鋼橋的疲勞分析.

1、鋼橋的疲勞分析鋼橋的疲勞分析目目 錄錄五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論討論四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)三、鋼橋抗疲勞設計方法三、鋼橋抗疲勞設計方法二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理一、鋼橋疲勞的基本概念一、鋼橋疲勞的基本概念一、鋼橋疲勞的基本概念一、鋼橋疲勞的基本概念 疲勞破壞定義： 疲勞破壞是材料在低于強度極限的反復荷載作用下，由于缺陷局部微細裂紋的形成和發(fā)展直到最后發(fā)生脆性斷裂的一種破壞。 疲勞破壞產(chǎn)生的原因: 鋼橋在反復交變荷載作用下，先在其缺陷處生成一些極小的裂痕，此后這種微觀裂痕逐漸發(fā)展成宏觀裂縫，試件截面削弱，而在裂

2、紋根部出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，使材料處于三向拉伸應力狀態(tài)，塑性變形受到限制，當反復荷載達到一定的循環(huán)次數(shù)時，材料終于破壞，并表現(xiàn)為突然的脆性斷裂。一、鋼橋疲勞的基本概念一、鋼橋疲勞的基本概念 疲勞破壞的過程 鋼材疲勞破壞過程：裂紋形成裂紋擴展迅速斷裂。 鋼結構疲勞破壞過程：裂紋的擴展迅速斷裂。（鋼材內部結構不均勻和結構應力不均勻引起） 對比可知：由于實際構建的多重因素，使得鋼結構的疲勞復雜化。 疲勞破壞和脆性斷裂破壞的區(qū)別 都為脆性斷裂，但疲勞裂紋出現(xiàn)到斷裂有相當一段穩(wěn)定發(fā)展期，承受著反復荷載，斷口呈波紋狀。 存在拉應力 疲勞破壞必要條件 應力反復 產(chǎn)生塑性變形一、鋼橋疲勞的基本概念一、鋼橋疲勞的基

3、本概念 疲勞強度的影響因素 疲勞強度的主要影響因素是材料、內部結構與外部因素等，而與鋼材的靜力強度無關（但與鋼材的質量有關）。 鋼材材性：鋼材性能、構件尺寸、結構表面狀況 結構構造：結構形式、構件連接形式和構造細節(jié) 應力幅值，應力循環(huán)特征值 外因 荷載循環(huán)次數(shù) 環(huán)境：接觸疲勞、高溫疲勞、熱疲勞和腐蝕疲勞，應力狀態(tài) 疲勞強度的測定，主要是通過從小試件到大型構件實物疲勞試驗，獲得疲勞性能的真實數(shù)據(jù)，最終確定相應使用荷載環(huán)境下的強度。 內因一、鋼橋疲勞的基本概念一、鋼橋疲勞的基本概念 荷載疲勞、畸變疲勞 高周疲勞、低周疲勞 接觸疲勞、微動磨損疲勞 腐蝕疲勞、熱疲勞 隨機疲勞、靜疲勞低周疲勞 當每次荷

4、載循環(huán)中材料經(jīng)受的應變超出了彈性范圍，發(fā)生疲勞破壞所對應的循環(huán)次數(shù)相對較小，這就是低周疲勞。 疲勞的分類一、鋼橋疲勞的基本概念一、鋼橋疲勞的基本概念腐蝕疲勞 環(huán)境介質導致或加速疲勞裂紋的萌生或者擴展即稱為腐蝕疲勞。熱疲勞 在材料和結構中，由溫度梯度和不均勻膨脹的循環(huán)變化產(chǎn)生的循環(huán)熱應力和應變所導致的疲勞損傷。接觸疲勞 構件在循環(huán)接觸應力作用下，產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定的循環(huán)次數(shù)后，接觸表面產(chǎn)生麻點，淺層或深層剝落的過程。二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理 二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理大特點是可以根據(jù)初始存在的裂紋來及確定斷裂時所具有的剩余疲勞壽命，還可以判定初始

