现代公路钢桥典型细节疲劳问题分析

　文章编号:0451-0712(2007)04-0082-06 中图分类号:U44114 文献标识码:B　

现代公路钢桥典型细节疲劳问题分析

任伟平,李小珍,李　俊,卫　星,强士中

(西南交通大学土木工程学院　成都市　610031)

摘　要:疲劳是导致钢桥使用寿命缩短的主要因素之一,在设计、制造、架设及后期维护中需特别注意钢桥构造细节的疲劳问题。在对疲劳荷载谱、疲劳损伤累积理论和焊接钢桥疲劳薄弱部位等分析的基础上,总结了焊接钢桥疲劳分析中需注意的一些问题。结合近些年来我国大跨径公路钢桥的建造情况,根据对部分关键构造细节所进行的疲劳试验结果,分析了几种新型结构型式和制造工艺中所存在的疲劳问题。最后总结了防止钢桥疲劳破坏的方法,指出了目前我国钢桥疲劳研究中存在的一些问题。这对有效防止钢桥疲劳破坏事故的发生,提高我国钢桥的设计和制造水平具有重要的意义。

关键词:钢桥疲劳;疲劳荷载谱;索梁锚固;整体节点;钢桥面板;管节点;短吊杆

各种连接细节的疲劳性能是钢桥研究的重点问题之一。20世纪60年代,由于当时对公路钢桥疲劳认识不足,建造的钢桥中出现了许多设计不合理的焊接接头,在随后日益繁忙和加重的运输荷载作用下,许多焊接钢桥出现了疲劳裂纹,甚至发生了一些灾难性事故,特别是1967年美国西弗吉尼亚的Po in t P leasan t桥因疲劳和断裂而突然破坏的重大事故,引起了人们对钢桥疲劳的关注。

近些年来,各种形式的钢桥开始在我国得到大规模建设,特别在特大型桥梁中钢桥更是占据了主要地位,随之一些新型结构型式和制造工艺也不断出现在现代钢桥中。目前我国的钢桥设计正朝着下面的方向发展:(1)设计变得更复杂;(2)较厚的高强度焊接结构材料比薄的较低强度铆接、栓接用的更

基金项目:交通部西部交通建设科技项目(200431822317)收稿日期:2006-12-11

用整体现浇的施工方法时,由于立模板的原因,截面通常需要分层浇注,也就是说,至少需要等2次混凝土到达龄期时间,再加上各道工序,施工一跨时间至少需要1个月左右的时间。而采用本施工方法,由于在下部结构施工的同时可以预制上部结构,故一跨的现场施工时间仅为几天。带来的经济效益和社会效益是显而易见的。特别是对于建设、设计和施工为一体的总承包集团公司,施工方法的简便,施工速度的加快,施工质量的容易控制,可使施工管理更为有效。

6　结语

综上所述,本文所提出的设计施工构想,密切结合了现代施工方法,最大限度地减少了现场施工量和对周围环境的干扰,具有显著的经济效益和社会效益,该施工方法所具有的标准化、施工快速化等优点,充分满足了高新技术产业化的要求,是城市桥梁高新技术产业化的发展之路。

参考文献:

[1]　孙宝俊,周国华1体外预应力结构技术及应用综述

[J]1东南大学学报(自然科学版),2001,(1)1

[2]　谢红兵,译1AA SH TO节段式混凝土桥梁设计和施工

指导性规范(一)[J]1国外桥梁,1993,(4)1

[3]　徐栋1体外预应力桥梁的发展、结构特性及其应用前

景[J]1华东公路,1997,(12)1

[4]　孙宝俊1现代PRC结构设计[M]1南京:南京出版社,

19951

[5]　刘世林,译1低矮断面梁体外预应力实践[J]1国外公

路,1995,(1)1

[6]　余家俭,译1体外预应力混凝土连续刚构桥[J]1国外

桥梁,1999,(2)1

[7]　李文伦,王娟,译1体外索预应力混凝土桥的现状与发

展[J]1国外公路,1992,(2)1

　公路　2007年4月　第4期 H IGHWA Y　A p r12007　N o14　

普遍;(3)结构构造细节和制造工艺变得更复杂(焊接整体节点等);(4)结构承受的交变荷载增大(汽车轴重的加大、超载等);(5)结构设计安全系数由于计算变得更精确而降低。研究表明,这些特点可能会导致钢桥结构疲劳和断裂概率的增加。本文结合近几年国内外钢桥疲劳的研究成果,对我国现代公路钢桥中一些典型连接细节的疲劳问题进行分析研究。

