钢桥疲劳汇总(共35页)

1、钢桥的疲劳(plo)分析(fnx)目录(ml)一、钢桥疲劳的基本概念二、钢桥抗疲劳设计原理三、钢桥抗疲劳设计方法四、钢桥抗疲劳的构造细节五、正交异性钢桥面板的疲劳问题的讨论一、钢桥疲劳的基本概念疲劳破坏定义： 疲劳破坏是材料在低于强度极限的反复荷载作用下，由于缺陷局部微细裂纹的形成和发展直到最后发生脆性断裂的一种破坏。疲劳破坏的过程钢材疲劳破坏过程：裂纹形成裂纹扩展迅速断裂。钢结构疲劳破坏过程：裂纹的扩展迅速断裂。（钢材内部结构不均匀和结构应力不均匀引起）对比可知：由于实际构建的多重因素，使得钢结构的疲劳复杂化疲劳破坏必要条件： eq oac(,1)存在拉应力； eq oac(,2)应力反复；

2、 eq oac(,3)产生塑性变形。 疲劳破坏和脆性断裂破坏的区别都为脆性断裂，但疲劳裂纹出现到断裂有相当一段稳定发展期;承受着反复荷载;断口呈波纹状。疲劳(plo)破坏产生的原因钢桥在反复交变(jio bin)荷载作用下，先在其缺陷处生成一些极小的裂痕，此后这种微观裂痕逐渐发展成宏观裂缝，试件截面削弱，而在裂纹根部出现应力集中现象，使材料(cilio)处于三向拉伸应力状态，塑性变形受到限制，当反复荷载达到一定的循环次数时，材料终于破坏，并表现为突然的脆性断裂。疲劳强度的影响因素 = 1 * GB2 * MERGEFORMAT 疲劳强度的主要影响因素是材料、内部结构与外部因素等，而与钢材的静力

3、强度无关（但与钢材的质量有关）。 内因： eq oac(,1)钢材材性：钢材性能、构件尺寸、结构表面状况 eq oac(,2)结构构造：结构形式、构件连接形式和构造细节 外因： eq oac(,1)应力幅值，应力循环特征值 eq oac(,2)荷载循环次数 eq oac(,3)环境：接触疲劳、高温疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳，应力状态 = 2 * GB2 * MERGEFORMAT 疲劳强度的测定，主要是通过从小试件到大型构件实物疲劳试验，获得疲劳性能的真实数据，最终确定相应使用荷载环境下的强度。疲劳的分类（1）荷载疲劳、畸变疲劳 （2）高周疲劳、低周疲劳 （3）接触疲劳、微动磨损疲劳（4）腐蚀疲劳

4、、热疲劳 （5）随机疲劳、静疲劳低周疲劳 当每次荷载循环中材料经受(jngshu)的应变超出了弹性范围，发生疲劳破坏所对应的循环次数相对较小，这就是低周疲劳。腐蚀(fsh)疲劳 环境介质导致(dozh)或加速疲劳裂纹的萌生或者扩展即称为腐蚀疲劳。热疲劳 在材料和结构中，由温度梯度和不均匀膨胀的循环变化产生的循环热应力和应变所导致的疲劳损伤。接触疲劳 构件在循环接触应力作用下，产生局部永久性累积损伤，经一定的循环次数后，接触表面产生麻点，浅层或深层剥落的过程。二、钢桥抗疲劳设计原理2.1概述传统的计算方法是根据小尺寸试件的实验室加载结果，确定出某种细部的常幅疲劳强度和寿命的关系曲线，即SN曲线，

5、然后根据验算断面上的应力比，用强度设计所用标准荷载来加以折算。然而，这种方法存在不少问题。首先，通过研究认识到，在焊接结构中，与钢材疲劳强度直接相关的因素不是应力比=minmax，而是应力幅；而且由于桥梁结构中的实际应力重复并非常幅循环，而是变幅循环，因此，需要在对钢桥的疲劳破坏的原因有更深刻的了解基础上，制定更能符合实际情况的折算规律。基于断裂力学原理的分析方法在钢桥的疲劳研究中发挥了重要的作用，它为传统的经典的疲劳分析方法提供了有力的理论根据和补充。该方法的最大特点是可以根据初始存在的裂纹来及确定断裂时所具有的剩余疲劳寿命，还可以判定初始裂纹在给定的应力状况下是否扩展，故对焊接结构的疲劳分