5、裂紋在給定的應力狀況下是否擴展，故對焊接結構的疲勞分析收到了良好的效果。2.2 2.2 疲勞應力疲勞應力 疲勞荷載：橋梁結構在使用過程中所承受的車輛荷載、人群荷載、風荷載以及地震荷載等變化著的荷載。 疲勞應力：由疲勞荷載所引起的相應的應力。 把荷載和應力隨時間變化的歷程則分別稱為荷載譜和應力譜。 最簡單的應力譜是常幅的，與常幅相對的是變幅應力譜。二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理 二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理 二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理 二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理 二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理 二、鋼橋抗疲勞設計原理

6、二、鋼橋抗疲勞設計原理 二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理 二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理 二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理2.6 2.6 疲勞極限疲勞極限 定義：一般情況下，交變應力值越高，疲勞破壞時應力循環(huán)次數(shù)越低，疲勞壽命越短。疲勞壽命無窮大時的最大交變應力值稱為疲勞極限，小于該交變應力區(qū)段的荷載也不會造成疲勞破壞，即所謂門坎值問題。2.7 荷載譜與應力譜荷載譜與應力譜 2.7.12.7.1荷載譜荷載譜 和結構的靜力設計不同，鋼橋疲勞設計所采用的荷載不應是按最不利荷載情況采用強度設計時的標準活荷載，而應考慮采用經(jīng)常作用的各種實際的車輛荷載，從而計算它們

7、所引起的各種累積損傷。為此，需要研究活荷載的頻譜值，也稱荷載譜。二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理 荷載譜定義：即是將設計基準期內橋梁構件所經(jīng)歷實際運營荷載（或運營荷載與標準活載的比值），按其大小及出現(xiàn)次數(shù)全部開列出來即為荷載譜，也稱活載頻值譜。 荷載譜的制定，原則上應將設計基準期內通過橋梁的每一類車型按不同形狀的影響線計算出相應的內力歷程，然后再將所有的內力歷程予以累計，就得到所需要的荷載譜。為表示方便起見，一般另外再用標準活載對同樣的影響線計算出標準荷載所產(chǎn)生的內力，而營運荷載的大小則用營運活載的內力與標準活載的內力之比表示。 由此可見，荷載譜的形狀隨影響線的形狀（長度、頂點位置

8、等）、運量、車輛編組、車輛等因素而異。二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理 當然，要將在設計基準期內（100年或120年）通過橋梁的每一列（組）車都按不同形狀的影響線計算出相應的內力歷程，這實在太繁瑣了，既不必要，也不可能。由于一條線路上，特別是鐵路上通過的車輛還是有一定規(guī)律的，即便是公路，若通過一定的統(tǒng)計分析，仍可找到一些規(guī)律性的數(shù)據(jù)，因此，實際上可以將營運荷載用幾種“典型列車編組”、或稱“標準營業(yè)車”來代表。各典型列車或標準營業(yè)車出現(xiàn)的次數(shù)也根據(jù)與實際營運荷載等效的原則來確定。上述“典型列車編組”或“標準營業(yè)車組”用作疲勞驗算時又稱之為“疲勞車”。這樣只計算“疲勞車”的內力歷程并乘

9、以其出現(xiàn)的累計次數(shù)，再總加起來，就可以得到所需要的荷載譜。二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理2.7.22.7.2各國規(guī)范對疲勞荷載譜的規(guī)定各國規(guī)范對疲勞荷載譜的規(guī)定1 1 英國英國BS5400BS5400公路疲勞荷載譜公路疲勞荷載譜 由于英國的賽文橋是世界上首個發(fā)現(xiàn)疲勞破壞的正交異性板鋼橋，因此英國也是對橋梁疲勞早期進行研究的國家之一，而BS5400鋼橋、混凝土橋及結合橋的第十篇疲勞設計實用規(guī)則也是各國疲勞荷載規(guī)范中最為深入和全面的。 BS5400中提出了兩種疲勞荷載譜，分別為:標準荷載頻值譜;標準疲勞車荷載譜。二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理1.1標準荷載頻值譜 標準荷

