浅析铁路桥梁的钢结构抗疲劳设计

浅析铁路桥梁的钢结构抗疲劳设计
摘要：钢结构具有轻质、高强，抗拉、抗压性能强等优势，因而在我国桥梁建设中应用十分广泛，桥梁是为满足交通功能的建筑物，现代桥梁钢结构由结构钢加上单元经焊（栓）连接组成为复杂的受力系统，有明确的承载安全和服役耐久性要求。

钢结构桥梁整体性能的好坏，与其整体设计密切相关。

本文从抗疲劳的设计角度，对桥梁钢结构展开设计提出若干抗疲劳设计的建议措施。

关键词：桥梁钢结构完整性设计损伤容限
随着我国国民经济的高速发展，钢结构桥梁的建设与应用起着相当重要的作用。

我国铁路运营的桥梁，钢桥已经达到3800座以上，全长300 km以上。

钢结构桥梁的设计中，焊接应用越来越广泛。

钢桥疲劳断裂是结构失效的一种主要形式，由于疲劳失效的钢结构桥梁，越占失效结构的90%。

疲劳一般从应力集中开始，而焊接结构的疲劳又往往是从焊接接头处产生。

因此，焊接接头疲劳的设计是钢结构桥梁设计的关键技术。

本文着重从构造措施上对桥梁钢结构的抗疲劳设计提出建议。

一、钢结构抗疲劳概述
钢材在持续反复荷载下，虽然在其名义应力远低于极限强度，甚至还低于屈服点时，也会发生破坏，这种“积劳成疾”的现象称为钢材的疲劳。

在疲劳破坏之前，钢材构件并不出现明显的变形或局部收缩，和脆性断裂一样，是突然破坏的。

所以对承受持续反复荷载的钢结构必须按其受载次数的多少来决定其强度和安全度。

疲劳的机理是钢材内部及其外表总有杂质和损伤(微观的)存在，在反复荷载下，这些薄弱点形成应力集中，开始产生塑性变形，继而应变硬化，于是在该处首先发生微裂(不是肉眼能见的)。

由于反复应力长期地继续下去，遂使这种微裂逐渐扩大，形成裂纹。

随着裂纹的发展，最后导致断裂。

从疲劳试样的断口上，可以发现裂断情况是一部分呈纤维状(曲线部分)，一部分呈晶粒状组织。

纤维状部分，往往是由最外表一点起始，遂渐向内扩张，这一点便是疲劳裂纹的核心。

在试样长期运转下，这一裂口(核心)是一张一合的(受拉张开，受压闭合)。

因此该处的变形也是时生时停的。

当裂口发展到某一程度时，该截面上的应力超过其晶粒结合力于是发生脆断。

二、引起桥梁钢结构疲劳强度的主要因素
1、残余应力影响
桥梁钢结构所使用的钢材，在冶炼、轧制、焊接等过程中由于热过程不均匀，会产生残余应力，而桥梁钢结构一般只能承受翼缘内周期性压应力，高残余拉应力范围内就会开裂。

残余应力具有利弊双重影响，如果没有掌握残余压应力和拉应力的峰值大小，以及拉应力和压应力的分布区域，那么残余应力很有可能影响钢结构的稳定性，尤其是对焊的桥梁，对构件疲劳强度的影响最为明显。