6、析收到了良好的效果。2.2疲劳(plo)应力疲劳荷载：桥梁结构在使用过程(guchng)中所承受的车辆荷载、人群荷载、风荷载以及地震荷载等变化着的荷载。疲劳(plo)应力：由疲劳荷载所引起的相应的应力。把荷载和应力随时间变化的历程则分别称为荷载谱和应力谱。最简单的应力谱是常幅的，与常幅相对的是变幅应力谱。2.3常幅疲劳强度常幅交变应力下疲劳检算原理应力比准则：适用于常幅交变应力作用下的构件的疲劳检算。分析方法：根据应力比系数：=minmax利用试件（一般是小试件）进行疲劳试验，在N =200万次循环荷载作用下，确定疲劳破坏强度max。由于应力比系数变化，可利用谷德曼图来确定不同应力比系数下的m

7、ax。Goodman 图现行(xinxng)的钢桥疲劳计算，即沿用(ynyng)常幅疲劳强度的计算公式有：式中：构件验算截面出因主力组合(zh)（恒载、车辆荷载、冲击力 及离心力等）而产生的最大应力或效应；疲劳容许应力或称材料疲劳抗力，系按常幅疲劳试件在N=2106次重复应力时的疲劳强度并取一定的安全系数所得者；=0时的材料疲劳抗力；KGoodman疲劳图中疲劳强度曲线的斜率。这种理论存在的问题：首先，疲劳的计算应力同实际相差较大； 其次，对于受局部荷载的杆件在设计基准期内经历的应力循环次数远大于2106次，这无疑将直接影响到对杆件疲劳寿命的准确评估；再次，在焊接试件中，细部的疲劳强度和应力幅

8、=max-min有关，而同应力比无关，同样随着试件尺寸的增加，同样细部的疲劳却有大幅度的下降。应力(yngl)比疲劳(plo)检算原则适应(shyng)范围：常幅应力作用下的铆接、栓接结构。在焊接结构中，由于焊接残余应力的存在，采用应力幅准则检算疲劳比较符合实际情况。应力幅疲劳检算准则:=max-min式中： max为构件最大拉应力； min为构件最小应力。 对于焊接结构，由于存在焊接残余应力，宜采用应力幅检算疲劳强度原因为：max=fy，最大拉应力是从fy开始下降到fy-。无论何种应力比，只要应力幅相等，不论其平均应力有无差异，名义最大应力是否大小一样，其疲劳强度均相同。2.4变幅疲劳强度钢

9、桥疲劳属于变幅、低应力、高循环长寿命的疲劳范畴，对于这种在变幅重复荷载作用下的疲劳强度（或使用寿命）计算，Miner于1945年发表的“线性积伤律”准则，为钢桥的疲劳分析奠定了基础。该准则为疲劳破坏所制定的条件为：式中：ni应力幅i作用的次数； Ni用i作常幅应力循环试验时的疲劳破坏次数。表达式的Miner准则认为，变幅疲劳中各个应力幅i所造成的损伤可用niNi来定量表示，切可以线性叠加。则对任意构件在变幅应力循环的作用下的损伤度可定义为：D=niNi当DL，还是会使裂纹有所扩展的。所以，这种低应力幅的损伤作用实际上是存在的。其中，所谓的“等效应力幅0”的概念是把几种变幅等效成等幅，并且具有相

10、同的损伤度和相同的循环加载次数。2.5 SN曲线在不同应力幅 （或不同的最大应力 max）的常幅应力进行疲劳试验，测出试件断裂时对应的疲劳寿命N，得到关系式：N=C-mlg（或max）为纵坐标， lgN横坐标做出两者对应关系的曲线（接近直线），称为SN 曲线。SN曲线的数学表达公式N=C-mlgN=lgC-mlglg=1m(lgC-lgN)式中：N疲劳循环(xnhun)次数；1/mSN曲线(qxin)的斜率；lgCSN曲线(qxin)的横坐标的截距；1/m， lgC跟材料有关常数 。2.6 疲劳极限的概念 定义：一般情况下，交变应力值越高，疲劳破坏时应力循环次数越低，疲劳寿命越短。疲劳寿命无穷

11、大时的最大交变应力值称为疲劳极限，小于该交变应力区段的荷载也不会造成疲劳破坏，即所谓门坎值问题。2.7荷载谱与应力谱2.7.1荷载谱和结构的静力设计不同，钢桥疲劳设计所采用的荷载不应是按最不利荷载情况采用强度设计时的标准活荷载，而应考虑采用经常作用的各种实际的车辆荷载，从而计算它们所引起的各种累积损伤。为此，需要研究活荷载的频谱值，也称荷载谱。荷载谱定义： 即是将设计基准期内桥梁构件所经历实际运营荷载（或运营荷载与标准活载的比值），按其大小及出现次数全部开列出来即为荷载谱，也称活载频值谱。荷载谱的制定，原则上应将设计基准期内通过桥梁的每一类车型按不同形状的影响线计算出相应的内力历程，然后再将所

