周業(yè)超

（中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 210014）

隨著橋梁事業(yè)的發(fā)展，我國鋼橋建設(shè)也有了很大的進(jìn)步，結(jié)構(gòu)構(gòu)造和制造工藝更加復(fù)雜、精細(xì)，橋梁的承受荷載逐漸增大，設(shè)計(jì)安全系數(shù)因橋梁的精細(xì)化而降低。在橋梁運(yùn)營期間，車流量的荷載會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，車輛的超載和交通量可能會(huì)有所增加，都可能讓橋梁的疲勞問題更加明顯。結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)可以在一定使用中保證橋梁的承受能力，讓橋梁結(jié)構(gòu)不會(huì)因疲勞而失效或損壞。通過分析引起橋梁疲勞問題的因素，應(yīng)用能夠解決影響鋼橋疲勞性能的設(shè)計(jì)方法，消除鋼橋疲勞問題，讓橋梁的運(yùn)行更加安全。

1 鋼橋疲勞影響因素

導(dǎo)致鋼橋疲勞的因素是鋼構(gòu)件上出現(xiàn)裂紋。由于荷載量的改變，鋼橋構(gòu)件上的裂紋會(huì)不斷擴(kuò)展和增加，導(dǎo)致鋼橋構(gòu)件的性能逐漸降低，最后會(huì)因損害而失去性能。影響鋼橋結(jié)構(gòu)疲勞的因素包括材料、構(gòu)件、構(gòu)造、加工、荷載等特性。

1.1 用于建造鋼橋的材料

鋼橋的材料影響著鋼橋的疲勞性能。建筑鋼橋時(shí)利用的原材料不同，其中的元素比例不同，會(huì)導(dǎo)致鋼材料的強(qiáng)度不同，進(jìn)而影響到鋼橋的疲勞性能。雖然強(qiáng)度大的鋼材能夠提升鋼橋的疲勞性能，但疲勞性能的增加并不明顯，性價(jià)比不高。因此對(duì)鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)時(shí)盡可能不用較高強(qiáng)度的鋼材，以免投入更多的成本，而鋼橋的性能得不到應(yīng)有的改善。

1.2 鋼橋的構(gòu)造連接

鋼橋的構(gòu)造連接會(huì)影響到鋼橋的疲勞性能。如一些鋼橋存在細(xì)節(jié)構(gòu)造，導(dǎo)致截面區(qū)域被削弱，使得此處的鋼構(gòu)件應(yīng)力過于集中，導(dǎo)致疲勞問題愈發(fā)明顯。而對(duì)構(gòu)件采用不同的連接方式，也會(huì)造成疲勞性能不同。如焊接、鉚接、螺栓連接等，這些連接方式各有優(yōu)點(diǎn)，但使用在同一鋼橋建設(shè)中，就會(huì)造成構(gòu)件應(yīng)力不同。焊接會(huì)造成殘余應(yīng)力的缺陷，直接對(duì)鋼橋產(chǎn)生疲勞破壞；鉚接、螺栓連接會(huì)削弱母材截面，導(dǎo)致應(yīng)力過度集中，從而產(chǎn)生疲勞問題。

1.3 鋼橋的構(gòu)件

鋼橋的構(gòu)件會(huì)有不同的尺寸，其表面性能也各異，這些因素都足以影響到鋼橋的疲勞性能。通常情況下，尺寸比較小的構(gòu)件會(huì)有良好疲勞性能，而尺寸較大的構(gòu)件，會(huì)因受力問題而影響疲勞性能。疲勞裂紋多產(chǎn)生在鋼構(gòu)件的表面，因此鋼構(gòu)件的表面緊密程度影響著鋼橋的疲勞性能。在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮到構(gòu)件的尺寸，盡量使用尺寸較小的構(gòu)件，保證構(gòu)件表面的緊密程度，減少因構(gòu)件特性而產(chǎn)生的鋼材疲勞問題。

1.4 鋼橋的加工質(zhì)量

在鋼橋的結(jié)構(gòu)制作時(shí)，需要采用多道加工程序，如果加工質(zhì)量不合格，會(huì)對(duì)后期的使用產(chǎn)生影響。加工中，開始使用自動(dòng)化加工制造工藝，可能會(huì)影響到鋼材的加工質(zhì)量，尤其是對(duì)鋼材進(jìn)行焊接處理，如果焊接不到位，就會(huì)影響整個(gè)鋼橋的質(zhì)量，極易引起疲勞問題的產(chǎn)生。

1.5 鋼橋的車輛荷載

鋼橋建設(shè)后投入使用，運(yùn)營時(shí)會(huì)面臨車輛荷載問題。由于荷載的不確定性而導(dǎo)致橋梁的應(yīng)力幅值和循環(huán)次數(shù)受到影響，進(jìn)而威脅到鋼橋的疲勞性能。當(dāng)荷載幅值增大、循環(huán)次數(shù)增多時(shí)，橋梁的應(yīng)力作用加大，疲勞性能會(huì)被降低，影響著橋梁的使用壽命。

2 鋼橋疲勞設(shè)計(jì)方法

為了應(yīng)對(duì)各種因素對(duì)橋梁疲勞性能的影響，在鋼橋建設(shè)中，需要采用合理的鋼橋疲勞設(shè)計(jì)方法。因鋼橋建設(shè)的材料、構(gòu)件、連接、荷載等的不同，使用的設(shè)計(jì)方法也要有所差異。

2.1 有限壽命設(shè)計(jì)

