中国公路铁路钢桥疲劳与国外规范对比

各国规范中的钢桥疲劳汇报：黄嘉瑞韩小宇硕1109班2011.11.13PPT主要内容我国公路钢桥疲劳设计规范公路钢桥疲劳规范的不足具体参照某些部分给出国内外规范的区别现行各国钢桥抗疲劳设计规范具体的抗疲劳设计方法我国铁路钢桥疲劳设计规范

在荷载作用下，钢结构基本构件最常遇到的破坏方式有下列三种：

在二十一世纪的今天，人们对前两者的认识已经相当深刻，工程中的实践经验也相当丰富，对屈服与屈曲的控制能力也大大增强。因此疲劳与断裂就成了引起工程结构和构件失效的最为可能的原因。而各国现行的规范中也对疲劳给于了相当的重视，而随着工程实践和研究的加深，规范也在不断的修订和更新。

现行各国抗疲劳设计规范主要有：

中华人民共和国规范，包括现行的中国公路钢桥规范和中国铁路钢桥规范，1986年9月10日交通部颁布的《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》；1999年10月25日，铁道部颁布的《铁路桥梁钢结构设计规范》。

美国AASHTO规范，《AASHTOLRFD桥梁设计规范》。

英国标准BS5400，《对于焊接钢构造疲劳数据的再分析》。

欧洲规范Eurocode，《Eurocode3：DesignofSteelStructuresPart2：SteelBridges》。各国现行抗疲劳设计规范拉构件的强度破坏(屈服)受压构件的失稳(屈曲)重复受拉或重复拉压构件的疲劳开裂.我国疲劳设计规范（公路钢桥）现行公路钢桥规范：《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025．86）第1.2.17条凡承受动应力的或连接件，应进行疲劳验算，构件疲劳验算强度公式如下。

我国公路钢桥中容许应力的规定可以看出容许应力与应力比ρ和构件的连接类别以及应力形式有关有关。对构件容许应力的类别进行了分级。公路钢桥规范中对构建类别的分级下图是摘自规范的一部分，具体分级见规范公路钢桥疲劳验算第1.2.17条其余规定验算疲劳强度时，可根据桥梁实际行车情况，选取实际经常发生的荷载组合中的车辆荷载进行计算。（应力比ρ则根据车辆荷载组合进行计算）对只承受压力的构件和临时结构物的构件，可不验算疲劳强度。以压为主兼受拉的构件，在验算疲劳强度的同时，还应验算构件总的稳定性。（关于稳定性的验算见第1.2.16条）我国公路钢桥疲劳规范的不足我国现行的公路钢桥规范抗疲劳设计方面有以下几点不足：

仍将应力比作为抗疲劳设计的参数。目前公认的抗疲劳设计应力参数是应力幅，而不是应力比，国内外大量试验都证明了这一点。目前国内外主流规范中，都是将应力幅作为主要参数，所以目前的公路钢桥规范已经脱离了时代。

仍采用以应力比为参数的容许应力法进行抗疲劳设计。目前国内外主流规范中基本都采用基于疲劳可靠度的荷载与抗力系数设计法。未定义疲劳荷载模型。抗疲劳设计中的荷载与强度验算的荷载是不同的，它应该根据一般的交通资料简化而成。目前欧美的规范中都给出了有针对性的疲劳荷载模型。

只有以应力比为参数的疲劳细节分级。如果改成以应力幅表示的疲劳细节等级，原有的细节等级必须完全推倒重来。

其他与抗疲劳设计有关的相关制作规定均为空白。铁路规范有所改善，较之于国外规范就显得比较粗糙，有待完善。2000年2月l同开始实施的《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB1002．2．99)对铁路钢桥的抗疲劳设计进行了全面的修订，反映了一些新研究成果。我国疲劳设计规范（铁路钢桥）4.3.1凡承受动荷载的结构构件或连接，应进行疲劳检算。疲劳荷载组合包括设计荷

载中的恒载加活载。（包括冲击力、离心力）

列车竖向活载包括竖向动力作用时，应将列车竖向静活载乘以运营动力系数（1+μf

）其值按下式计算：

4.3.2双线铁路桥主梁构件，检算疲劳按一线偏心加载，以杠杆原理分配给另一主梁，并以双线系数γd

修正，双线系数γd

应符合下表规定：4.3.3双线铁路桥的横梁及连接横梁的主梁挂杆，按一线最大活载，另一线为80kn/m活载加载，计算疲劳内力。我国疲劳设计规范（铁路钢桥）4.3.4铁路纵梁与横梁布置在同一平面，当纵梁与横梁用鱼形板连接，纵梁可以承受