2、低温冷脆循环作用。

我国哈尔滨的滨洲线松花江大钢桥，77m跨的有八孔，33. 5m跨的有十一孔，是铆接结构，1901年由俄国建造，1914年发现裂纹。

在1927年由苏联人民交通科技委员会试验室做了试验鉴定(同时中长铁路工厂试验段也做了试验)。

现把有关部分摘抄如下: “该桥钢材化学成份为碳0. 04-0. 139%,锰0.14-0.80%，磷0.04-0.14%，硫0.01---0.07，硅痕迹。

板材厚为10-14mm, os=294N / mm2,ob=392. 4N / mmz, δ =21。

这批钢材是由俄国从比利时买进的，是马丁炉钢，脱氧不够。

由于FeO及S增加脆性，特别是金相颗粒不均匀，所以不适于低温加工，其冷脆临界温度为OC，母材冷弯试验在90℃时己开裂，到180℃时也有断的，且钢材边缘发现夹层。

裂纹大部分在钢板边缘或铆钉孔周围成辐射形。

因为这批钢材的冷脆临界温度为00C，而使用时最冷气温为－40 0C，这是造成裂纹的主要原因。

结论:①该桥实际负荷不大;②大部分裂纹都不在受力处;③钢材金相分析后材质不均匀;④各部份构件受力情况较好，所以可以继续使用。

”
3、其他影响
钢材的焊接缺陷、应力幅度、细节构造等在不同程度上也会影响钢结构的抗疲劳强度，譬如在焊接钢材的时候产生气孔和夹渣，会导致应力集中，影响构件的疲劳强度；再如细节构造，不同温度影响桥梁钢结构疲劳强度的因素不一样，低温状态下主要考虑低温冷脆循环作用和疲劳效应，而常温状态下需要考虑焊接缺陷、应力幅、构造细节差异等，另外没有根据引起应力集中的不同程度去统一划分不同细节构造，不仅无法形成影响钢结构疲劳强度的指标，而且结构设计计算结果也不够准确。

二、桥梁钢结构整体抗疲劳设计策略
1、横向抗倾覆稳定设计
钢结构的桥梁普遍比较轻而且强度非常高，然而，在小半径以及多车道设计时，其横向抗倾覆是当前研究的热点内容。

早前的桥梁施工中，由于设计原因，导致在施工过程中或者桥梁使用过程中发生桥体倾覆。

因为连续钢梁的半径比较小，所以相对而言，其跨度显得较大，如果再加上桥面宽于钢梁，这一必定显得活载不是最优，弄不好横梁外侧支座受力增大，而内侧支座出现不受力，这样横梁受力极其不均匀，发生梁体的倾覆。

在设计过程中，通过合理的计算，来设计横梁的偏心受力情况，这样即可满足桥梁的荷载要求，也能似的桥体均匀受力。

在横梁处采取灌砂措施，并在满足规范的条件下，增加多车道时的桥梁整体稳定度。

2、钢结构构件连接疲劳抗力方程式
从可靠性的角度，桥梁钢结构疲劳抗力方程可参考《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10002.2-2005），如下所示。

（1）母材：
（2）横向对接熔透焊缝隙：
（3）高强度螺栓：
（4）留有孔洞的杆件：
（5）横向角度焊缝和板梁竖向加劲肋与腹板连接焊缝端部：
（6）铆接构件：
（7）板梁盖板端焊缝和整体节点：
（8）栓钉：
（9）单面坡口传力焊缝：
3、材料—工艺—细节—损伤的控制方式
(1)控制材料及焊接接头的韧性和强度的合理配合。

减少设计和工艺对结构的硬伤，注重焊接接头焊后处理工艺(焊后修磨及锤击工艺)。

(2)焊接接头区的微观组织、力学性能会发生改变，焊接缺陷导致损伤，不能仅依靠提高母材的质量等级来解决断裂问题。

(3)减小焊缝数量和焊缝尺寸，选择合理的焊接材料与母材组配方式(低组配的使用)。

(4)强化细节决定成败的观点，重视不良焊接细节对桥梁结构安全和耐久性所带来的影响。

(5)由于腐蚀可引发应力腐蚀，因而防腐蚀不再是装饰，而是保证结构安全的需要。

在量化腐蚀程度与承载力和失效寿命的基础上，桥梁钢结构防腐蚀设计应有明确的使用和维修周期。

同时注意结构细节对腐蚀和防腐工艺的影响。

4、设计构造细节的优化
第一，焊接盖板优化，优化设计的方法是打磨匀顺过渡的焊缝，并控制打磨坡度，同时以连续焊缝的方式，减少焊头和锤击长度。

第二，竖向加劲肋优化，具体方法是焊接竖向加劲肋和主梁翼缘，以及控制竖肋和腹板焊缝、竖肋和翼缘焊缝等与翼缘和腹板焊缝的距离，大约为腹板厚度的4～6 倍左右。

第三，平纵联节点优化，一方面是平联节点板与主梁翼缘搭接焊构造优化，将连接板移到腹板受压区域范围等应力比较低的位置，以栓接的方式，连接受拉翼缘，但要根据不同的栓接方式计算翼缘应力，另一方面是减少面外应力作用，根据节点板与主梁腹板是否有竖向加劲肋的情况改善疲劳问题。

结语：
铁路钢桥建设技术已进人了成熟时期,随着中国国民经济的发展,桥梁建设投资的多样性,新型的适应于高速重载铁路的组合结构以及大跨度(300～500m)悬索桥和斜拉桥将得到发展,从而进人国际技术经济合作时期。

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