橋梁鋼結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計分析

路璐 倪紫威

1. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司 江蘇 南京 211112；

2. 南京博科新材料產(chǎn)業(yè)研究院有限公司 江蘇 南京 211100

1 橋梁鋼結(jié)構(gòu)疲勞性分析

橋梁鋼結(jié)構(gòu)主要是由金屬元件制成，同時金屬存在某種疲勞屬性，鋼結(jié)構(gòu)在具體應(yīng)用中受到內(nèi)外因素影響，處于循環(huán)應(yīng)變以及循環(huán)應(yīng)力影響下，形成局部積累損傷，導(dǎo)致裂紋問題，疲勞裂紋同樣會在車輛荷載持續(xù)作用影響下，導(dǎo)致裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，影響交通和橋梁的應(yīng)用安全性?？蛊谛詣t是上述隱患重要保障，抗疲勞性也成為鋼結(jié)構(gòu)重要設(shè)計內(nèi)容，隨著鋼結(jié)構(gòu)抗疲勞性擴(kuò)大，橋梁應(yīng)用壽命相繼增加。橋梁鋼結(jié)構(gòu)綜合抗疲勞性容易受到多種因素影響，內(nèi)部因素包括橋梁鋼構(gòu)件連接模式、橋梁形式、細(xì)節(jié)構(gòu)造，除此之外，焊接方法和設(shè)計手段也會影響橋梁鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布狀態(tài)。外部因素包括氣候環(huán)境，現(xiàn)實(shí)晝夜溫差、冰凍現(xiàn)象、暴風(fēng)雪、高溫高寒等因素都會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計差異，產(chǎn)生鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用性能差異。材料因素影響中，鋼構(gòu)件屬于橋梁鋼結(jié)構(gòu)中影響抗疲勞性主要因素，鋼結(jié)構(gòu)中細(xì)微問題在實(shí)際應(yīng)用中都會被進(jìn)一步放大，所以需要從源頭入手，合理選擇鋼材，保證鋼結(jié)構(gòu)滿足抗疲勞設(shè)計要求[1]。

2 橋梁鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷過程分析

通常可以將橋梁鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷分成三種層次，第一階段是形成裂紋裂縫，因為結(jié)構(gòu)問題或材料等因素影響導(dǎo)致形成裂紋；第二階段是緩慢擴(kuò)展階段，基于荷載的反復(fù)作用影響下，導(dǎo)致裂紋不斷延伸擴(kuò)展；第三階段是快速破壞。經(jīng)過長時間的破壞影響積累后，出現(xiàn)某種沖擊破壞條件下，便會導(dǎo)致裂紋被迅速破壞，形成脆性損傷問題。因為在橋梁鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)施工中不可避免會出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)缺陷，而不管科技發(fā)展到何種程度，只能盡量控制種種缺陷，卻無法徹底消除。比如橋梁鋼結(jié)構(gòu)中的非金屬雜質(zhì)、化學(xué)成分偏析以及各種非焊接零件表層劃痕等，軋鋼生產(chǎn)中所實(shí)施的火焰切割、剪邊和打孔等操作都容易產(chǎn)生裂紋和毛邊問題，而這些損壞也是無法避免的。疲勞強(qiáng)度在靜荷載與破壞并不相同，疲勞損壞特征如下：第一，疲勞斷裂應(yīng)力小于靜荷載極限標(biāo)準(zhǔn)，甚至部分條件下還小于對應(yīng)屈服強(qiáng)度。第二，疲勞失效普遍出現(xiàn)于局部高應(yīng)力剖面，并非是應(yīng)力最大部位。第三，即便是塑性材料，在出現(xiàn)疲勞損傷后也不會形成較大的塑性變形，不存在明顯預(yù)兆帶，因其屬于脆性斷裂，具有一定突發(fā)性，容易造成巨大的傷亡損失。第四，疲勞損傷可以分成兩種區(qū)域，分別是拉斷區(qū)和擴(kuò)展區(qū)，任意端裂縫應(yīng)力集中，大部分條件下，三向拉應(yīng)力和雙向拉應(yīng)力不會導(dǎo)致塑性變形，斷裂口展現(xiàn)出一種顆粒狀脆性端口以及韌性斷口。