12、有的内力历程予以累计，就得到所需要的荷载谱。为表示方便起见，一般另外再用标准活载对同样的影响线计算出标准荷载所产生的内力，而营运荷载的大小则用营运活载的内力与标准活载的内力之比表示。由此可见，荷载谱的形状随影响线的形状（长度、顶点位置等）、运量、车辆编组、车辆等因素而异。当然，要将在设计(shj)基准期内（100年或120年）通过桥梁的每一列（组）车都按不同形状的影响线计算出相应的内力历程，这实在太繁琐了，既不必要，也不可能。由于一条线路上，特别是铁路上通过的车辆还是有一定规律的，即便是公路，若通过一定的统计分析，仍可找到一些规律性的数据，因此，实际上可以将营运荷载(hzi)用几种“典型列车编

13、组”、或称“标准营业车”来代表。各典型(dinxng)列车或标准营业车出现的次数也根据与实际营运荷载等效的原则来确定。上述“典型列车编组”或“标准营业车组”用作疲劳验算时又称之为“疲劳车”。这样只计算“疲劳车”的内力历程并乘以其出现的累计次数，再总加起来，就可以得到所需要的荷载谱。2.7.2各国规范对疲劳荷载谱的规定1 英国BS5400公路疲劳荷载谱由于英国的赛文桥是世界上首个发现疲劳破坏的正交异性板钢桥，因此英国也是对桥梁疲劳早期进行研究的国家之一，而BS5400钢桥、混凝土桥及结合桥的第十篇一疲劳设计实用规则也是各国疲劳荷载规范中最为深人和全面的。BS5400中提出了两种疲劳荷载谱，分别为

14、:标准荷载频值谱;标准疲劳车荷载谱。1.1标准荷载频值谱标准荷载频值谱是在英国干线公路上所记录的不同类型的车辆以及其出现的频率，通过整理和归类所得出来的荷载谱。荷载谱中运营车的最小轴重为30kN，默认总重在30kN以下的车辆活载不会产生疲劳破坏效应。典型营业车的荷载频值谱如表 1所示。 1.2标准疲劳(plo)车荷载谱由于典型车辆标准荷载谱中运营车辆较多，计算数据大，因此对不同的车辆型号对常遇到的影响线进行分析(fnx)，得到不同车辆所造成的损伤度。经过分析发现，4A-H所造成的损伤度比例最大，因此，便以该型号为基础，提出了标准疲劳车。标准疲劳(plo)车为一四轴单车，轴重均为80kN，总重为

15、320kN。标准车示意图如图1、图2所示:2欧洲(u zhu)规范EC1中所规定的疲劳疲劳荷载谱欧洲疲劳规范了5种不同的疲劳荷载(hzi)模型（Fatigue Load Modle,简称FLM），现将五种模型逐一(zhy)列举出。（1）疲劳荷载模型一该种疲劳荷载模型对集中荷载的折减系数为0.7，均布荷载的系数为0.3。数为0.3。该种疲劳荷载模型经常需要进行修正，否则计算出来的结果会过于保守。采用此种疲劳荷载模型的最大应力以及最小应力值的确定，应当将以上荷载根据所计算桥梁的可能加载位置进行加载。（2）疲劳荷载模型二疲劳荷载模型二采用一系列的理想加载车成，共有5种货车形式，加载车辆的轴数、轴距轴

16、重以及车轮形式如表3所示。(3)疲劳荷载(hzi)模型三此类型疲劳荷载采用一辆4轴的理想货车作为(zuwi)加载车辆，疲劳车的轴重为120kN，车轮的压力面采用0.4mX0.4m的正方形面积。（4）疲劳(plo)荷载模型四疲劳模型4包括5种不同形式的标准疲劳货车，这五种组合车辆所产生的疲劳效应可以与欧洲(u zhu)典型交通公路的实际疲劳效应相等效。而货车的类型以及每种货车所占的比例可以根据具体的工程项目进行调整。疲劳荷载模型四的加载过程采用每种疲劳货车分别(fnbi)进行单车加载，不考虑多车效应，并采用雨流计数法或泄水法对每种疲劳货车的损伤度进行计算。（5）疲劳荷载模型五疲劳荷载(hzi)模

