大跨度钢桥中的疲劳与稳定问题(强士中)
桥梁疲劳
钢桥疲劳设计综述桥梁结构中的应力脉动主要是由活载及其引起的桥梁震动所造成的。
应力变动的幅度越大，即使平均应力小于屈服应力也会发生疲劳破坏。
铁路桥梁列车活载比较大，引起的震动也比较大，所以，铁路桥的疲劳问题更加突出。
公路桥中有些应力变化比较大的地方也要注意疲劳问题。
比如斜拉索如果经常发生风震也会发生疲劳问题。
造成疲劳破坏的原因有钢材的材料特性和局部拉应力的集中程度。
外因则是应力反复的循环特征和次数。
因此在计算结构进行疲劳研究时，需要对上述内因和外因做研究。
1.钢桥的疲劳特征钢桥的疲劳一般认为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（按裂纹处理）。
在循环应力作用下，疲劳裂纹始于此处，最终在剩余界面不能承受荷载峰值时构件失效。
疲劳裂纹的扩展近似沿最大主应力的垂直方向，其扩展速率成指数增长，早期增长较慢，占疲劳寿命的大部分。
由于这个原因，要较发现钢结构的裂纹则比较困难。
在设计钢桥时，比较容易发生疲劳裂纹的部位有：焊缝的根部或焊址、倒角、冲孔或钻孔、剪开边或锯开边、高接触压力下的表面、张紧索的根部、材料的不连续处或焊接缺陷、由于机械损伤而形成的刻痕或擦痕。
另外，在荷载具有较高动静比、荷载作用频繁、采用焊接、复杂接头的部位、环境的影响也会引起疲劳。
2.疲劳的分析处理方法疲劳的分析处理方法主要有以下四类：（1）无限寿命设计无限寿命设计方法的出发点是构件在设计应力下能够长期的安全使用。
对于等循环应力，即应力幅和平均应力不随时间变化的稳定交变应力状态，无限寿命设计方法的强度条件是构件的工作应力不小于等幅疲劳应力极限强度。
对于随时间变化的不稳定的交变应力状态，可按最大应力幅小于构件的疲劳应力极限进行设计。
无限寿命设计作为一种简化的设计方法，往往使设计的构件过于笨重。
为了充分利用材料的承载潜能，设计应力水平不断提高，疲劳设计方法也从无限寿命设计进入有限寿命设计阶段。
（2）安全寿命设计安全寿命设计是保证结构在一定使用期内不发生疲劳破坏，因此允许构件的工作应力超过疲劳极限。
大温差地区UHPC在钢桥面铺装中的疲劳性能研究
大温差地区UHPC在钢桥面铺装中的疲劳性能研究大温差地区UHPC在钢桥面铺装中的疲劳性能研究引言：钢桥面是连接公路与桥梁的关键部件，它承担着行车负荷以及大温差环境带来的热胀冷缩应力的作用。
热胀冷缩往往会导致桥面铺装的破坏和损失，因此，稳定的桥面铺装材料具有重要意义。
本研究的目的是评估在大温差地区使用UHPC（超高性能混凝土）作为桥面铺装材料时的疲劳性能。
通过实验和数值模拟的方法，研究了UHPC钢桥面的疲劳寿命和其与温度变化之间的关系。
方法：1. 实验设计通过制备研究钢桥面疲劳性能的试件，来评估UHPC材料的使用可行性。
试件选择常见于实际桥面的矩形形状，通过模拟桥面上车流的加载来模拟实际使用条件。
使用不同频率和振幅的载荷来施加疲劳加载，记录试件的位移和应力响应。
通过多次加载，观察试件的疲劳性能和损伤情况。
2. 数值模拟使用有限元方法对UHPC钢桥面在温度变化下的疲劳性能进行模拟。
建立UHPC材料的本构模型和桥面的几何模型，并考虑温度变化对材料性能的影响。
通过施加温度加载和行车荷载，模拟桥面在实际使用条件下的受力情况。
观察材料的位移、应力和损伤情况，并通过模型进行参数分析，评估UHPC材料在大温差环境下的疲劳性能。
结果与讨论：1. 实验结果实验结果表明，UHPC钢桥面在疲劳加载下表现出较好的性能。