支点弯矩时，则纵梁跨中弯矩取0.85M，支点弯矩取0.6M，M为按简支梁计算的

跨中弯矩。4.3.5焊接及非焊接（栓接）构件及连接均需进行疲劳强度检算，当疲劳应力均为压

应力时，可不检算疲劳。1.焊接构件及连接疲劳检算公式1）疲劳应力为拉拉构件或以拉为主的拉压构件ρ≥-1。2）疲劳应力以压为主的拉压构件ρ<-1。

我国疲劳设计规范（铁路钢桥）2.非焊接构件及连接疲劳检算公式1）疲劳应力为拉拉构件ρ≥02）疲劳应力为拉压构件ρ<0铁路规范中疲劳容许应力幅[σ0

]的计算TB99第3.2.7给出疲劳容许应力幅的规定，见左图。要想得到容许应力幅，首先我们必须了解构及其连接形式，将在下面给出详细的划分。根据这些构件及其连接方式，我们即可返回去查的他们的疲劳应力福，之后即可验算其疲劳。引出问题既然根据容许应力法，通过查规范各个参数都可以得到，但是ρmin

与ρmax

应力幅怎么算？而且对于变幅疲劳而言，它们都不是定值。修订疲劳规范时应该考虑到的问题设计方法：疲劳可靠性设计：以上参数均只能得到构件是否达到疲劳极限，而不能得到其疲劳寿命，

而可靠性设计即基于疲劳寿命进行研究。疲劳荷载普与疲劳车：对于疲劳设计是两个非常重要的参数，由荷载普得标准疲劳车，

之后便可得到应力历程。疲劳曲线与应力分级：疲劳曲线即所谓的S—N曲线，而每一种疲劳细节类型都有相应

的疲劳曲线与之对应，用于疲劳验算中的容许应力幅。疲劳与稳定的交互作用：对于焊接钢板梁，由于屈曲后产生的出平面位移，运营中会发

生“腹板呼吸”，从而引起腹板、翼缘和加劲肋连接处的疲劳

开裂。需要对这种出平面疲劳作用机理进行研究。无限寿命设计有限寿命设计损伤容许设计通过实验设计应力普与应力历程：由应力历程得到应力普，在通过雨流法得到应力幅，即可进行疲

劳验算。Miner线形积伤规则：构件在某常幅应力水平作用下，循环至破坏的寿命为N，则可定义其在经受n次循环时的损伤为D=n/N。若在k个应力水平下作用下，各经受ni次循环，则可定义其总损伤为疲劳荷载普和结构的静力设计不同，钢桥的疲劳设计所采用的荷载不应是按最不利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，从而计算他们所引起的累积损伤。

为此，需要研究活荷载的频值谱，也称荷载谱。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来表示。

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。虽然钢桥疲劳是由于日常各种荷重的车辆反复作用而引起的累积损伤过程，因此疲劳验算所用的荷载应尽可能与实际相符，但这需要现场交通调查，并在调查的基础上综合预测分析，其工作量很大，故可进一步简化处理。（1）车辆荷载频值谱，通过对公路桥梁的交通调查得出日常各种典型车辆的荷重和出现的相对频率。（2）用几种模型车辆的荷载谱表示原车辆荷载频值谱，即将原谱中各种车辆按相同的轴数合并归类，根据等效的疲劳损伤原理分别将各类别中的几种车辆等效成一种模型车辆。（3）用一辆标准疲劳车来表示荷载谱。即对原荷载谱中各种车辆对钢桥造成疲劳损伤进行分析，以损伤最严重的车辆为蓝本，提炼出一辆标准疲劳车。标准疲劳车标准车具体的推导过程可参考周永涛、鲍卫钢老师的公路钢桥疲劳设计荷载标准研究，也可参照欧美规范，其中都做出详尽的说明。应力普与应力历程根据荷载谱，依次让其中的每一活载从桥的一端驶进桥梁，直至在桥的另一端驶出；对于桥梁的某一验算点，将该活载过桥时在不同位置处的应力算出，再以时间为横坐标，将该应力按时间顺序画出，这就是该活载的应力历程线。从应力历程线推算所需的应力（频值）谱，可以用雨流法或泄水法。雨流法是将一应力历程转动90o