17、型五采用所记录(jl)的交通数据进行总结模拟，一种适用于所针对桥梁的疲劳荷载谱。这种方法最为准确。五种(w zhn)疲劳模型所适用的的条件是不同的，规范中对疲劳荷载模型的应用有如下的规定：疲劳荷载模型一与疲劳荷载模型二主要用于确定在常幅疲劳荷载作用下，结构的疲劳寿命是否能够满足设计要求，而第一与第二类模型也只能用于钢结构，而不能用于其它材料的桥梁结构。并且，疲劳模型一包含了多车效应，相对于疲劳模型二更为保守。疲劳模型三、四、五主要是基于欧洲规范所提出的疲劳强度曲线对结构的疲劳寿命进行评估，不能验证结构的疲劳强度是否能够满足设计年限的要求。因此疲劳模型三、四、五不能与疲劳模型一、二的计算结果进行

18、数值对比。当年交通量的影响以及桥梁宽度的影响可以用一个与材料相关的系数e进行表示时，可以采用疲劳荷载模型三进行简化计算。当多车效应的作用可以忽略时，疲劳荷载模型四比疲劳荷载模型三的计算结果更为精确。疲劳荷载模型五采用现场实测的数据来进行疲劳计算，是最佳选择。3 AASHRO LRFD规范美国AASHTO LRFD所规定的疲劳荷载的规定如图8所示，所采用的一辆HL-93的货车，特殊的是两145kN的后轴的轴距为恒定的9m。AASHTO LRFD规范(gufn)中所规定的疲劳车的荷载次数应采用单车道的货车日交通量(以ADTTSL表示)，该频率应当作用于桥梁的全部构造，在没有更可靠的资料的情况下，单

19、车道的货车日交通量的取值有如下规定：ADTTSL=pADTT其中(qzhng)，ADTT为设计寿命期间的单方向(fngxing)货车日交通量，p的取值如表6所示值得注意的是，LRFD规范中规定，对疲劳荷载应当考虑汽车的冲击力与离心力的作用。4我国学者对疲劳荷载谱的研究工作概述我国学者同济大学的童乐为教授与西南交通大学的任伟平博士也对公路荷载谱进行了研究，所采用的方法均为基于交通量的实测数据进行。不同的是，童乐为教授采用的是现场记录法，对上海某桥梁的交通量进行记录，并利用统计方法得出了荷载频值谱，该荷载频值谱由6种典型的运营车组成。任伟平博士则是通过江苏、河南、山东、四川等地的公路WIM系统(动

20、态车辆重量监测系统)数据进行统计，并针对不同桥型，提出了几种不同的标准疲劳车模型。以上两位学者的研究对今后我国疲劳荷载谱的完善工作具有重要的参考价值。2.7.3应力(yngl)谱与应力历程(lchng)计算如前所述，荷载谱实际上是内力谱，故原则上只要将荷载谱乘上一些系数（如冲击系数、截面几何特征、反应实际应力与计算应力差异的构造系数等）就可以得到(d do)设计基准期内营运荷载所产生的按大小和出现次数开列的实际应力集合，或称之为“应力谱”。应力谱定义由荷载谱产生构件的应力就叫做应力谱。根据荷载谱计算产生应力历程，计算时须考虑动力的作用，即冲击系数的发大作用和校验系数等；也可以从实测得到应力历程

21、然后根据应力历程，不同应力幅大小及次数的集合，即应力谱。应力历程计算如何统计应力历程中各应力幅的次数的两种方法。雨流法 应力历程转动90度，假想雨水沿应力历程流动，由此统计各应力幅的数量，具体方法如下（1）从古点开始流动的雨水到达峰点时竖直下滴，流到下层屋面并继续往下流，当流到某一层层面遇见一个来源于比本次谷点更低的谷点的雨水，则停止流动。同理，从峰点开始流动的雨水到达谷点时竖直下滴，流到下一层面并继续往下流，当流到某一层面遇见一个来源于比本次峰点更高的峰点的雨水，则停止流动。（2）任何情况下，在某一层层面流动的雨水遇见上一层面屋面流下的雨水，则停止流动。（3）每次雨流的起点和终点作为半个应力