通过观察试件的位移和应力响应，发现UHPC材料具有较高的强度和韧性，能够有效承受疲劳荷载带来的变形和应力。
实验中未观察到明显的疲劳损伤或破坏现象，说明UHPC钢桥面具有良好的抗疲劳性能。
2. 数值模拟结果数值模拟结果显示，UHPC钢桥面在温度变化下的疲劳性能与其热胀冷缩特性密切相关。
温度变化引起桥面的长度变化，产生内应力，从而影响桥面的疲劳寿命。
分析结果表明，随着温度变化的增加，UHPC钢桥面的疲劳寿命逐渐减小。
因此，在大温差地区使用UHPC作为桥面铺装材料时，需考虑温度变化对其疲劳性能的影响。
结论：本研究通过实验和数值模拟的方法，评估了UHPC钢桥面在大温差地区的疲劳性能。
现代钢桥新型结构型式及其疲劳问题分析
ｓｅｉｃｔ ｎ ． ｉ ｌ ，ｉｉａ ｍｍａｉ ｄｔ ｔｏｓ ｒｖｎｉｇｆｔ ｕ ｉ ｒ ｉ ｍｏ ｅ ｓ ｅ ￣ ｄｅ ． ｐｃ ｉ ｉ ｓ Ｆｎ ｌ ｔｓ ｌ ｓ ｆａ ｏ ａ ｙ Ｓ ｕ Ｏ ｒ ｅ ｈ ｍｅｈｄ ｅｅｔ ｉ ｅ ａｕｅ ｎ ｄｍ ｅｌ ｇｓ ｚ ｅ ｐ ｎ ａｇ ｆｌ ｔ
Ｋ Ｙ ＷＯ Ｄ ｓ ｅ ｂ ｄ ｅ Ｅ Ｒ Ｓ ｔ ［ ｒ ｇ ｅ ｉ ｆｔ ｕ ａｉ ｅ ｇ ｆｔ ｕ ａ ａｉ ｅｔ ｄ ｇ ｏ ｃ Ｎ －ｅ ｍ ｃ ｏ ａｅ ａ ｅｂ ａ ａ ｈ ｒ ｎ ｇ ｗ ｌｅ ｉｔ ｅ ｄｊｎ ｄ ｏ ｏｔ ｏｒｐｅ ｔ ［ ｒ ｔ ｉ ｓｅ ｈ ｏ ｅ
这些 特点 可能会 导致 大 型复杂 结构 疲 劳和 断裂 的概
个重 要 问题 。２ ０世 纪 ６ ０年 代 ， 洲 公 路 网得 到 欧
了高速 发展 ， 由于 当 时对 公 路 桥梁 疲 劳 性 能认 识不 足， 在规 范 中没 有规 定进 行抗疲 劳设 计 ， 建造 的钢桥 中出现 了许 多设 计 不 合 理 的 焊接 接 头 ， 随 后 Ｈ益 在
中， 钢桥构件 的疲 劳性 能在设计 时需特 别关注。在 对钢桥疲 劳性能 影响 因素 、 钢桥 疲 劳设 计关键参 数 以及 疲 劳荷
栽分析的基础上 ， 对现 代 钢 桥 中的 一 些典 型 构 造 细 节 的 疲 劳 性 能 进 行 了 分析 ， 对 防 止 钢 桥 疲 劳 的 方 法进 行 了 总 并
ＡＢＳ ＲＡＣｒ Ａ ｕ ｅ ｆｓｅ ｌ ｒｄ ｅ ｄｕ ｉｇ Ｓｍｅｎ ｗｓｔｐ ｓｏ ｔｕ ｔｒ ｎ ｎ ｆｃｕ ｅｐｏ ｅｓｓｗｅｅｂ ｉ ｎ Ｔ ｎ ｍｂ ｒｏ ｔｅ ｉ ｇ ｓｉ ｄｎ Ｏ ｅ ｙ ｅ ｆ ｒｃｕｅ ａ ｄ ｍａ ｕａ ｔｒ ｒｃ ｓｅ ｒ ｕｌ ｉ ｂ ｎ ｓ ｓ ｔ
钢桥疲劳分析
Stress 0
Typical curve for concrete steel reinforcement
Rod
Stress range
2007.02
北京迈达斯技术有限公司
FEA MIDAS
Advanced Nonlinear and Detail Analysis
S-N 曲线
钢桥疲劳分析
Advanced Nonlinear and Detail Analysis
2. 分析步骤
钢桥疲劳分析
1) 首先做结构静力分析确定最大和最小应力的绝对值或者计算von Mises 应力，从而获得应力幅。 2) 当作用应力为变幅时，使用可将各应力幅组成起来的雨流计数法(Rain flow counting)和S-N曲 线计算。
Fatigue damage = 0.9 means: 1,000 load cycles can be applied before fatigue failure.
