针对钢结构桥梁抗疲劳设计分析

孙冬生

（湖北省建筑设计院，湖北

武汉430212）

摘要：桥梁工程为交通系统的重要组成部分，为满足交通运输行业发展需求，需要总结以往施工经验，对桥梁结构设计与施工技术进行研究，对存在的不足进行完善优化，降低各项因素的影响，在整体上提高工程施工质量，延长其服务年限。钢结构桥梁现在已经比较广泛，需要重点对其抗疲劳设计进行研究，分析桥梁施工与运营阶段可能会遇到的问题，避免其基础功能的退化。本文对钢结构桥梁疲劳设计方法进行了简要分析。

关键词：钢结构；桥梁；抗疲劳设计

钢结构桥梁工程不断增多，施工技术与工艺也在不断更新，但是就工程施工现状来看，经常会忽视工程施工与运营阶段存在的各类问题对结构功能的影响，而导致工程正式运营后出现抗疲劳性不强以及服务寿命短等问题。为提高桥梁工程施工质量，需要结合钢结构桥梁特点，重点对其进行抗疲劳设计研究，分析影响因素，并采取措施提高设计效果。一、影响桥梁结构抗疲劳强度因素

1．残余应力钢结构桥梁其抗疲劳强度很大程度上会受到加工材料性能的影响，因为所选结构钢材，在各加工阶段，如冶炼、轧制、焊接等，均存在受热不均匀问题，而导致材料内存在部分残余应力。对于钢结构桥梁来说，其一般只能承受翼缘内周期性压力应力，在高残余拉应力范围内便会出现开裂问题，而影响桥梁结构抗疲劳性能。对于结构材料中存在的残余应力，如果未完全掌握其与拉应力的峰值大小，以及拉应力与压应力的分布区域，在存在残余应力很可能会对钢结构稳定性产生影响，尤其是对桥梁结构疲劳强度影响十分明显。

2．低温冷脆循环作用

对于部分钢结构桥梁工程，在对其进行施工设计时，对下弦和桥墩支座连接位置的集中应力以及流限状态分析不全面，这样钢结构受低温冷脆作用影响，便会造成钢结构脆断。其中，钢结构会随着而温度的降低而脆性增大，但是在钢结构材

料厚度为B≥2．5（K2

IC/σys）时（其中，KIC表示断裂韧性；σys表示有效屈服应力），钢结构平面应力逐渐趋于脆性状态，

是钢结构桥梁施工设计的要点［1］

。

3．其余因素

除了上述两项影响因素外，会对钢结构桥梁抗疲劳强度产生影响的因素，还包括焊接缺陷、细节构造、应力幅度等，例如钢材焊接阶段工艺操作不规范，产生气孔与夹渣，导致结构应力过度集中，而影响结构抗疲劳强度。另外，钢结构细节构造也是影响抗疲劳强度的重要因素，对于不同的环境温度，钢结构所体现出的抗疲劳强度不同。一般在低温环境中，对结构抗疲劳强度进行分析，需要从低温冷脆循环作用以及疲劳效应方面分析；常温环境下，则需要重点分析应力幅、焊接缺陷以及构造细节等因素影响。

二、钢结构桥梁抗疲劳强度设计分析

1．桥梁结构总体设计

对于钢结构桥梁进行设计时，需要以实际需求为目的，即提前明确工程项目建设目的，以及业主要求，确定桥梁工程总体设计构思，然后对建设环境、施工条件、设计准则以及服务寿命要求等因素进行综合分析，不但要提高工程设计效果，同时还需要提高工程建设经济效益。对于桥梁结构的设计，应从全过程着手，即包括设计、施工、运营以及维护，以提高工程建设综合效益，延长服务寿命为最终目的，最好每个结构细节

的控制，保证桥梁结构总体设计具有较高的科学性，提高结构抗疲劳性能。

2．综合分析影响因素

对于钢结构桥梁工程进行抗疲劳强度分析设计，需要提前掌握各项影响因素，尤其是要做好环境因素的控制，避免对结构设计效果产生不良影响。可以引用环境指数来对钢结构桥梁结构耐久性以及抗疲劳强度进行评测，其中要求桥梁结构各部分耐久性指数TP≥环境指数SP，且环境指数SP可以根据公式得出计算结果：SP=SO+∑△SP，其中SO表示标准环境下环境指数；△SP表示盐分与冻融环境因数对指数的影响，且能够根据环境间的差异进行调节。另外，耐久性指数TP应以桥梁结构设计裂缝、模板构件形状、钢筋详图以及设计图纸等作为依据确定，计算公式为：TP=50+∑TP，其中TP（I，J）

为影响结构耐久性定量评价的要点［2］

。

3．钢结构桥梁疲劳应力幅

钢结构桥梁工程投入运营后需要城市大量的荷载作用，主要包括恒载、汽车荷载以及汽车冲击效应等，其中对桥梁疲劳设计角度进行分析，频遇次数高的荷载产生的作用更大。因此，在对钢结构桥梁抗疲劳强度进行设计时，仅仅需要对车辆活载、车辆冲击效应以及车辆恒载分析即可，其中车辆活载冲击效应会对应力幅产生影响，而车辆恒载会影响钢结构桥梁构件拉应力大小。在设计分析时，应先完成对结构各细节最大与最小应力影响线的分析，然后以车辆活载影响线为依据，利用加载的方式来对结构细节位置荷载最大、最小应力V1、V2进行计算。然后，以计算得到的车道荷载最大、最小应力为基础，计入动力冲击系数（1+U），来得到动力冲击作用贡献值。另外，还需要将车道荷载与冲击作用应力乘以横向分布系数或者偏载系数M，来得到加载方式空间效应。还应计人多车道横向折减系数f，为横向车道荷载引道的应力幅变化向等应力幅转化的系数。进而能够得到间应力幅计算公式：△V=β（1+U）fM（V1－V2），其中最大、最小应力值分别为V1’=Ｒ1σ+Ｒ2V1，V2’=Ｒ1σ+Ｒ2V2，其中，σ表示恒载应力；Ｒ1表示恒载组合系数；Ｒ2表示活载组合系数；β表示汽车冲击效应系数［3］

。结束语

钢结构桥梁工程数量不断增多，其作为交通系统的重要组成部分，一直以来其施工质量均为设计与管理的要点。其中，结构抗疲劳强度为影响工程施工质量以及服务年限的主要因素，为提高其抗疲劳性能，就需要在设计阶段做好各影响因素的分析，确定设计分析要点，控制好每一个设计细节，争取提高工程结构设计综合效果，保证工程最终施工质量满足专业要求。

参考文献：

1］李芹子．公路钢结构桥梁抗疲劳设计方法研究［D］．长安大学，2014．2］郑晓飞．钢结构的疲劳设计与研究［D］．大连理工大学，2012．3］陈伟健．正交异性板公路钢桥疲劳荷载研究［D］．西南交通大学，2013．

作者简介：孙冬生（1982－），男，湖北武汉人，学历：

本科。

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