3 橋梁鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計基礎(chǔ)原則

針對橋梁鋼結(jié)構(gòu)實(shí)施整體優(yōu)化設(shè)計中，為了進(jìn)一步優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)整體抗疲勞性能，需要嚴(yán)格按照以下幾種要求實(shí)施，第一是在滿足成本效益同時，盡量選擇應(yīng)用疲勞強(qiáng)度等級較高元件。盡管鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量處于首位，但建造價格也是其中的重要考慮元素，市場中存在多樣鋼構(gòu)件廠商，對應(yīng)價格、質(zhì)量也存在較大差異。為此，施工單位需要對多家廠商鋼構(gòu)件實(shí)施綜合比較分析，擇優(yōu)選擇，在滿足基礎(chǔ)成本效益同時，選擇具有較高抗疲勞等級鋼構(gòu)件，確保價格相等拼質(zhì)量、質(zhì)量相同拼價格。成本控制中，除了需聯(lián)系核心構(gòu)件價格進(jìn)行考慮之外，還需要考慮相關(guān)部件的可替換性，成本控制不但存在于工程建設(shè)環(huán)節(jié)，同時還存在于橋梁建設(shè)應(yīng)用、保養(yǎng)維護(hù)等層面，鋼構(gòu)件可替換性便成為成本控制中的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。

開展疲勞計算中，注重橋梁構(gòu)件可替換性，此外，還需要聯(lián)系橋梁施工進(jìn)行合理考量，明確保養(yǎng)、維護(hù)和應(yīng)用等不同因素影響。處于低溫區(qū)域內(nèi)，構(gòu)件橋梁鋼結(jié)構(gòu)中，還需要進(jìn)一步聯(lián)系冷脆性和動態(tài)負(fù)載耦合等影響因素進(jìn)行考慮，選擇具備較高韌性材料。開展橋梁鋼結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計中，處于焊接缺陷以及應(yīng)力集中條件下，或因為結(jié)構(gòu)形狀限制，無法開展非破壞性檢測，需要優(yōu)選具有較高韌性材料進(jìn)行焊接。焊接結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計活動中，需要減少過度集中以及重疊焊接等問題，控制焊接操作中所形成應(yīng)力殘余[2]。

質(zhì)量優(yōu)先原則是橋梁鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)抗疲勞設(shè)計中的基礎(chǔ)原則。同時質(zhì)量控制也是建筑工程核心，工程質(zhì)量除了和工程自身相關(guān)之外，同時還和區(qū)域發(fā)展、公共安全相關(guān)。為此在抗疲勞設(shè)計中，需要嚴(yán)格按照質(zhì)量優(yōu)先基礎(chǔ)原則，鋼結(jié)構(gòu)抗疲勞性能會影響鋼構(gòu)件的材料選擇，建設(shè)單位需要選擇有效鋼材料。假如鋼構(gòu)件產(chǎn)生細(xì)小裂紋，則在車輛負(fù)荷影響下，便會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大，影響橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用壽命。為此需要重視鋼構(gòu)件選擇，保證結(jié)構(gòu)外表面完整性。強(qiáng)化工程質(zhì)量控制，避免因為操作失誤導(dǎo)致的鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量問題，過度焊接以及重復(fù)焊接等都會影響鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力，從而產(chǎn)生各種裂紋、裂縫。為此需要做好焊接施工，選擇高韌性材料和焊條，從最大程度上降低焊接裂縫，保障橋梁結(jié)構(gòu)綜合質(zhì)量。

4 橋梁鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計具體策略

4.1 橫向抗傾覆穩(wěn)定性能

在現(xiàn)代化背景下，鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，而疲勞設(shè)計質(zhì)量會直接影響橋梁鋼結(jié)構(gòu)后期應(yīng)用時間長短，為此需要提高相關(guān)設(shè)計人員重視程度。針對橋梁鋼結(jié)構(gòu)實(shí)施抗疲勞設(shè)計中，需要按照下列原則實(shí)施，使抗疲勞性滿足橋梁后續(xù)應(yīng)用要求。橋梁鋼結(jié)構(gòu)所選材料和其他領(lǐng)域材料相比普遍擁有更高強(qiáng)度、重量更輕，但在多車道和小半徑設(shè)計中，需要重點(diǎn)注意橫向抗傾覆穩(wěn)定性能。從前，因為橋梁施工中尚未形成橫向抗傾覆穩(wěn)定性能設(shè)計，導(dǎo)致橋體產(chǎn)生傾覆現(xiàn)象。連續(xù)鋼梁產(chǎn)生小半徑故障，導(dǎo)致形成較大跨度，假如橋面寬度超出鋼梁，則容易產(chǎn)生內(nèi)側(cè)支座受力不足的問題，該種狀態(tài)下擴(kuò)大橫梁外部支座承載力，該種衡量受力不均，同樣會使整個橋體直接傾覆。橋梁鋼結(jié)構(gòu)實(shí)施疲勞設(shè)計中，需要實(shí)施準(zhǔn)確計算，預(yù)防橫梁出現(xiàn)不均勻受力問題。針對橋梁結(jié)構(gòu)中的橫梁部位實(shí)施灌砂處理，可以進(jìn)一步優(yōu)化橋梁綜合穩(wěn)定性。