2007.02
北京迈达斯技术有限公司
FEA MIDAS
Advanced Nonlinear and Detail Analysis
钢桥疲劳分析
MIDAS IT
2007.02
北京迈达斯技术有限公司
FEA MIDAS
Advanced Nonlinear and Detail Analysis
5. 疲劳分析
钢桥疲劳分析
BS 5400中，对钢桥不同构造细节分为9个等级。在本案例中，主要分析U型肋与横隔板相接处的疲
劳效应。该部位为BS5400规范c细节分级。将对应等级参数从表格中选取带入S-N曲线方程式中， 得到该分级的疲劳曲线。
Advanced Nonlinear and Detail Analysis
钢桥梁制造有关问题之八
钢桥梁制造有关问题之八再论正交异性钢桥面板疲劳控制技术----正交异性钢桥面板疲劳细节优化方案探讨张剑峰李军平车平前言正交异性钢桥面板广泛应用于大跨度桥梁中，该类结构在运营过程中出现了大量疲劳裂纹，引起了大家的广泛关注。
近二十年来，国内的多家机构对正交异性钢桥面板的疲劳问题进行了大量研究，力求解决这一难题，并取得了一定的成果。
目前,针对该结构细节提出了多项创新优化方案，其中部分方案已应用于新建项目。
本文就各优化方案再次进行探讨。
1、正交异性钢桥面板疲劳裂纹成因正交异性钢桥面板的疲劳是一个系统问题，外因是反复作用的汽车荷载，内因就是构造细节(包括制造因素的影响)，外因和内因的共同作用从而萌生裂纹。
针对正交异性钢桥面板的疲劳裂纹，国内外多个机构进行了大量的试验研究，研究结果表明，此结构的疲劳裂纹可分为由荷载引起的开裂和面外变形引起的开裂，前者也称为主应力引起的开裂，后者也称为次应力引起的开裂。
[1]1.1 主应力引起的疲劳裂纹正交异性钢桥面板由主应力引起疲劳裂纹的部位不多，主要是U 肋嵌补段对接焊部位，因现场仰焊难以保证焊缝质量,且背面贴钢衬垫的结构细节导致其疲劳等级较低，在车辆荷载作用下，该对接焊缝很容易萌生疲劳裂纹。
根据研究成果，目前已将该部位的连接方式由焊接改成高强度螺栓连接，实桥应用情况良好，其疲劳问题已基本得到解决，在此不予讨论。
1.2 面外变形引起的疲劳裂纹正交异性钢桥面板疲劳裂纹主要集中在U肋与横隔板交叉部位下端(即横隔板弧形缺口)，以及U肋与面板的焊缝部位。
统计数据表明，以上两类疲劳开裂分别约占疲劳裂纹总数的38.2%和18.9%[2]。
究其根源，此两类裂纹均属于面外变形引起的疲劳开裂。
1.2.1 U肋与面板焊缝的裂纹正交异性钢桥面板直接承受轮载反复作用，面板产生如图1所示的结构变形，纵肋与面板连接处承受相互平衡的三个弯矩的共同作用，焊缝两侧力矩交替变化，于是，在焊根和焊趾处产生弯曲次应力，疲劳裂纹便从焊趾和焊根处萌生扩展。
钢桥的疲劳报告
车辆荷载实 地调研统计
典型车荷 载谱
等损伤理论，进行疲劳 致伤计算
疲劳标准 车模型
二 关于我国钢桥疲劳荷载标准的探究
• 2.1 公路桥梁疲劳荷载典型车样式
由于本次研究的目的是推导标准疲劳车辆（应力幅
和循环次数），经研究计算3t一下汽车引起的应力幅值 较小，可以不考虑，所以车辆荷载调查以货车为重点。 目前国内公路桥梁上行驶的车辆类型及基本参数如 下表
二 关于我国钢桥疲劳荷载标准的探究
二 关于我国钢桥疲劳荷载标准的探究
• 由于考虑到我国各地区交通车辆荷载的不同，选 取了东北、西北、东南、西南、华南、中原等地区8 个典型高速公路和桥梁收费站进行了现场的交通荷载 调查。 调查区域特点： 山西运煤车辆较多，就轴重而言可算是全国车辆荷载 的上限，但循环次数少； 河南地处我国的中原地区，轴重和流量均属于中位， 具有一定的全国代表性； 大连、青岛、厦门为我国的沿海地区，集装箱车较多 ，轴重较重，但流量一般，具有沿海地区车辆的代表 性。
参考文献
参考文献
• • • • • 《公路钢桥疲劳设计荷载标准研究》——周泳涛 《公路桥梁标准疲劳车辆荷载研究》——周泳涛 《公路钢桥疲劳荷载谱调查研究》——韩冰 《公路钢桥疲劳车辆荷载研究进展》——岳峰 《钢桥疲劳设计方法研究》——陈惟珍
Thank You！
一 钢桥疲劳的影响因素