10、載頻值譜是在英國干線公路上所記錄的不同類型的車輛以及其出現(xiàn)的頻率，通過整理和歸類所得出來的荷載譜。荷載譜中運營車的最小軸重為30kN，默認總重在30kN以下的車輛活載不會產(chǎn)生疲勞破壞效應。典型營業(yè)車的荷載頻值譜如表 1所示。1.2標準疲勞車荷載譜 由于典型車輛標準荷載譜中運營車輛較多，計算數(shù)據(jù)大，因此對不同的車輛型號對常遇到的影響線進行分析，得到不同車輛所造成的損傷度。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，4A-H所造成的損傷度比例最大，因此，便以該型號為基礎，提出了標準疲勞車。二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理 標準疲勞車為一四軸單車，軸重均為80kN，總重為320kN。標準車示意圖如圖1、圖2所示: 二

11、、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理2 2歐洲規(guī)范歐洲規(guī)范EC1EC1中所規(guī)定的疲勞疲勞荷載譜中所規(guī)定的疲勞疲勞荷載譜 歐洲疲勞規(guī)范了5種不同的疲勞荷載模型（Fatigue Load Modle,簡稱FLM），現(xiàn)將五種模型逐一列舉出。 疲勞荷載模型一 該種疲勞荷載模型對集中荷載的折減系數(shù)為0.7，均布荷載的系數(shù)為0.3。數(shù)為0.3。該種疲勞荷載模型經(jīng)常需要進行修正，否則計算出來的結果會過于保守。采用此種疲勞荷載模型的最大應力以及最小應力值的確定，應當將以上荷載根據(jù)所計算橋梁的可能加載位置進行加載。二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理 疲勞荷載模型二 疲勞荷載模型二采用一系列的理想

12、加載車成，共有5種貨車形式，加載車輛的軸數(shù)、軸距軸重以及車輪形式如表3所示。二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理 二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理 疲勞荷載模型五 疲勞荷載模型五采用所記錄的交通數(shù)據(jù)進行總結模擬，一種適用于所針對橋梁的疲勞荷載譜。這種方法最為準確。 五種疲勞模型所適用的的條件是不同的，規(guī)范中對疲勞荷載模型的應用有如下的規(guī)定： (a)疲勞荷載模型一與疲勞荷載模型二主要用于確定在常幅疲勞荷載作用下，結構的疲勞壽命是否能夠滿足設計要求，而第一與第二類模型也只能用于鋼結構，而不能用于其它材料的橋梁結構。并且，疲勞模型一包含了多車效應，相對于疲勞模型二更為保守。二、鋼

13、橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理 二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理 二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理4 4我國學者對疲勞荷載譜的研究工作概述我國學者對疲勞荷載譜的研究工作概述 我國學者同濟大學的童樂為教授與西南交通大學的任偉平博士也對公路荷載譜進行了研究，所采用的方法均為基于交通量的實測數(shù)據(jù)進行。不同的是，童樂為教授采用的是現(xiàn)場記錄法，對上海某橋梁的交通量進行記錄，并利用統(tǒng)計方法得出了荷載頻值譜，該荷載頻值譜由6種典型的運營車組成。任偉平博士則是通過江蘇、河南、山東、四川等地的公路WIM系統(tǒng)(動態(tài)車輛重量監(jiān)測系統(tǒng))數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并針對不同橋型，提出了幾種不同的標準

14、疲勞車模型。以上兩位學者的研究對今后我國疲勞荷載譜的完善工作具有重要的參考價值。二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理2.7.3 2.7.3 應力譜與應力歷程計算應力譜與應力歷程計算 如前所述，荷載譜實際上是內力譜，故原則上只要將荷載譜乘上一些系數(shù)（如沖擊系數(shù)、截面幾何特征、反應實際應力與計算應力差異的構造系數(shù)等）就可以得到設計基準期內營運荷載所產(chǎn)生的按大小和出現(xiàn)次數(shù)開列的實際應力集合，或稱之為“應力譜”。 應力譜定義：由荷載譜產(chǎn)生構件的應力就叫做應力譜。 根據(jù)荷載譜計算產(chǎn)生應力歷程，計算時須考慮動力的作用，即沖擊系數(shù)的發(fā)大作用和校驗系數(shù)等；也可以從實測得到應力歷程然后根據(jù)應力歷程，不同