4.2 焊接結(jié)構(gòu)完整性

橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，改善受力模型，選擇有效結(jié)構(gòu)降低部分疲勞。靜態(tài)負(fù)載下橋梁鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中普遍不會在塑鋼發(fā)展，在高峰壓力降低，在低應(yīng)力壓力提升，設(shè)計中，不會對極限承載力對應(yīng)橫截面考慮其影響，使界面應(yīng)力逐漸均勻。峰值應(yīng)力區(qū)內(nèi)，突出的應(yīng)力集中變形通常會伴隨著較大應(yīng)力域，和動態(tài)負(fù)載下斷裂結(jié)構(gòu)疲勞失效相關(guān)。橋梁鋼結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計會影響橋梁綜合穩(wěn)定性。在實(shí)施焊接操作中，所選接頭方式因為受力差異而存在較大差別。接頭應(yīng)力作用同樣會對母材受力性能和結(jié)構(gòu)特征產(chǎn)生一定影響。此外，焊接處理中，應(yīng)力普遍會導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形問題，增加接頭的焊接缺陷，無法滿足橋梁整體性結(jié)構(gòu)要求。為此從整體層面設(shè)計橋梁整體鋼結(jié)構(gòu)中，需要高度重視接頭焊接設(shè)計，在檢測結(jié)構(gòu)焊接效果中，通過焊接性檢測獲得焊接接頭的疲勞和靜力等級，挑選適合焊接方法，避免接頭焊接處理中產(chǎn)生各種變形問題。開展焊接設(shè)計中，需要對重要細(xì)節(jié)部位實(shí)施合理設(shè)計，保證焊接受力均勻，進(jìn)一步降低應(yīng)力。進(jìn)一步減少因為接頭處理不當(dāng)形成的橋梁鋼結(jié)構(gòu)連接區(qū)域受力不均問題，提升橋梁鋼結(jié)構(gòu)局部連接穩(wěn)固性。

4.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

針對橋梁鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)力實(shí)施綜合計算中，普遍是邊孔單懸臂模式為主，而中孔選擇簡支掛梁結(jié)構(gòu)實(shí)施合理計算。該種計算方法進(jìn)一步把橋梁縱向分解成數(shù)個單元模塊，同時針對各個單元截面合理編制號碼，并把各種原始數(shù)據(jù)編碼實(shí)施輸入操作。具體輸入信息涵蓋應(yīng)用信息、施工信息、預(yù)應(yīng)力鋼束、單元特征以及項目等信息。結(jié)合全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件準(zhǔn)確計算橋梁整體結(jié)構(gòu)安全性，具體計算內(nèi)容涵蓋活載、收縮徐變以及預(yù)應(yīng)力等。于橋臺位置安裝滑動支座，并在橋墩位置安裝固定支座，于掛梁一側(cè)安裝固定支座，在另一面安裝滑動支座。

為了進(jìn)一步優(yōu)化橋梁鋼結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)用壽命，需要設(shè)計者提高橋梁安全壽命相關(guān)設(shè)計的重視程度，確保特定時間內(nèi)，橋梁結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生任何損壞。并在初期設(shè)計中，合理應(yīng)用曲線形式，滿足橋梁安全應(yīng)用需求。系統(tǒng)自身具備預(yù)測功能，所以在對頻率和加載順序?qū)嵤┫到y(tǒng)分析后，可以進(jìn)一步聯(lián)系裂紋應(yīng)力結(jié)構(gòu)對荷載力實(shí)施準(zhǔn)確預(yù)測，安全壽命設(shè)計將S-N曲線當(dāng)成基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)系壽命曲線具體要求。除此之外，還應(yīng)該準(zhǔn)確估算橋梁架構(gòu)的剩余壽命，借助實(shí)驗檢測等措施，為了保障結(jié)構(gòu)應(yīng)用壽命，需要對鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命實(shí)施準(zhǔn)確評估和預(yù)算。

4.4 鋼箱梁對應(yīng)橫梁

針對橋梁鋼結(jié)構(gòu)實(shí)施綜合設(shè)計中，假如橋梁主道寬度較大，可以進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，實(shí)施該種設(shè)計工作中，需要重點(diǎn)關(guān)注豎向計算要求。并選擇豎向加勁作為配套措施，在豎向加勁肋無法滿足橋梁應(yīng)用性能要求條件下，可以考慮選擇設(shè)置橫向加勁肋。為了保障施工質(zhì)量，減低裂紋概率，需要加強(qiáng)材料控制，選擇高韌性材料，降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅。