22、循环。雨流法图泄水法统计应力(yngl)历程个应力幅次数(csh)的计算原则（1）镜像同样的应力(yngl)历程图，对称于与竖坐标轴平行的对称轴，将两个最大峰值点5和 用水平虚线相连，把该虚线以下部分图形看作一个水池的横断面。（2）选择最低的谷点泄水。如果有两个或更多相等的最低谷点，则可以选择任何一个谷点泄水，以水面到该谷点的泄水深度作为一次循环的应力幅。（3）对泄不出去的剩余水，重复第二步，直到水池的水全部泄完为止，并将每次泄水深度作为一次循环的应力幅。泄水法图三、钢桥抗疲劳设计方法3.1抗疲劳设计的基本要求：预测整个设计寿命期间完整的荷载序列-荷载谱；计算荷载下结构(jigu)应力状态；绘

23、制各类细部(xb)构造的疲劳曲线；根据(gnj)疲劳检算原则进行疲劳设计。3.2抗疲劳设计的一般方法抗疲劳设计方法一般可分为四大类：无限寿命设计此方法限制应力不超过常幅疲劳极限，保证构件永远不破坏，具有无限寿命。安全寿命设计 此方法根据疲劳曲线下限和疲劳荷载的上限来计算损伤。它提供了一个较保守的疲劳寿命估计，在使用寿命期内，无须对结构实施检测，故该法也成为有限寿命设计法。损伤容许设计此方法通过一个接一个检测环节监视疲劳裂纹增长，一旦疲劳裂纹达到一个预设尺寸，部分构件就要加以修补或更换。此方法适用于应用安全设计方法影响到结构的经济性或细部具有较高的裂纹开裂风险时。显然，此法将带来比安全寿命设计方

24、法较高的结构失效风险。依据实验设计 此法适用于从规范或其它资料中不可能得到必要的承载应力、疲劳强度或裂纹增长的数据时。3.3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安全使用。对于等幅循环应力，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等于或小于等幅疲劳极限。对于变幅循环应力，即随时间变化的不稳定交变应力状态，可按其最大应力幅小于构件的等效等幅疲劳极限强度的条件进行设计，见图9-13。按疲劳极限的定义，当构件的工作应力小于疲劳极限时，构件能够长期安全使用。 无限寿命(shumng)设计方法在英国规范BS5400中的铁路桥疲

25、劳验算中也称为简化法，它适用于对规范(gufn)的构造细部级别并按标准荷载频谱受载的构件。按此方法设计，无需考虑(kol)构件的疲劳损伤度。3.4安全寿命设计安全寿命设计方法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，结构的重量可以比无限寿命设计方法为轻。目前国际上大都采用这种设计思想进行抗疲劳设计。安全寿命设计方法是无限寿命设计方法的直接发展，二者的基本设计参数都是名义应力，其设计思想也大体相同，都是根据细部疲劳的S-N曲线进行设计，所不同的只是无限寿命设计方法使用的是S-N曲线的常幅水平部分，即等幅疲劳极限；而安全寿命设计方法使用的是S-N曲线的左支和考虑损

26、伤累积所引起的疲劳强度下降，亦即有限寿命部分。由于有限寿命的设计应力一般高于疲劳极限，而S-N曲线斜线部分的疲劳寿命各不相同，故安全寿命设计方法不能再象无限寿命设计方法那样只验算最大应力不超过等幅疲劳极限即可，而需要按照一定的累积损伤理论估算总的疲劳损伤。目前在桥梁疲劳设计中都采用Palmgren-Miner提出的线性损伤累积理论。预测的结构营运历程常采用加载序列和频率(pnl)来表达，再分析潜在起裂处的应力历程，某些国家例如英国的BS5400规范，则可以通过典型车辆(chling)或列车的加载获得相应的应力谱。采用安全寿命设计(shj)方法的条件是：构造细部的疲劳强度曲线必须已知，含潜在起裂

27、处构件的制造质量要符合疲劳分级的定义。应用安全寿命设计方法的计算过程如图9-14所示：(1)得到一个设计寿命期内运营受载序列的上限估计;(2)计算在潜在起裂处的应力历程;(3)采用计算应力，即名义应力时，要用一个适当的应力集中系数修正几何应力集中区的影响;(4)采用计数法(如雨流法)将应力历程变成不同的应力幅i和相应的循环次数ni;(5)按应力幅i递减排列形成应力谱;(6)对照构造细部分级,对相应的细部等级和应力幅i找出使用极限Ni;(7)使用Miner规则计算总损伤D：D=niNi (1)(8)计算安全寿命Ts Ts=TLD （2）式中：TL为设计寿命 (9)如果TSTL,即设计不满足要求时