15、應力幅大小及次數(shù)的集合，即應力譜。二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理 應力歷程計算 如何統(tǒng)計應力歷程中各應力幅的次數(shù)的兩種方法。 1.雨流法 應力歷程轉動90度，假想雨水沿應力歷程流動，由此統(tǒng)計各應力幅的數(shù)量，具體方法如下： （1）從古點開始流動的雨水到達峰點時豎直下滴，流到下層屋面并繼續(xù)往下流，當流到某一層層面遇見一個來源于比本次谷點更低的谷點的雨水，則停止流動。同理，從峰點開始流動的雨水到達谷點時豎直下滴，流到下一層面并繼續(xù)往下流，當流到某一層面遇見一個來源于比本次峰點更高的峰點的雨水，則停止流動。二、鋼橋抗疲勞設計原理二、鋼橋抗疲勞設計原理 （2）任何情況下，在某一層層面流動的

16、雨水遇見上一層面屋面流下的雨水，則停止流動。 （3）每次雨流的起點和終點作為半個應力循環(huán)。 2泄水法 泄水法統(tǒng)計應力歷程個應力幅次數(shù)的計算原則 （1）鏡像同樣的應力歷程圖，對稱于與豎坐標軸平行的對稱軸，將兩個最大峰值點5和5用水平虛線相連，把該虛線以下部分圖形看作一個水池的橫斷面。 （2）選擇最低的谷點泄水。如果有兩個或更多相等的最低谷點，則可以選擇任何一個谷點泄水，以水面到該谷點的泄水深度作為一次循環(huán)的應力幅。 （3）對泄不出去的剩余水，重復第二步，直到水池的水全部泄完為止，并將每次泄水深度作為一次循環(huán)的應力幅。三、鋼橋抗疲勞設計方法三、鋼橋抗疲勞設計方法3.13.1抗疲勞設計的基本要求：抗

17、疲勞設計的基本要求： 預測整個設計壽命期間完整的荷載序列-荷載譜； 計算荷載下結構應力狀態(tài)； 繪制各類細部構造的疲勞曲線； 根據(jù)疲勞檢算原則進行疲勞設計。三、鋼橋抗疲勞設計方法三、鋼橋抗疲勞設計方法3.23.2抗疲勞設計的一般方法抗疲勞設計的一般方法 抗疲勞設計方法一般可分為四大類： 無限壽命設計 此方法限制應力不超過常幅疲勞極限，保證構件永遠不破壞，具有無限壽命。 安全壽命設計 此方法根據(jù)疲勞曲線下限和疲勞荷載的上限來計算損傷。它提供了一個較保守的疲勞壽命估計，在使用壽命期內，無須對結構實施檢測，故該法也成為有限壽命設計法。三、鋼橋抗疲勞設計方法三、鋼橋抗疲勞設計方法 損傷容許設計 此方法通

18、過一個接一個檢測環(huán)節(jié)監(jiān)視疲勞裂紋增長，一旦疲勞裂紋達到一個預設尺寸，部分構件就要加以修補或更換。此方法適用于應用安全設計方法影響到結構的經(jīng)濟性或細部具有較高的裂紋開裂風險時。顯然，此法將帶來比安全壽命設計方法較高的結構失效風險。 依據(jù)實驗設計 此法適用于從規(guī)范或其它資料中不可能得到必要的承載應力、疲勞強度或裂紋增長的數(shù)據(jù)時。三、鋼橋抗疲勞設計方法三、鋼橋抗疲勞設計方法3.33.3無限壽命設計無限壽命設計 無限壽命設計方法的出發(fā)點是，構件在設計應力下能夠長期安全使用。對于等幅循環(huán)應力，即應力幅和平均應力不隨時間變化的穩(wěn)定交變應力狀態(tài)，無限壽命設計方法的強度條件是構件的工作應力等于或小于等幅疲勞極