1　焊接钢桥疲劳设计需注意的几个问题

钢桥疲劳设计是在对结构进行强度设计并确定各构件截面尺寸和连接细节后,为了避免疲劳破坏而必不可少的程序。大量研究表明,造成钢桥疲劳破坏的内因是钢材的材性和局部拉应力的集中程度,外因则是应力幅值和循环次数。由断裂力学分析可知,钢桥焊接接头的疲劳强度主要由焊缝的焊趾和焊根处的局部缺口应力状态以及裂纹的应力强度因子决定。因此,钢桥疲劳设计时应考虑下列因素:(1)整个设计寿命期内,桥梁构件所承受的疲劳荷载谱;(2)确定疲劳性能薄弱部位,以及薄弱部位在疲劳荷载作用下的结构反应;(3)变幅荷载的疲劳累积损伤。此外,还应注意构造细节的几何形状、制造方法和质量控制等。

111　疲劳荷载和疲劳应力谱

钢桥疲劳设计时,不应把强度设计荷载作为疲劳荷载已经得到了统一的认可。钢桥疲劳荷载应是其使用寿命期内实际承受的运行荷载的总和,通常以荷载谱的形式来表示。目前,B S 5400、AA SH TO 、Eu rcode 等均对疲劳荷载进行了明确规定,英国和美国的规定如图1所示。但是我国公路钢桥设计规范对此还没有规定

。

图1　英国和美国的标准疲劳货车轴重布置

疲劳应力谱是疲劳荷载在结构部位引起的应力效应,是对结构进行疲劳寿命评定的主要依据,单车过桥常见应力历程如图2所示。应力谱必须由应力历程分析求得,目前桥梁中通常采用雨流法或泄水法进行应力历程分析,求得各应力幅值及相应的循环次数。对于焊接钢桥复杂连接部位的应力分析,可以通过有限元分析求得。如果条件许可,在实桥的适当位置布置应变片,则可以求得更符合实际的应力。此外,还必须考虑制造偏差、强制变形和扭曲、面外变位等产生的次应力的影响,许多破坏实例已经证明焊接钢桥中部分疲劳开裂就是由此所引起的

。

图2　一辆货车过桥构造细节处典型应力历程

大量计算分析和现场测试表明,不同桥型典型部位的疲劳等效换算应力与结构恒载应力的比值(欠载效应)差别较大,因此钢桥设计时可以根据构件的欠载效应来决定是否需要考虑疲劳问题。112　焊接钢桥疲劳性能薄弱部位

焊接接头的疲劳性能与接头形式、焊缝类型、加载情况和制造工艺以及缺陷状况等密切相关。疲劳失效通常起始于高应力区,如几何突变处、受拉残余应力区和尖锐的不连续处。在钢桥疲劳设计时,下列可能的疲劳裂纹起始处要加以考虑:焊缝的根部或焊趾、倒角、冲孔或钻孔、剪开边或锯开边、高接触压力下的表面和张紧索的根部。除上述细节设计的情况外,疲劳裂纹也可能由冶炼、制造和施工等其他原因引起:如材料不连续或焊接缺陷,由机械损伤而形成的刻痕或擦痕以及腐蚀处。113　变幅荷载疲劳和疲劳累积损伤

迄今为止,大部分疲劳试验都是研究等幅荷载下的疲劳问题,然而钢桥在寿命期内承受的是随机变幅荷载,因此必须建立两者之间的关系。虽然众多

学者已经提出了多种疲劳累积损伤计算方法,但目前各国最新版的桥梁疲劳设计规范中,仍采用最简

—

38—　2007年　第4期 任伟平等:现代公路钢桥典型细节疲劳问题分析　

单的M iner 准则,把变幅疲劳换算成等效等幅疲劳。M iner 线性累积损伤法则假定:(1)低于疲劳极限的应力不导致疲劳损伤;(2)大小不同荷载加载顺序的影响忽略不计;(3)临界疲劳损伤D CR =1。2　现代钢桥中的典型疲劳部位