鋼橋疲勞設(shè)計(jì)的有限壽命設(shè)計(jì)使鋼橋結(jié)構(gòu)在一定的壽限內(nèi)不會(huì)發(fā)生破壞，但應(yīng)力幅值超出了鋼橋的承受能力，就會(huì)導(dǎo)致鋼橋的使用壽命大大降低。這種設(shè)計(jì)是在無限壽命設(shè)計(jì)中發(fā)展而來的，但設(shè)計(jì)方法不會(huì)像無限壽命設(shè)計(jì)一樣只考慮使用應(yīng)力的問題，而是需要考慮累積損傷去估計(jì)總的疲勞損傷。

2.2 無限壽命設(shè)計(jì)

和鋼橋有限壽命設(shè)計(jì)相對(duì)的是無限壽命設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)需要鋼橋受到應(yīng)力一直在疲勞極限值以下，即讓構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)力值超過承受的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)在外界應(yīng)力下不會(huì)受到損壞，橋梁的使用壽命得到延長(zhǎng)。這種設(shè)計(jì)方式是為了應(yīng)對(duì)不穩(wěn)定變幅循環(huán)應(yīng)力，讓疲勞極限強(qiáng)度遠(yuǎn)在最大應(yīng)力幅之上。無限壽命設(shè)計(jì)方法非常簡(jiǎn)單，不用考慮到材料的性能問題，只要控制使用的應(yīng)力。這導(dǎo)致設(shè)計(jì)中無法發(fā)揮材料的性能，儲(chǔ)備過高，形成資源浪費(fèi)。

2.3 疲勞可靠度設(shè)計(jì)

疲勞可靠設(shè)計(jì)將鋼橋的疲勞失效用極限狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算，方程中的所有因素都用概率方式進(jìn)行顯示，讓鋼橋的疲勞問題演變?yōu)楦怕士煽慷惹蠼鈫栴}。疲勞可靠度設(shè)計(jì)為了讓疲勞的可靠度在能夠接受的范圍內(nèi)，即使出現(xiàn)疲勞失效，也能得到及時(shí)處理。

2.4 損傷容限設(shè)計(jì)

損傷容限設(shè)計(jì)是在斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上對(duì)構(gòu)件疲勞問題進(jìn)行設(shè)計(jì)。假定構(gòu)件在疲勞的初期出現(xiàn)裂紋，且裂紋為橢圓形，可以通過交變應(yīng)力的作用對(duì)裂紋的拓展方向和速率進(jìn)行分析，估算構(gòu)件剩余的壽命。既然存在裂紋損傷，需要對(duì)裂紋進(jìn)行控制，保證裂紋在使用期限內(nèi)不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大，讓構(gòu)建的壽命得到延續(xù)。這種設(shè)計(jì)方法多用于舊鋼橋的檢查和壽命估算，并不會(huì)使用在新建的鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)中。

3 鋼橋疲勞設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

3.1 疲勞荷載

橋梁的疲勞荷載主要是車輛荷載，對(duì)疲勞車輛荷載的設(shè)計(jì)需要掌握橋梁在后期運(yùn)營中車輛的荷載等級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)，利用隨機(jī)車流模擬方法，對(duì)橋梁壽命內(nèi)的車流荷載進(jìn)行仿真分析，通過計(jì)算可得更加準(zhǔn)確的橋梁應(yīng)力幅模型，確定橋梁的實(shí)際疲勞荷載。設(shè)計(jì)疲勞荷載在各國都有相應(yīng)的規(guī)范，是基于大量研究后確定的設(shè)計(jì)模型，具有普遍橋梁適用性，安全儲(chǔ)備較高。

3.2 疲勞強(qiáng)度

鋼橋疲勞設(shè)計(jì)中的疲勞強(qiáng)度，需要根據(jù)鋼橋的構(gòu)件進(jìn)行確定。如果知道鋼構(gòu)件的材質(zhì)和性能，可以通過疲勞試驗(yàn)來驗(yàn)證構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度；如果只給了鋼構(gòu)件的尺寸和結(jié)構(gòu)型式，就無法通過疲勞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，應(yīng)該考慮到多種因素的折減，如構(gòu)件的尺寸、加工的質(zhì)量、構(gòu)件的受力等。由于這些因素的影響，構(gòu)件的強(qiáng)度就會(huì)被折減，設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)此因素進(jìn)行考慮。一些鋼橋構(gòu)件的受力比較復(fù)雜，并不是單一性的受力方式，疲勞強(qiáng)度需要結(jié)合各方面因素綜合計(jì)算。

3.3 疲勞驗(yàn)算位置

鋼橋的結(jié)構(gòu)如果是設(shè)定的模式，一些疲勞損壞的位置可以根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)算。在設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)這些容易損壞的疲勞部位做設(shè)計(jì)驗(yàn)算，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞位置處于安全狀態(tài)中。鋼橋疲勞設(shè)計(jì)中，正交異性鋼橋面板是關(guān)鍵，需要關(guān)注頂板和U型加勁肋連接處、U型加勁肋和橫隔板連接處等位置的疲勞性，保證疲勞壽命，以提升橋面板的疲勞安全性能。

4 結(jié)束語

鋼橋疲勞設(shè)計(jì)在橋梁建設(shè)有著重要的作用，可以對(duì)橋梁中存在疲勞問題的部位進(jìn)行修整，讓橋梁的性能得到提升。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)影響鋼橋疲勞性能的因素選定適宜的設(shè)計(jì)方法。同時(shí)也要根據(jù)實(shí)際情況來進(jìn)行橋梁的疲勞設(shè)計(jì)，這樣才能滿足橋梁設(shè)計(jì)需求，鋼橋能夠更好地運(yùn)營，使用壽命得到增加。