19、限。對于變幅循環(huán)應力，即隨時間變化的不穩(wěn)定交變應力狀態(tài)，可按其最大應力幅小于構件的等效等幅疲勞極限強度的條件進行設計，見圖9-13。按疲勞極限的定義，當構件的工作應力小于疲勞極限時，構件能夠長期安全使用。 無限壽命設計方法在英國規(guī)范BS5400中的鐵路橋疲勞驗算中也稱為簡化法，它適用于對規(guī)范的構造細部級別并按標準荷載頻譜受載的構件。按此方法設計，無需考慮構件的疲勞損傷度。三、鋼橋抗疲勞設計方法三、鋼橋抗疲勞設計方法3.43.4安全壽命設計安全壽命設計 安全壽命設計方法是保證結構在一定使用期內不發(fā)生疲勞破壞，因此允許構件的工作應力超過疲勞極限，結構的重量可以比無限壽命設計方法為輕。目前國際上大都

20、采用這種設計思想進行抗疲勞設計。 安全壽命設計方法是無限壽命設計方法的直接發(fā)展，二者的基本設計參數(shù)都是名義應力，其設計思想也大體相同，都是根據(jù)細部疲勞的S-N曲線進行設計，所不同的只是無限壽命設計方法使用的是S-N曲線的常幅水平部分，即等幅疲勞極限；而安全壽命設計方法使用的是S-N曲線的左支和考慮損傷累積所引起的疲勞強度下降，亦即有限壽命部分。三、鋼橋抗疲勞設計方法三、鋼橋抗疲勞設計方法 由于有限壽命的設計應力一般高于疲勞極限，而S-N曲線斜線部分的疲勞壽命各不相同，故安全壽命設計方法不能再象無限壽命設計方法那樣只驗算最大應力不超過等幅疲勞極限即可，而需要按照一定的累積損傷理論估算總的疲勞損傷

21、。目前在橋梁疲勞設計中都采用Palmgren-Miner提出的線性損傷累積理論。 預測的結構營運歷程常采用加載序列和頻率來表達，再分析潛在起裂處的應力歷程，某些國家例如英國的BS5400規(guī)范，則可以通過典型車輛或列車的加載獲得相應的應力譜。 采用安全壽命設計方法的條件是：構造細部的疲勞強度曲線必須已知，含潛在起裂處構件的制造質量要符合疲勞分級的定義。三、鋼橋抗疲勞設計方法三、鋼橋抗疲勞設計方法 三、鋼橋抗疲勞設計方法三、鋼橋抗疲勞設計方法 三、鋼橋抗疲勞設計方法三、鋼橋抗疲勞設計方法 三、鋼橋抗疲勞設計方法三、鋼橋抗疲勞設計方法 三、鋼橋抗疲勞設計方法三、鋼橋抗疲勞設計方法 三、鋼橋抗疲勞設計

22、方法三、鋼橋抗疲勞設計方法 對于一般性的變幅應力作用,必須象安全壽命設計方法一樣計算應力譜,但必須至少拆成10個相同的序列,即每級應力幅的循環(huán)數(shù)至少分成10份。并將應力序列從大到小排列。對每級常幅應力循環(huán),裂紋增長計算采用與應力比相應的裂紋增長曲線,見圖9-17。若裂紋位于焊接區(qū),除非殘余應力確切已知,否則,應該采用在高應力比(=0.8)或常值應力強度因子下的裂紋增長曲線。三、鋼橋抗疲勞設計方法三、鋼橋抗疲勞設計方法 三、鋼橋抗疲勞設計方法三、鋼橋抗疲勞設計方法3.63.6通過試驗設計通過試驗設計 如果不具備足夠的疲勞強度或裂紋增長數(shù)據(jù)和受載歷程不確切以及構造細部過于復雜等情況,則必須依據(jù)疲勞

23、試驗的結果進行抗疲勞設計。當然，通過試驗來驗算設計細部的疲勞強度,可作為上述設計方法的替代方案，但試驗必須用完整的原型或構件中的細部部分,它的材料、細部尺寸和制造方法也應與原型相符合。三、鋼橋抗疲勞設計方法三、鋼橋抗疲勞設計方法3.73.7結論結論 以上討論了鋼橋抗疲勞設計理論的新發(fā)展,但在實際應用中還要注意以下幾點: (1)安全壽命設計方法是以截面名義應力計算的,對于復雜結構必須采用有限元方法進行應力分析。 (2)在設計中必須詳細說明設計細節(jié)的制造質量要求,諸如連接不完善的界限值以及相應的探測方法和探測范圍。 (3)在應用斷裂力學方法計算疲勞壽命時,裂紋展模擬必須考慮到各種不利因素,比如殘余