近几年我国修建了多座超大跨径的悬索桥、斜拉桥和拱桥等,在这些钢桥结构中不断出现一些新的结构型式和制造工艺。对于那些结构复杂、构造细节分类不明确,且直接承受动力荷载的新型连接部位,其疲劳性能就需要进行深入研究,以保证结构安全。

211　斜拉桥索梁锚固区

钢箱梁斜拉桥索梁锚固区域是斜索和钢梁的传力连接构造,由于结构形式所限,该区域板件较多,构造复杂,通常要产生非常明显的应力集中,而且要直接承受因车辆荷载、风荷载等而产生的动力效应。因此,索梁锚固区域的板件及板件间连接焊缝的疲劳性能使用现有规范通常难以进行评定,是目前焊接钢桥疲劳研究的难点和重点之一。

从国内外来看,许多大跨径钢斜拉桥修建时都对该锚固区域的疲劳性能进行了研究或疲劳试验。主跨890m 的日本多多罗大桥在设计中除了对索梁锚固区进行理论分析外,还进行了1∶1的模型试验,以检验结构的安全性和设计计算的可靠性;国内的南京长江二桥、广东　石大桥和图3所示的苏通长江大桥、安庆长江大桥以及湛江海湾大桥等都对索梁锚固区进行了专门的疲劳试验研究。

从疲劳试验的结果来看,如果构造细节设计合理,在保证加工制造工艺的情况下,几种常用的索梁锚固结构疲劳性能均能够满足使用寿命的要求。但是,目前对这种结构的试验研究还存在如下问题:(1)多为工程验证性试验,大多不能用来进行理论分析;(2)对复杂焊接结构疲劳性能的分析,还缺乏有效的分析手段;(3)锚拉板式锚固结构中,受拉剪组合应力构造细节的疲劳性能,需要进行深入的定性分析等。

为保证这种结构的疲劳性能,设计时需要注意以下问题:(1)几何形状变化引起的应力集中;(2)必须制定合理的焊接制造工艺,特别是操作空间受限时应更加注意控制焊接质量;(3)强制约束和面外变形等引起的次应力。212

　正交异性钢桥面板

图3　典型索梁锚固结构

正交异性钢桥面板以其独特的优点,已成为世界上大、中跨径现代钢桥通常采用(如图4所示)的桥面结构形式。但是,正交异性钢桥面板疲劳开裂的事例已在许多国家的钢桥中出现。关于钢桥面板出现疲劳开裂,最早报道的是英国Seven 桥,1966年建成通车后,分别于1971年和1977年发现了3种焊接细节的疲劳裂纹:(1)纵肋与横梁角焊缝连接处;(2)梯形纵肋下缘与浮运隔板焊接处;(3)纵肋腹板与盖板连接角焊缝。德国的H aseltal 和Sinn tal 桥投入使用后不久,钢桥面板也都发现了疲劳裂纹。此外,日本、美国、荷兰、法国等也都发现了钢桥面板疲劳开裂事例。钢桥面板在我国使用的时间虽然不长,但是已经在某个桥中发现了钢桥面板的疲劳开裂。这些实例表明,对钢桥面板疲劳性能进行系统研究是非常必要的。

正交异性钢桥面板疲劳问题比较突出,主要有以下几个方面:(1)钢桥面板直接承受车辆轮荷载的反复作用;(2)各部位应力影响线长度较短,一辆车经过可能会产生多个应力循环;(3)钢桥面板应力状况比较复杂,并且交叉部位应力集中严重;(4)U 肋与横隔板角焊缝以及许多现场拼接接头的焊接质量不易保证;(5)关于钢桥面板构造细节的疲劳强度数据较少,各国规范对此还没有明确规定。自20世纪70年代起,欧洲、日本、美国等先后对钢桥面板进行