28、,可以进一步作如下选择: eq oac(,1)重新设计构件,以减少应力水平; eq oac(,2)改变细节设计,使其具有一个较高的疲劳等级; eq oac(,3)采用损伤容限方法设计。3.5损伤(snshng)容许设计 使用损伤容许设计(shj)法的前提是： 裂纹(li wn)起始于或贴近表面； 所在潜在起裂处设计寿命内的损伤Dl超过1； 在维护手册或养护操作规程中要指明裂纹位置并在预设检测间隔中间考虑一次漏检，即Ti0.5Tf式中：Tf从可探测裂纹ld到临界长度lf的时间，见图9-15。 表面裂纹的最小暴露长度ld考虑了探测可能性、裂纹位置、可能的表面条件和检测方法，见表9-6。 在计算(j

29、 sun)Tf时采用断裂力学原理。此时裂纹形式可简化为表面半椭圆形和埋藏的椭圆形。在交变应力作用下,裂纹前沿(qinyn)在深度方向的扩展速率可用Paris公式可按下式计算:dadN=A(K)m=A(Ya)m式中：a中心穿透裂纹半长、边裂纹（穿透板厚）长度(chngd)或表面裂纹深度；A循环次数N与应力幅曲线的比例常数（和材料有关）；m裂纹扩展速率曲线以及应力幅-循环寿命曲线的指数（和材料有关）； dadN疲劳裂纹扩展速率：K应力强度因子幅；Y几何修复因子，它取决于裂纹形状与方向、细部的几何边界条件和受力形式，对于简单的情形，其表达形式可从应力强度因子手册中查找，对于复杂几何细部，可采用有限单

30、元方法计算；钢板的应力强度因子如图9-16所示；若裂纹发生在焊趾处，则需再乘上一个放大系数Mk以考虑局部应力集中问题。对于一般性的变幅应力(yngl)作用,必须(bx)象安全寿命设计(shj)方法一样计算应力谱,但必须至少拆成10个相同的序列,即每级应力幅的循环数至少分成10份。并将应力序列从大到小排列。对每级常幅应力循环,裂纹增长计算采用与应力比相应的裂纹增长曲线,见图9-17。若裂纹位于焊接区,除非残余应力确切已知,否则,应该采用在高应力比(=0.8)或常值应力强度因子下的裂纹增长曲线。裂纹ld增至 lf的应力循环数可以通过下面公式的积分求出：N=ldlfdaA(Ya)m此公式即为裂纹扩展

31、阶段的疲劳寿命计算式。对于日常的钢桥养护，则需要考虑下列情况:测到裂纹小于ld时,则不需修补。测到裂纹大于ld时,确定不加修理时的安全寿命,增加有问题处的检测频率。测到裂纹超过lf时,结构应立即退出工作。3.6通过试验(shyn)设计如果不具备足够的疲劳强度或裂纹增长数据和受载历程不确切(quqi)以及构造细部过于复杂等情况,则必须依据(yj)疲劳试验的结果进行抗疲劳设计。当然，通过试验来验算设计细部的疲劳强度,可作为上述设计方法的替代方案，但试验必须用完整的原型或构件中的细部部分,它的材料、细部尺寸和制造方法也应与原型相符合。3.7结论以上讨论了钢桥抗疲劳设计理论的新发展,但在实际应用中还要

32、注意以下几点:(1)安全寿命设计方法是以截面名义应力计算的,对于复杂结构必须采用有限元方法进行应力分析。(2)在设计中必须详细说明设计细节的制造质量要求,诸如连接不完善的界限值以及相应的探测方法和探测范围。(3)在应用断裂力学方法计算疲劳寿命时,裂纹展模拟必须考虑到各种不利因素,比如残余应力、热影响区的材质变化等因素。(4)在设计时必须考虑设计对象所处环境对疲劳强度的影响。(5)对新的疲劳实验结果加以收集,供以后疲劳设计使用。四、钢桥抗疲劳的构造细节4.1现代钢桥中典型的疲劳部位：斜拉桥索梁锚固区、正交异性钢桥面板、钢桁桥中横梁与选杆的连接、管结构焊接节点以及拱桥短吊杆连接等等。4.1.1斜拉

33、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。为保证这种结构的疲劳(plo)性能, 设计(shj)时需要注意以下问题:(1) 几何形状变化引起(ynq)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。4.1.2正交异性钢桥面板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

34、在许多国家的钢桥中出现。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。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(i bn)的焊接(焊接方式(fngsh)、未焊透状况、纵肋腹板的加工方式等);(2) 纵肋与