24、應力、熱影響區(qū)的材質變化等因素。 (4)在設計時必須考慮設計對象所處環(huán)境對疲勞強度的影響。 (5)對新的疲勞實驗結果加以收集,供以后疲勞設計使用。四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)4.14.1現(xiàn)代鋼橋中典型的疲勞部位：現(xiàn)代鋼橋中典型的疲勞部位： 斜拉橋索梁錨固區(qū)、 正交異性鋼橋面板、 鋼桁橋中橫梁與選桿的連接、 管結構焊接節(jié)點以及拱橋短吊桿連接等等。四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)4.1.14.1.1斜拉橋索梁錨固區(qū)：斜拉橋索梁錨固區(qū)： 鋼箱梁斜拉橋索梁錨固區(qū)域是斜索和鋼梁的傳，力連接構造, 由于結構形式所限, 該區(qū)域板件較多,構造復雜, 通常要產(chǎn)生非常明顯的應力

25、集中, 而且要直接承受因車輛荷載、風荷載等而產(chǎn)生的動力效應。 為保證這種結構的疲勞性能, 設計時需要注意以下問題: (1) 幾何形狀變化引起的應力集中; (2) 必須制定合理的焊接制造工藝, 特別是操作空間受限時應更加注意控制焊接質量; (3) 強制約束和面外變形等引起的次應力。四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)4.1.24.1.2正交異性鋼橋面板正交異性鋼橋面板 正交異性鋼橋面板以其獨特的優(yōu)點, 已成為世界上大、中跨徑現(xiàn)代鋼橋通常采用的橋面結構形式。但是, 正交異性鋼橋面板疲勞開裂的事例已在許多國家的鋼橋中出現(xiàn)。 正交異性鋼橋面板疲勞問題比較突出, 主要有以下幾個方面: (1)

26、 鋼橋面板直接承受車輛輪荷載的反復作用; (2) 各部位應力影響線長度較短, 一輛車經(jīng)過可能會產(chǎn)生多個應力循環(huán); (3) 鋼橋面板應力狀況比較復雜, 并且交叉部位應力集中嚴重; (4) U肋與橫隔板角焊縫以及許多現(xiàn)場拼接接頭的焊接質量不易保證;(5) 關于鋼橋面板構造細節(jié)的疲勞強度數(shù)據(jù)較少, 各國規(guī)范對此還沒有明四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)確規(guī)定。 通過大量疲勞開裂實例和試驗研究, 鋼橋面板疲勞性能有如下幾個方面需要注意: (1) 縱肋與蓋板的焊接(焊接方式、未焊透狀況、縱肋腹板的加工方式等);(2) 縱肋與橫梁的連接(該部位應力狀況復雜, 尤其是橫梁腹板, 本身處于二向應

27、力狀態(tài), 孔和焊縫端部又產(chǎn)生應力集中, 還要受到縱肋撓曲變形引起的面外彎曲應力等); (3) 縱肋現(xiàn)場拼接(特別是全焊連接的疲勞性能取決于焊接技術、焊接質量以及焊接順序等);(4) 橫梁腹板與蓋板的焊接等。四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)4.1.34.1.3鋼桁橋中橫梁與弦桿腹板的連接鋼桁橋中橫梁與弦桿腹板的連接 鋼桁橋中橫梁與弦桿腹板的連接方式, 由于受載方式及面外變形等因素使該處的疲勞性能一直受到關注。對于采用焊接整體節(jié)點的大跨徑鋼桁梁, 與焊接整體節(jié)點密切相關的焊接材料、焊接工藝、各種焊接接頭、交叉焊縫以及桿件節(jié)點外拼接接頭等細節(jié)的疲勞強度可能控制結構設計, 設計計算時應