—48— 公 路 2007年　第4期　

了大量的疲劳试验研究,特别是日本对多座钢桥面板进行了现场应力测试和疲劳寿命评估,并在设计规范中明确要求对钢桥面板进行疲劳设计

。

图4　正交异性钢桥面板U 形纵肋连接构造细节

通过大量疲劳开裂实例和试验研究,钢桥面板疲劳性能有如下几个方面需要注意:(1)纵肋与盖板的焊接(焊接方式、未焊透状况、纵肋腹板的加工方式等);(2)纵肋与横梁的连接(该部位应力状况复杂,尤其是横梁腹板,本身处于二向应力状态,孔和焊缝端部又产生应力集中,还要受到纵肋挠曲变形引起的面外弯曲应力等);(3)纵肋现场拼接(特别是全焊连接的疲劳性能取决于焊接技术、焊接质量以及焊接顺序等,日本的本四联络桥、我国南京长江二桥等均对此进行过专项研究);(4)横梁腹板与盖板的焊接等。

213　钢桁桥中横梁与弦杆的连接

钢桁桥中横梁与弦杆的连接方式,从早期的铆接发展到如今的栓接或焊接,由于受载方式及面外变形等因素使该处的疲劳性能一直受到关注,并且众多疲劳开裂的实例也给予了证明。早期美国多座以铆接连接的桥梁在该处出现疲劳开裂,近期我国一座大型钢桥中在该处也出现了普遍性的疲劳裂纹。目前,我国钢梁正处在以栓接为主向以焊接为主发展的重要技术过渡时期,特别是近几年来,为了减轻结构自重,简便现场拼装作业,缩短工期,充分利用工厂制造质量可靠、精度高的优点,钢桁梁中纷纷采用了焊接整体节点。因此,针对横梁与弦杆焊接处的疲劳性能进行研究也是非常必要的。

对于采用焊接整体节点的大跨径钢桁梁,与焊接整体节点密切相关的焊接材料、焊接工艺、各种焊接接头、交叉焊缝以及杆件节点外拼接接头等细节的疲劳强度可能控制结构设计,应引起设计和管理人员的关注与重视。我国的孙口黄河大桥、芜湖长江大桥、图5所示的重庆菜园坝长江大桥以及正在建设的武汉天兴洲长江大桥等,均对焊接整体节点的疲劳性能进行了专门的试验研究

。

图5　重庆菜园坝大桥钢桁梁整体节点与横梁连接构造

214　管结构焊接节点

无论是100多年前就已经出现的空心管桁架桥,还是近些年来在我国得到大量兴建的钢管混凝土拱桥,其中存在的空管-空管、空管-钢管混凝土连接接头的承载力和疲劳性能备受关注。

现代管结构多采用主支管直接相贯焊接的节点构造型式。就空心管结构而言,由于支管的轴向刚度远远大于主管的径向刚度,支主管的相贯线成为整个结构的薄弱环节。该处不仅会出现很高的应力集中,而且又存在有焊接缺陷和焊接残余拉应力。多种不利因素相叠加,使管节点对交变荷载的抵抗能力较低,疲劳裂纹往往起源于高应力区的初始缺陷处,常常在热点应力附近由表面裂纹扩展并穿透管壁,见图6所示,逐步扩展而使节点破坏,导致整个结构承载力的丧失

。

图6　主管与支管相贯线处主管裂纹出现部位

30余年来,国际焊接学会(II W )、

美国焊接学会(AW S )以及欧洲钢结构协会(ECCS ),都对管结构

及其连接进行了大量的试验研究工作,形成了一系列配套完整的规范;日本的“钢管构造设计施工指针”、“钢构造物设计指针”、“道路桥示方书”和“铁

—

58—　2007年　第4期 任伟平等:现代公路钢桥典型细节疲劳问题分析　

道构造物设计标准”等均对管结构的疲劳验算进行了明确规定。近些年来,我国在海洋平台中对空管-空管连接接头进行了大量有效的试验研究,这些都对桥梁管结构的设计有极大的参考价值。但由于国内桥梁设计规范对管结构的疲劳验算尚无规定,因此对管节点的疲劳问题,应该引起桥梁设计者的注意。