35、横梁(hn lin)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); (4) 横梁腹板与盖板的焊接等。4.1.3钢桁桥中横梁(hn lin)与弦杆腹板的连接钢桁桥中横梁与弦杆腹板的连接(linji)方式, 由于(yuy)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。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

36、强度可能控制结构设计, 设计计算时应引起注意。4.1.4管结构(jigu)焊接(hnji)节点现代(xindi)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支管的径向刚度, 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,见图所示, 逐步扩展而使节点破坏, 导致整个结构承载力的丧失。4.1.5拱桥(gngqio)短吊杆拱桥中的短吊杆受力非常复杂。由

37、于(yuy)短吊杆线刚度较长吊杆大, 因此(ync)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。4.2提高钢桥焊接细节疲劳强度的方法：在焊接钢桥的设计和制造过程中，某些疲劳强度较低的细节有时难以避免，若采取增大

38、构件断面降低其名义应力的方法，来确保其疲劳寿命，从技术和经济角度来看是不合适的，特别对于目前趋向使用高强度钢材的情况更是如此。因此采用一定的措施来提高这些焊接细节的疲劳性能对于现代焊接钢桥的进一步发展具有重要的经济意义。近些年来，人们已经研究出了多种提高焊接细节疲劳寿命的方法，概括起来分为三类：一是改善结构细节的几何形状，减小结构的几何应力集中（砂轮磨修、TIG重熔等）；二是在容易产生裂纹缺口的位置预制残余压应力，或者消除有不利影响的焊接残余拉应力（锤击、超声波冲击等）：三是覆盖特殊涂层，防止腐蚀介质的不利影响（涂装油漆、复合材料等）。4.3防治(fngzh)焊接钢桥疲劳破坏的方法：拉应力是应

39、力腐蚀发生(fshng)的主要条件之一, 控制和降低重要构造(guzo)细节的拉应力是防止疲劳破坏的最有效措施。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。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。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。尽可能不采用偏心连接, 避免不必要的附加应力。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。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。注意结构构造细节设计, 尽量避免

40、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。五、正交异性钢桥面板的疲劳问题的讨论5.1 前言正交异性钢桥面板是一种由相互垂直的纵、横向加劲肋和面板焊接而成的钢桥面结构(见图1),目前被广泛应用于国内、外诸多中大型公、铁路桥梁的建设中。相比混凝土桥面板，正交异性钢桥面板具有质量轻、强度高、施工快捷等优点，不足之处是结构柔、变形大、易疲劳，其中易疲劳是正交异性钢桥面板设计中不可回避的重点问题之一。已成为大中跨度的的现代钢桥所通常采用的桥面结构形式，它的疲劳性能也格外令人关注。原因是：钢桥面板疲劳开裂的事例已在许多国家(guji)的钢桥中出现；钢桥面板直接承受车辆荷载

41、的反复作用，各部位的应力影响线长度(chngd)短，车辆引起的应力循环次数比一般部位要多；钢桥面板的应力状况复杂，还有许多现场拼接接头、焊接质量不易保证(bozhng)等问题。5.2国内规范现状我国正交异性钢桥面板的应用起步较晚，但发展迅速。己采用正交异性钢桥面板的大跨度钢桥有肇庆北江大桥、塘沽海门大桥、安康汉江大桥、东营黄河大桥、虎门大桥、宜昌长江大桥、海沧大桥、江阴长江大桥、青马桥、武汉军山大桥、南京第二长江大桥、卢浦大桥、苏通大桥、武汉天兴洲公铁两用长江大桥等。对于正交异性钢桥面板的抗疲劳设计，在我国铁路、公路桥梁规范中均无相关规定，相关研究也鲜见。其设计有参照国外规范进行设计的，有自制

42、标准进行设计的，无相对统一和固定的设计力一法，这导致我国桥梁正交异性钢桥面板抗疲劳设计不够系统和准确。目前在国内已建成的正交异性钢桥面板桥梁中己观察到不同程度的疲劳裂纹，正交异性钢桥面板的疲劳问题有待解决对于正交异性钢桥面板的抗疲劳设计，在我国目前无规范可依，参照何种标准对正交异性钢桥面板进行抗疲劳设计一直是我国桥梁工作者面临的一个问题。为给我国公路桥梁正交异性钢桥面板抗疲劳设计提供参考，对美国公路桥梁设计规范（简称AASHTO)及欧洲规范3:钢结构设计（简称Eurocode 3)中对公路桥梁正交异性钢桥面板抗疲劳设计的相关规定进行介绍，分别从疲劳荷载、疲劳细部分类及疲劳验算公式等三方面对两本