，如图

所示，使时间坐标轴竖直向下，于是应力历程好象是一系列屋面，雨水沿着各层屋面的谷点或蜂点往下流动，据此将各应力幅加以整理，具体规则如下：（1）从谷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住下流，当流到某一层屋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，流到下一层屋面并继续往下流，当流到某一屋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，在某一层屋面流动的雨水遇见上一层屋面流下的雨水，则停止流动；（3）每次雨流的起点和终点作为半个应力循环。陈绍蕃老师在钢结构设计原理中也做出了详细的说明，可参考。疲劳曲线即S-N曲线，其左支常用表达式为：N=Cσ-mlgN=lgC-mlgσ式中的m和C均为材料常数。TB99的疲劳曲线疲劳的细节分级各规范疲劳细节等级表而这些等级的划分有涉及到各个基材的具体情况，详细的基材疲劳细节见各国规范，这里不予给出。设计方法总述各国规范进行疲劳验算一般将无限寿命设计和安全寿命设计结合使用，无限寿命设计很好理解，即找到某一限值，使构件的工作应力小于它即可，此时构件肯定不会因疲劳破坏，下面给出安全寿命设计的大致思路。采用安全寿命设计方法的条件是：疲劳强度曲线必须已知，含潜在起裂处构件的制造质量要符合疲劳分级的定义。（此时即需要用到前面提到的疲劳曲线和细节分级）应用安全寿命设计方法的计算过程是：(1)得到一个设计寿命期内运营受载序列的上限估计；（基于无限寿命设计）(2)计算在潜在起裂处的应力历程；（可能引起疲劳的荷载进行统计）(3)对算得的应力值进行必要的修正，比如应力集中系数、动力放大系数等；(4)采用计数法(如雨流法)将应力历史变成不同的应力幅和相应的循环次数ni

，从而得到应力谱：(5)查细节分级，对相应的细节等级和应力幅找出使用极限Ni

；(6)根据Miner规则计算总损(7)如果D>1，即设计不满足要求时，可以进一步做如下选择：①重新设计构件，减少应力水平。②改变细节设计，使其具有一个较高的疲劳等级；③采用其它更精确的方法设计。针对常幅疲劳的简单方法对于常幅疲劳而言，各国规范给出的检算方法大致相同，只是在某些细节问题和系数的取法上略有不同，下面就各国规范给出简单的论述。（我国已给出，不做论述。）美国AASHTO在验算活载疲劳时，各细部应满足：左边代表外力右边代表抗力对于外力和抗力的计算涉及到多个系数和细部分类，这里不做分析，大致思路即抗力>外力英国BS5400，称为不计损伤度的验算方法，适用于给出疲劳等级的构造并按标准荷载频值谱设计的桥梁构件。基本思想也是容许应力幅。欧洲Eurocode疲劳评估要求满足：无非就是各种系数求解，各种细部分类。针对变幅疲劳的一般方法对于变幅疲劳，基本思想就是将其转化为常幅疲劳，然后再进行验算。下面给出欧洲规范的验算方法。一般疲劳评估基于Miner线性积伤规则，公式如下：K——应力谱中各应力幅值的数目；i——表示离散应力幅的次序的整数值；ni——发生在应力幅Δσi下的应力循环数，由相应的计数法确定；N——设计寿命期内所有公称应力幅下的循环总数，N=∈ni；Δσi——第i级公称应力幅值；[σN]——该细节在N次应力循环下的疲劳容许应力幅；m一是疲劳曲线的指数，对于双对数疲劳曲线来说就是其斜率。一般取3将得到保守的等效常幅应力幅的估算值。△σ0=≤[σN]△σ0

等效常幅应力幅

这个公式是可以进行推导的，见浙江大学夏志斌老师的编写钢结构设计原理抗疲劳设计的流程图细节分级疲劳曲线容许应力幅抗力荷载普标准疲劳车应力历程应力普应力幅外力≥合格对整座桥对细部我国现行疲劳规范最缺少的即是荷载普的交通统计我不知道是否在实际工程中这些规范都会给予严格的验算，还是直接根据设计人员的经验。问题及以后的学习方向如果实际工程中规范中给出的每条都予以考虑，那么针对每个细部如何来进行操作呢。（不知道可否在专业软件得到验算）鉴于工程和数学联系之紧密