215　拱桥短吊杆

2001年我国宜宾小南门金沙江大桥连续桥面

两端的短吊杆先后断裂,如图7所示,局部桥面坠落江中,事后调查分析认为是由腐蚀疲劳所致。原因是由于短吊杆离伸缩缝的距离太近,当桥面在断缝处发生反复的纵向位移时,短吊杆反复发生剪切变形,产生较大的应力幅值,同时由于吊杆封闭设计不合理,造成雨水常年积于其中,加上大气的腐蚀性介质,促使腐蚀疲劳破坏的发生

。

图7　宜宾小南门大桥1号吊杆断裂截面

拱桥中的短吊杆受力非常复杂。由于短吊杆线刚度较长吊杆大,因此要承担更大的活载及制动力;同时由于在温度、制动力等水平荷载作用下,反复发生顺桥向的水平位移,上下两个锚点偏离铅垂线,形成很大的折角,锚点附近索段反复弯曲,容易发生疲劳破坏。此外,锚头附近吊杆护套损坏、钢丝锈蚀等不利因素也应予以考虑。

此外,大量的研究表明,短吊杆比长吊杆的固有频率高。在同样荷载作用下,短吊杆比长吊杆受动荷载冲击影响要大得多,有时甚至是2倍以上,这会导致构件应力幅增大,对疲劳性能产生不利影响。3　防止钢桥疲劳破坏的方法

如何提高钢桥的抗疲劳性能,保证钢桥长期安全使用是摆在桥梁工作者面前的重要研究课题。国内外众多学者,通过理论分析、试验研究和现场调

研,已经对多种疲劳性能较差的构造细节提出了很好的改进方法,对有效防止钢桥构件的疲劳破坏收到了很好的效果。对焊接钢桥而言,良好的构造细节和有效的焊接后处理措施将提高接头疲劳寿命,是抵抗结构疲劳破坏的重要手段。在设计中,一般应遵循以下原则。

(1)拉应力是应力腐蚀发生的主要条件之一,控制和降低重要构造细节的拉应力是防止疲劳破坏的最有效措施。

(2)构件间的连接尽量避免刚度突然变化,以减少由几何形状所产生的应力集中。

(3)避免高装配应力和残余应力,减少冷加工,严格控制受拉构件的冷弯、冷剪工艺。

(4)优先采用对接焊缝,尽可能不用角焊缝。承受反复应力的焊缝宜采用连续焊缝。使焊缝(焊趾、焊根和焊缝端部)位于低应力区,使缺口效应尽量分散。

(5)尽可能不采用偏心连接,避免不必要的附加应力。

(6)对部分构造细节,经焊后处理可大幅度提高名义应力,必要时可以采用。

(7)在特别危险部位以螺栓接头、锻造连接件或铸造件替代焊接接头。

(8)注意结构构造细节设计,尽量避免连接件间存在缝隙,消除易于造成水和污物聚集的死角,以避免腐蚀和应力腐蚀。4　结语

认识现代公路钢桥典型构造细节存在的疲劳问题,分析影响钢桥疲劳的各种因素,掌握防止钢桥疲劳破坏的方法,不仅可以有效地防止钢桥疲劳破坏事故的发生,而且对提高我国现代钢桥的设计和制造水平也具有非常重要的意义。但是,与目前国际的研究水平相比,我国在钢桥疲劳方面的研究还比较滞后,特别是相应设计规范在这方面的研究还亟待进一步完善。分析现状,我国钢桥疲劳研究中还存在如下一些问题。

(1)应尽快制定符合我国国情的公路桥梁疲劳荷载谱,这对钢桥疲劳设计和寿命评估具有非常重要的意义。

(2)制定更加符合实际的钢桥构造细节分类,以指导钢桥疲劳强度评定。

(3)对大型复杂焊接结构的新型构造细节进行

—68— 公 路 2007年　第4期　

系统深入的试验研究,以便为后续类似设计提供科学指导。参考文献:

[1]　J W 费希尔1钢桥的疲劳和断裂-实例研究[M ]1北

京:中国铁道出版社,19891

[2]　Barsom J M ,Ro lfe S T 1F racture and Fatigue Contro l

in Structures :A pp licati ons of F racture M echanics [Z ].Am erican Society fo r T esting and M aterials (A STM ),W est Conshohocken ,PA 11999.