4.5 安全壽命設(shè)計

為了進(jìn)一步提升橋梁鋼結(jié)構(gòu)工程的應(yīng)用壽命，相關(guān)設(shè)計人員需要將設(shè)計重點(diǎn)放到橋梁鋼結(jié)構(gòu)的安全性能和應(yīng)用壽命當(dāng)中。同時在設(shè)計過程中，保障整個橋梁鋼結(jié)構(gòu)在限定應(yīng)用期間內(nèi)不會產(chǎn)生各種損壞問題，實(shí)施橋梁鋼結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計中，還需要合理應(yīng)用各種曲線形式。系統(tǒng)自身具備一定的預(yù)測功能，所以在對加載序列和運(yùn)動頻率進(jìn)行系統(tǒng)分析后，可以進(jìn)一步聯(lián)系裂紋應(yīng)力結(jié)構(gòu)對荷載力進(jìn)行科學(xué)檢測，按照S-N曲線進(jìn)行安全壽命設(shè)計，同時和壽命曲線進(jìn)行充分融合。除此之外，還需要準(zhǔn)確估算橋梁鋼結(jié)構(gòu)的剩余應(yīng)用壽命，借助實(shí)驗檢測措施實(shí)施具體應(yīng)用，為了保證應(yīng)用期限內(nèi)橋梁鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用性能，需要對橋梁鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行準(zhǔn)確評估測算。

4.6 疲勞強(qiáng)度設(shè)計

結(jié)合應(yīng)力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用要求和承載特征，需要聯(lián)系結(jié)構(gòu)屬性對構(gòu)件截面內(nèi)力進(jìn)行準(zhǔn)確計算，針對結(jié)構(gòu)剛度較大以及荷載作用較強(qiáng)的部件，可以在原有模型基礎(chǔ)上，對移動荷載的變化和非線性運(yùn)動特征進(jìn)行準(zhǔn)確分析計算，通過系統(tǒng)分析進(jìn)一步了解移動荷載影響下節(jié)點(diǎn)應(yīng)力特征。因為設(shè)計中容易產(chǎn)生各種誤差，為此需要進(jìn)一步聯(lián)系橋梁鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，通過系統(tǒng)比較分析合理設(shè)計結(jié)構(gòu)疲勞抗力。在具體實(shí)踐應(yīng)用中，還需要對其中各種細(xì)節(jié)部分進(jìn)行細(xì)致分析，準(zhǔn)確計算高強(qiáng)度螺栓。此外，橋涵部分設(shè)計工作中也對設(shè)計規(guī)范提出明確要求，在實(shí)際設(shè)計應(yīng)用中，需要針對構(gòu)件各個細(xì)節(jié)和不同類型進(jìn)行全面對比分析，嚴(yán)格按照具體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求對橋涵結(jié)構(gòu)以及木結(jié)構(gòu)實(shí)施準(zhǔn)確計算。而橋梁鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計，可以結(jié)合驗算部位整體構(gòu)造實(shí)施準(zhǔn)確計算，參考國外相關(guān)設(shè)計規(guī)范實(shí)施創(chuàng)新設(shè)計。

4.7 標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)計

在橋梁鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用設(shè)計中，應(yīng)該嚴(yán)格按照相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，針對橋梁施工和疲勞驗算設(shè)計等內(nèi)容進(jìn)行準(zhǔn)確計算。橋梁鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計中，可以按照等效折算方法，把橋梁鋼結(jié)構(gòu)的疲勞損傷數(shù)值進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)疲勞車，但應(yīng)該保障疲勞車輛維持相同重量。綜合考慮各種檢測指標(biāo)，實(shí)際驗算中，重點(diǎn)對各種細(xì)節(jié)部位、敏感部位進(jìn)行合理設(shè)計，假如無法確定相應(yīng)的疲勞參數(shù)，便會影響系數(shù)設(shè)計質(zhì)量。對于某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力系統(tǒng)，應(yīng)該保障各個構(gòu)件從最大限度上滿足工程要求，發(fā)揮出橋梁的功能優(yōu)勢。全面控制構(gòu)件焊縫到應(yīng)力區(qū)間處理質(zhì)量，促進(jìn)焊后處理工作全面落實(shí)，滿足設(shè)計要求[3]。

5 結(jié)束語

綜上所述，抗疲勞性作為橋梁鋼結(jié)構(gòu)中的核心設(shè)計內(nèi)容，會影響橋的應(yīng)用效益和社會效益，同時也是保障安全交通和經(jīng)濟(jì)發(fā)展核心。為此需要建設(shè)單位始終堅持環(huán)境適應(yīng)、質(zhì)量為先、投資控制等基礎(chǔ)原則，選擇有效施工設(shè)計策略。例如針對橋體穩(wěn)定性和焊接完善性，需要優(yōu)化橋梁鋼結(jié)構(gòu)綜合質(zhì)量，滿足橋梁應(yīng)用時間要求。