28、引起注意。四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)4.1.44.1.4管結構焊接節(jié)點管結構焊接節(jié)點 現(xiàn)代管結構多采用主支管直接相貫焊接的節(jié)點構造型式。就空心管結構而言,由于支管的軸向剛度遠遠大于支管的徑向剛度,支主管的相貫線成為整個結構的薄弱環(huán)節(jié)。該處不僅會出現(xiàn)很高的應力集中, 而且又存在有焊接缺陷和焊接殘余拉應力。多種不利因素相疊加,使管節(jié)點對交變荷載的抵抗能力較低,疲勞裂紋往往起源于高應力區(qū)的初始缺陷處,常常在熱點應力附近由表面裂紋擴展并穿透管壁,見圖所示,逐步擴展而使節(jié)點破壞,導致整個結構承載力的喪失。四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)4.1.5 4.1.5 拱橋短

29、吊桿拱橋短吊桿 拱橋中的短吊桿受力非常復雜。由于短吊桿線剛度較長吊桿大, 因此要承擔更大的活載及制動力;同時由于在溫度、制動力等水平荷載作用下,反復發(fā)生順橋向的水平位移,上下兩個錨點偏離鉛垂線,形成很大的折角,錨點附近索段反復彎曲,容易發(fā)生疲勞破壞。此外,錨頭附近吊桿護套損壞、鋼絲銹蝕等不利因素也應予以考慮。此外,大量的研究表明,短吊桿比長吊桿的固有頻率高。在同樣荷載作用下，短吊桿比長吊桿受動荷載沖擊影響要大得多,有時甚至是2倍以上,這會導致構件應力幅增大,對疲勞性能產(chǎn)生不利影響。四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)4.24.2提高鋼橋焊接細節(jié)疲勞強度的方法：提高鋼橋焊接細節(jié)疲勞強

30、度的方法： 在焊接鋼橋的設計和制造過程中，某些疲勞強度較低的細節(jié)有時難以避免，若采取增大構件斷面降低其名義應力的方法，來確保其疲勞壽命，從技術和經(jīng)濟角度來看是不合適的，特別對于目前趨向使用高強度鋼材的情況更是如此。因此采用一定的措施來提高這些焊接細節(jié)的疲勞性能對于現(xiàn)代焊接鋼橋的進一步發(fā)展具有重要的經(jīng)濟意義。 近些年來，人們已經(jīng)研究出了多種提高焊接細節(jié)疲勞壽命的方法，概括起來分為三類： 一是改善結構細節(jié)的幾何形狀，減小結構的幾何應力集中（砂輪磨修、TIG重熔等）； 二是在容易產(chǎn)生裂紋缺口的位置預制殘余壓應力，或者消除有不利影響的焊接殘余拉應力（錘擊、超聲波沖擊等）； 三是覆蓋特殊涂層，防止腐蝕介

31、質的不利影響（涂裝油漆、復合材料等）。四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)4.34.3防治焊接鋼橋疲勞破壞的方法：防治焊接鋼橋疲勞破壞的方法： 拉應力是應力腐蝕發(fā)生的主要條件之一, 控制和降低重要構造細節(jié)的拉應力是防止疲勞破壞的最有效措施。 構件間的連接盡量避免剛度突然變化, 以減少由幾何形狀所產(chǎn)生的應力集中。 避免高裝配應力和殘余應力, 減少冷加工,嚴格控制受拉構件的冷彎、冷剪工藝。 優(yōu)先采用對接焊縫, 盡可能不用角焊縫。承受反復應力的焊縫宜采用連續(xù)焊縫。使焊縫(焊趾、焊根和焊縫端部) 位于低應力區(qū), 使缺口效應盡量分散。四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié)四、鋼橋抗疲勞的構造細節(jié) 盡可能不

32、采用偏心連接, 避免不必要的附加應力。對部分構造細節(jié), 經(jīng)焊后處理可大幅度提高名義應力, 必要時可以采用。 在特別危險部位以螺栓接頭、鍛造連接件或鑄造件替代焊接接頭。 注意結構構造細節(jié)設計, 盡量避免連接件間存在縫隙, 消除易于造成水和污物聚集的死角, 以避免腐蝕和應力腐蝕。五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論5.1 5.1 前言前言 正交異性鋼橋面板是一種由相互垂直的縱、橫向加勁肋和面板焊接而成的鋼橋面結構(見圖1)。目前被廣泛應用于國內、外諸多中大型公、鐵路橋梁的建設中。相比混凝土橋面板，正交異性鋼橋面板具有質量輕、強度高、施工快捷等優(yōu)點，不足之處是結構