• 外因： • 1、应力幅值（焊接构件的疲劳性能） • 2、应力循环次数（桥梁钢结构，一般取循环次数为 200万次时的破坏应力作为钢材的疲劳强度） • 3、温度和腐蚀介质的环境因素
二 关于我国钢桥疲劳荷载标准的探究
目前，对桥梁疲劳验算所采用的荷载一般有三种形式： • 1、车辆荷载频值谱； • 2、一辆标准疲劳车（它是由第1种形式简化来的）； • 3、采用静力强度设计时，标准活载中的一辆重车。 • 上述第1种形式相对最为精确，它是通过对桥梁交通 调查得出的日常各种典型车辆的荷重和出现的相对频 率。
钢桥结构的断裂与疲劳综述
清华大学土木系钢桥结构的疲劳破坏分析XXX 201XXXXXX2014-9《钢结构断裂与疲劳》课程论文钢桥结构的疲劳破坏分析（XXXX，土硕X，学号：201XXXXXX）摘要：随着钢桥设计理论和制造技术的快速发展，国内外钢桥迎来了蓬勃发展的时代。
但同时，钢桥的疲劳问题也越来越引起人们的注意。
本文从国内外研究现状、现存技术问题及研究方法等方面对钢桥疲劳问题进行综合阐述。
关键词：钢桥疲劳寿命焊接节点1前言在20 世纪三十年代以后，随着钢桥设计理论和制造技术的快速发展，国外公路钢桥迎来了蓬勃发展的时代。
虽然我国的公路钢桥发展起步较晚，但是从20 世纪八十年代中期以后，随着国内经济与技术水平的迅速提高，我国大跨度公路钢桥进入了建设的高峰期。
尤其进入21 世纪后，我国快速建成了一批规模进入世界前列的钢桥。
随着钢桥的建设规模记录不断被刷新，钢桥已成为大跨度桥梁的主要形式[1]。
近年来，虽然人们对疲劳断裂问题的研究已有一定的进展，工程师也采取了不少预防措施，但是陆续还是有一些钢桥发生疲劳破坏事故，这说明进行钢桥疲劳破坏分析、预测是十分必要的。
但是这项工作同时也是十分困难的。
本文就目前国内外的钢桥疲劳破坏的相关情况予以综述，让读者更加了解钢桥的疲劳破坏。
2国内外研究现状2.1国外钢桥疲劳问题研究历程及现状人们对疲劳问题的研究历史最早可以追溯到19世纪初[2]。
当时金属材料在交通工具和机械设备中逐渐得到广泛的应用，但其中的一些运动部件时常发生破坏。
这些破坏多发生在部件截面尺寸突变处，而且破坏时的应力远低于材料的屈服强度，这些问题引起了工程师们的关注。
1829年，德国矿业工程师W.A.J.Albert对矿山传送带链条进行了反复加载试验，这被公认为是人类最早的疲劳研究工作[3]。
1837年，他发表了第一篇关于疲劳试验结果的论文[4]。
1843年，苏格兰土木工程师W.J.M.Rankine最早研究发现了铁路机车车轴的疲劳破坏是由裂纹出现和发展造成的。
第1章 桥梁结构稳定理论
加拿大 Quebec bridge事故原因
1）南锚跨靠近主墩的下弦杆的压屈导致 Quebec bridge 的倒塌；
2）钢材采用的的容许应力高于设计规范中钢材的容许应 力；
3）桥梁恒载计算错误，低估了桥梁恒载； 4） 迷信“桥梁专家”的权威，桥梁设计、施工过程中缺
乏必要的监督。
——摘自《Royal Commission Report》
杆件受压失稳，导致桥梁倒塌
Quebec Bridge，第四多瑙河桥，克夫达 敞开式桥 ，莫兹尔桥
风动力失稳，导致桥梁倒塌
Tacoma Narrows Bridge
施工支架压屈，导致桥梁倒塌
温哥华第二海峡桥，巴尔顿桥，科
布伦茨桥，巴帕萨迪纳桥，洛当桥， 洛伊巴斯桥，卡尔德桥；龙泉路高架 桥，焦家湾大桥，龙王滩大桥，深圳 立交桥等
结构 简支跨（半跨）
悬臂跨 锚固跨
恒载估计值 (kN) 21538
58740
59240
恒载实际值 (kN) 25328
70300
77034
误差 （％）
17.6
19.7
30.0
1916年 Quebec桥 第二次事故
加拿大 Quebec bridge
Quebec桥的细部构造
苏联莫兹尔桥
Tacoma bridge 风荷载引起的动力失稳
1.1 稳定理论的发展
澳大利亚 West Gate Bridge
West Gate Bridge 施工过程
Milford Haven Bridge（英国）
加拿大 Quebec bridge
152.4
171.45
205.7
171.45
152.4
英国 Forth bridge