[3]　钱冬生1钢桥疲劳设计[M ]1成都:西南交通大学出版

社,19861

[4]　英国标准学会1钢桥、混凝土桥及结合桥(英国标准

BS 5400)[M ]1成都:西南交通大学出版社,19871[5]　美国各州公路和运输工作者协会1辛济平,等译1美国

公路桥梁设计规范[M ]1北京:人民交通出版社,

19971

[6]　日本钢结构协会1钢构造物疲劳设计指针及解说[Z ]1

19931

[7]　ECCS 欧洲钢结构协会1钢结构疲劳设计规范[M ]1西

安:西北工业大学出版社,19891

[8]　童乐为,沈祖炎,等1城市道路桥梁的疲劳荷载谱[J ]1

土木工程学报11997,30(5)1

[9]　陈惟珍,G A lbrech t ,D Ko steas 1钢桥焊接构件疲劳寿

命预测[J ]1同济大学学报12001,29(1)1

[10]　金增洪,编译1日本多多罗大桥简介[J ]1国外公路,

1999,19(4)1

[11]　任伟平,强士中,李小珍,李俊1斜拉桥锚拉板式索梁

锚固结构传力机理及疲劳可靠性[J ]1土木工程学报,2006,39(10)1

[12]　李小珍,蔡婧,强士中1大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚

固结构型式的比较研究[J ]1土木工程学报,2004,37

(3)1

[13]　Y Edw ard Zhou 1Fatigue P roblem s in steel B ridge

Structures [Z ]1P roceedings of the 2004Structures Congress 2Building on the Past :Securing the Future ,2004.

[14]　Conno r R J 1A

Comparison of the

In 2service R esponse of

an O rtho trop ic

Steel D eck w ith

L abo rato ry and D esign A ssump ti ons [Z ].Ph 1D 1

D issertati on ,L eh igh U niversity ,2002.

[15]　铁道部大桥工程局1孙口黄河大桥技术总结[M ]1北

京:科学技术出版社,19971

[16]　李俊,李小珍,任伟平,强士中1轨道横梁与整体节点

连接的疲劳试验[J ]1西南交通大学学报,2006,41

(3)1

[17]　范文理1管结构节点疲劳设计[A ]1第十四界全国桥

梁学术会议论文集[C ].20001

[18]　Paul J C 1U lti m ate R esistance of U nstiffened

M ulti p lanar T T and KK 2Jo ints ,J 1Struct 1Engrg [J ]1A SCE ,1994,120(10).

[19]　钱冬生1科学地对待桥渡和桥梁[M ]1北京:中国铁

道出版社,20001

Fatigue Problem s of Som e Typ ical D eta ils

i n M odern Steel H ighway Br idge Structures

R EN W ei -p ing ,L I X iao -zhen ,L I J un ,W E I X ing ,Q IAN G Sh i -zhong

(Schoo l of C ivil Engineering ,Southw est J iao tong U niversity ,Chengdu 610031,Ch ina )

Abstract :Fatigue is one m ain facto r that can reduce the du rab ility of steel b ridges .T he fatigue p erfo r m ance of som e details in steel b ridge structu res shou ld be taken in to accoun t du ring design ,con structi on and m ain tenance .

T he fatigue load spectrum and fatigue dam age accum u lati on ru le are

discu ssed ,and som e suggesti on s fo r the fatigue analysis p resen ted .O n the basis of fatigue test resu lts fo r som e i m po rtan t structu ral details ,fatigue p erfo r m ance of som e new structu res in long 2span steel h ighw ay b ridges bu ilt in recen t years in ch ina is studied .

F inally ,som e m ethods fo r p reven ting m odern steel

h ighw ay b ridge structu res from fatigue failu re are summ arized .

Key words :

steel b ridge fatigue ;

fatigue load spectrum ;

cab le 2beam ancho rage ;w elded gu sset ;

steel b ridge deck ;tubu lar jo in t ;

sho rt hanger cab le

—

78—　2007年　第4期 任伟平等:现代公路钢桥典型细节疲劳问题分析