33、柔、變形大、易疲勞，其中易疲勞是正交異性鋼橋面板設計中不可回避的重點問題之一。已成為大中跨度的的現(xiàn)代鋼橋所通常采用的橋面結構形式，它的疲勞性能也格外令人關注。五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論 原因是： 鋼橋面板疲勞開裂的事例已在許多國家的鋼橋中出現(xiàn)； 鋼橋面板直接承受車輛荷載的反復作用，各部位的應力影響線長度短，車輛引起的應力循環(huán)次數(shù)比一般部位要多； 鋼橋面板的應力狀況復雜，還有許多現(xiàn)場拼接接頭、焊接質量不易保證等問題。五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論5.2 5.2 國內規(guī)范現(xiàn)狀國內規(guī)范現(xiàn)狀 我國正交異性鋼橋面板的

34、應用起步較晚，但發(fā)展迅速。己采用正交異性鋼橋面板的大跨度鋼橋有肇慶北江大橋、塘沽海門大橋、安康漢江大橋、東營黃河大橋、虎門大橋、宜昌長江大橋、海滄大橋、江陰長江大橋、青馬橋、武漢軍山大橋、南京第二長江大橋、盧浦大橋、蘇通大橋、武漢天興洲公鐵兩用長江大橋等。對于正交異性鋼橋面板的抗疲勞設計，在我國鐵路、公路橋梁規(guī)范中均無相關規(guī)定，相關研究也鮮見。其設計有參照國外規(guī)范進行設計的，有自制標準進行設計的，無相對統(tǒng)一和固定的設計力一法，這導致我國橋梁正交異性鋼橋面板抗疲勞設計不夠系統(tǒng)和準確。五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論目前在國內已建成的正交異性鋼橋面板橋梁中己

35、觀察到不同程度的疲勞裂紋，正交異性鋼橋面板的疲勞問題有待解決。 對于正交異性鋼橋面板的抗疲勞設計，在我國目前無規(guī)范可依，參照何種標準對正交異性鋼橋面板進行抗疲勞設計一直是我國橋梁工作者面臨的一個問題。為給我國公路橋梁正交異性鋼橋面板抗疲勞設計提供參考，對美國公路橋梁設計規(guī)范（簡稱AASHTO)及歐洲規(guī)范3:鋼結構設計（簡稱Eurocode3)中對公路橋梁正交異性鋼橋面板抗疲勞設計的相關規(guī)定進行介紹，分別從疲勞荷載、疲勞細部分類及疲勞驗算公式等三方面對兩本規(guī)范進行對比，應用兩本規(guī)范對我國一座公路橋梁的正交異性鋼橋面板進行疲勞驗算。五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題

36、的討論 五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論5.3.25.3.2疲勞細部分類疲勞細部分類 對于橋梁鋼結構抗疲勞設計，AASHTO和Eurocode3均是著眼于細節(jié)構造，對易發(fā)生疲勞破壞的細節(jié)構造(稱為疲勞細部)進行疲勞評定、統(tǒng)計、歸類并分級，試驗確定其S-N曲線以指導設計。實際橋梁資料表明，正交異性鋼橋面板的疲勞主要產(chǎn)生在以下幾個區(qū)域的構造細部:縱肋與頂板的連接焊縫區(qū)、縱肋與橫肋(梁)的連接焊縫區(qū)、縱肋對接焊縫區(qū)及頂板工地對接焊縫區(qū)等。 對AASHTO、Eurocode3中正交異性鋼橋面板的疲勞細部分類進行詳細的統(tǒng)計、歸類并對比后得出:AASHTO、Eurocode3對正交異性鋼橋面板的疲勞細部分類基本一致，不但考慮了構造差異，而且考慮了焊接及加五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論 五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論 五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論 五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論 五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論 五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的討論五、正交異性鋼橋面板的疲勞問題的