43、规范进行对比，应用两本规范对我国一座公路桥梁的正交异性钢桥面板进行疲劳验算。5.3欧洲(u zhu)、美国规范(gufn)研究 对于正交异性(yxng)钢桥面板的抗疲劳设计，在我国铁路、公路桥梁规范中均无相关规定，而AASHTO及Eurocode 3中均有较成熟和详细的规定，二者互有异同。5.3. 1疲劳荷载 AASHTO中公路桥梁正交异性钢桥面板疲劳荷载为1辆标准3轴货车，轴重为(35+145+145) kN，轴距为(4.3+9) m，每轴2轮，轮距为1. 8 m;Eurocode 3中公路桥梁正交异性钢桥面板疲劳荷载为1辆标准4轴车，轴重为4 X 120 kN，轴距为(1.2+6+1.2)

44、 m，每轴2轮，轮距为2 m。两者均采用1辆车;不同之处是车辆荷载的具体参数取值。5.3. 2疲劳细部分类 对于桥梁钢结构抗疲劳设计，AASHTO和Eurocode 3均是着眼于细节构造，对易发生疲劳破坏的细节构造(称为疲劳细部)进行疲劳评定、统计、归类并分级，试验确定其S-N曲线以指导设计。实际桥梁资料表明，正交异性钢桥面板的疲劳主要产生在以下几个区域的构造细部:纵肋与顶板的连接焊缝区、纵肋与横肋(梁)的连接焊缝区、纵肋对接焊缝区及顶板工地对接焊缝区等。对AASHTO、Eurocode 3中正交异性钢桥面板的疲劳细部分类进行详细的统计、归类并对比后得出:AASHTO、Eurocode 3对正

45、交异性钢桥面板的疲劳细部分类基本一致，不但考虑了构造差异，而且考虑了焊接及加工上的差异;Eurocode 3对于正交异性钢桥面板的疲劳细部分类更全面。由于篇幅原因，仅列出较有代表性的U肋对接及其它2类细部分类(见表1)。表中FTH、NTH、c分别(fnbi)是录自各规范中的原值，而FTHc是为方便比较(bjio)，用Eurocode 3中疲劳(plo)S-N曲线求出的对应加载次数NTH的疲劳强度。比较FTH、FTHc，前2类细部的FTH、FTHc数值略有差异，但后2类细部的FTH、FTHc数值非常接近，这表明对于部分疲劳细部，AASHTO、 Eurocode 3采用的S-N曲线是较接近的。5.

46、3. 3疲劳验算公式 AASHTO正交异性钢桥面板疲劳验算公式见式(1)。YfFn (1)式中，Y为表示疲劳荷载组合的荷载系数; f为疲劳荷载所产生的活载应力幅; Fn为名义疲劳抗力。Eurocode 3正交异性钢桥面板疲劳验算公式见式(2)。 FfE2cMf (2)式中， Ff为外力分项系数，除特殊规定外，一般情况取1. 0 ;E2为200万次应力循环下等效活载应力幅；Mf为重要性系数，一般构件取1. 0,重要构件取1 .15。为方便比较，将两公式(1),(2)按统一形式进行简化，并将各系数量化，简化过程略。式(1)可简化为:1.725fFn （3）将FTH用c表示为： FTH=mc （4）

47、将式(4)代入式(3)得用c表示(biosh)的AASHTO正交异性(yxng)钢桥面板疲劳验算公式:1.725mfc （5）式中，m0.44，0.86; 1.725m2.0，4.0。式（2）可简化为： 1.15maxc （6）式中，max 为等效损伤(snshng)系数最大值，max1.8，2.7，则1.15max2.1，3.1。 在式(5),(6)中， 、f为疲劳外力； 1.725m、1.15max为外力系数；c为疲劳抗力。在不考虑疲劳荷载差异的情况下(即f=)，比较两式可以看出:AASHTO、Eurocode 3两者对正交异性钢桥面板抗疲劳的控制程度相当，外力系数在2以上，其中AASHTO公式外力系数略大，疲劳控制更为严格。图2为跨中、支点处max取值(L为计算跨径)。5.4实例计算分别采用AASHTO、Eurocode 3对我国一座6110 m连续钢箱梁桥梁力一案进行正交异性钢桥面板的疲劳验算。箱梁标准截面如图3所示。箱梁顶板采用正交异性板，纵向加劲肋采用U形闭口肋，高280mm，顶宽300mm，板厚8mm，问距600mm。纵向每2.5 m设顶板小横肋，每