結(jié)構(gòu)會超出疲勞極限的要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)方面對于壽命所造成的影響，其也體現(xiàn)出了疲勞壽命曲線的形式，主要是為了在限定范圍內(nèi)，確保整體的結(jié)構(gòu)更加的安全。預(yù)測結(jié)構(gòu)運(yùn)營時(shí)間可以通過利用頻率與加載序列來確定，然后就是分析潛在裂縫處理的過程。在應(yīng)用不同結(jié)構(gòu)載荷方面，要結(jié)合損傷理論來確定疲勞損傷的程度。結(jié)合S-N曲線來進(jìn)行安全壽命的確定與設(shè)計(jì)，從而可以明確最佳的設(shè)計(jì)方案，也可以通過使用應(yīng)變一疲勞曲線確定，前者是進(jìn)行名義壽命的設(shè)計(jì)，很多情況下都是應(yīng)用到高周疲勞中使用，而后者是進(jìn)行局部應(yīng)力應(yīng)變法，很多情況下都是進(jìn)行地震等偶然載荷的計(jì)算。

2.3損傷容限設(shè)計(jì)

這種施工方法主要是利用斷裂力學(xué)來進(jìn)行的，首先應(yīng)該假設(shè)結(jié)構(gòu)初始裂縫的問題，計(jì)算確定Tf的數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該使用斷裂力學(xué)原理，此時(shí)可以將裂縫看做是簡化的橢圓形狀，從而在交變應(yīng)力的作用之下，裂縫會直接向深度方向發(fā)展，擴(kuò)展速度可以通過下式計(jì)算確定：

式中，da/dN是一次應(yīng)力循環(huán)開展兩，而AK就是一次應(yīng)力循環(huán)，A、m主要就是與材料有關(guān)的常數(shù)。然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)剩余性能的估算，通過試驗(yàn)進(jìn)行校驗(yàn)分析，從而可以保證在應(yīng)用的期限內(nèi)，不會出現(xiàn)裂紋嚴(yán)重變化的情況，這種方式能夠充分的保證結(jié)構(gòu)的安全性。目前該計(jì)算方法主要是應(yīng)用在鋼筋舊橋疲勞壽命的計(jì)算與評定過程中。

預(yù)測檢測間隔的過程中應(yīng)該要充分的考慮到漏檢，Ti≤0.5Tf，其中Tf為可探測裂紋，ld為臨界長度，lf則表示時(shí)間。表面裂紋的最小尺寸為ld，檢測階段應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的方法，還要確定裂紋的問題等等內(nèi)容，同時(shí)應(yīng)該確定表面裂紋最小長度值的探測，具體的數(shù)據(jù)詳見表1所示。

3.鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

3.1確定疲勞荷載

與鐵路的設(shè)計(jì)疲勞設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，公路鋼結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)中的車輛數(shù)量變化量比較大，車輛間距與車型都不是固定的，從目前所應(yīng)用的設(shè)計(jì)規(guī)范理論中可以了解到，應(yīng)用結(jié)構(gòu)疲勞損傷的基本理念來確定標(biāo)準(zhǔn)疲勞參數(shù)，此時(shí)應(yīng)該要保證疲勞車總質(zhì)量是一致的。線長度局部計(jì)算中，要按照標(biāo)準(zhǔn)荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行，這樣才能保證最終的數(shù)據(jù)計(jì)算更加的準(zhǔn)確。

3.2準(zhǔn)確確定驗(yàn)算位置

這方面主要體現(xiàn)在疲勞敏感細(xì)節(jié)與位置，公路桿結(jié)構(gòu)的疲勞測算中，要從每個(gè)節(jié)點(diǎn)、焊縫位置都要進(jìn)行驗(yàn)算。

3.3確定加載次數(shù)

公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該綜合分析疲勞應(yīng)力參數(shù)，從而可以更加準(zhǔn)確的確定線長度、一次加載次數(shù)以及疲勞車軸距等參數(shù)所存在的關(guān)聯(lián)。從鋼結(jié)構(gòu)性能、橋梁性質(zhì)等方面，采用一次軸重加載的方式，應(yīng)用效應(yīng)相等的原則來進(jìn)行，應(yīng)該將更加復(fù)雜的循環(huán)應(yīng)力直接轉(zhuǎn)換成為單個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)來表示。

3.4構(gòu)件需滿足的要求

鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)中，對于承受彎曲、拉伸作用等的鋼結(jié)構(gòu)部件，應(yīng)該將該部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為長、圓形的形狀，從而可以有效的降低鋼結(jié)構(gòu)的剛度變化，提升整體性能。

3.5復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下疲勞驗(yàn)算

單向應(yīng)力的應(yīng)用基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)的確定可以來有效的控制抗疲勞應(yīng)力，該數(shù)據(jù)會小于疲勞允許應(yīng)力，但是在進(jìn)行方案確定的過程中不能只利用單向應(yīng)力的數(shù)據(jù)來確定，還要綜合分析其他的應(yīng)力影響。有些結(jié)構(gòu)受到彎矩的作用，也會受到剪力的影響，此時(shí)可以通過下式來確定：

4.結(jié)束語

橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞損壞的影響因素比較多，所以在設(shè)計(jì)過程中需要注重抗疲勞的設(shè)計(jì)，還要深入的分析各種影響因素，加大力度進(jìn)行抗疲勞技術(shù)的研究，從而可以有效的防止橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一系列的損壞事故，提升橋梁的技術(shù)水平，滿足交通運(yùn)行的需要，促進(jìn)整個(gè)社會的發(fā)展。