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摘要：隨著鋼橋建設規模的擴大，鋼橋的結構形式和制造工藝也被不斷開發，在現代鋼橋建設中，鋼橋的性能也越來越被于關注，其疲勞性能也得到了重視。為了預防鋼橋建設中的疲勞性能問題，需要了解鋼橋疲勞性能影響因素，分析鋼橋疲勞設計的關鍵參數，根據疲勞設計原則采用合理的疲勞設計方法，讓鋼橋建設更加穩定，保證橋梁的運營安全。本文分析了影響鋼橋疲勞的因素，總結了鋼橋疲勞設計的原則和方法，以供鋼橋建設作為參考。

關鍵詞：鋼橋；疲勞設計；橋梁設計

隨著橋梁事業的發展，我國鋼橋建設也有了很大的進步，結構構造和制造工藝更加復雜、精細，橋梁的承受荷載逐漸增大，設計安全系數因橋梁的精細化而降低。在橋梁運營期間，車流量的荷載會隨時發生變化，車輛的超載和交通量可能會有所增加，都可能讓橋梁的疲勞問題更加明顯。結構抗疲勞設計可以在一定使用中保證橋梁的承受能力，讓橋梁結構不會因疲勞而失效或損壞。通過分析引起橋梁疲勞問題的因素，應用能夠解決影響鋼橋疲勞性能的設計方法，消除鋼橋疲勞問題，讓橋梁的運行更加安全。

1鋼橋疲勞影響因素

導致鋼橋疲勞的因素是鋼構件上出現裂紋。由于荷載量的改變，鋼橋構件上的裂紋會不斷擴展和增加，導致鋼橋構件的性能逐漸降低，最后會因損害而失去性能。影響鋼橋結構疲勞的因素包括材料、構件、構造、加工、荷載等特性。1.1用于建造鋼橋的材料鋼橋的材料影響著鋼橋的疲勞性能。建筑鋼橋時利用的原材料不同，其中的元素比例不同，會導致鋼材料的強度不同，進而影響到鋼橋的疲勞性能。雖然強度大的鋼材能夠提升鋼橋的疲勞性能，但疲勞性能的增加并不明顯，性價比不高。因此對鋼橋抗疲勞設計時盡可能不用較高強度的鋼材，以免投入更多的成本，而鋼橋的性能得不到應有的改善。

1.2鋼橋的構造連接

鋼橋的構造連接會影響到鋼橋的疲勞性能。如一些鋼橋存在細節構造，導致截面區域被削弱，使得此處的鋼構件應力過于集中，導致疲勞問題愈發明顯。而對構件采用不同的連接方式，也會造成疲勞性能不同。如焊接、鉚接、螺栓連接等，這些連接方式各有優點，但使用在同一鋼橋建設中，就會造成構件應力不同。焊接會造成殘余應力的缺陷，直接對鋼橋產生疲勞破壞；鉚接、螺栓連接會削弱母材截面，導致應力過度集中，從而產生疲勞問題。

1.3鋼橋的構件

鋼橋的構件會有不同的尺寸，其表面性能也各異，這些因素都足以影響到鋼橋的疲勞性能。通常情況下，尺寸比較小的構件會有良好疲勞性能，而尺寸較大的構件，會因受力問題而影響疲勞性能。疲勞裂紋多產生在鋼構件的表面，因此鋼構件的表面緊密程度影響著鋼橋的疲勞性能。在設計過程中，需要考慮到構件的尺寸，盡量使用尺寸較小的構件，保證構件表面的緊密程度，減少因構件特性而產生的鋼材疲勞問題。

1.4鋼橋的加工質量

在鋼橋的結構制作時，需要采用多道加工程序，如果加工質量不合格，會對后期的使用產生影響。加工中，開始使用自動化加工制造工藝，可能會影響到鋼材的加工質量，尤其是對鋼材進行焊接處理，如果焊接不到位，就會影響整個鋼橋的質量，極易引起疲勞問題的產生。

1.5鋼橋的車輛荷載

鋼橋建設后投入使用，運營時會面臨車輛荷載問題。由于荷載的不確定性而導致橋梁的應力幅值和循環次數受到影響，進而威脅到鋼橋的疲勞性能。當荷載幅值增大、循環次數增多時，橋梁的應力作用加大，疲勞性能會被降低，影響著橋梁的使用壽命。

2鋼橋疲勞設計方法

為了應對各種因素對橋梁疲勞性能的影響，在鋼橋建設中，需要采用合理的鋼橋疲勞設計方法。因鋼橋建設的材料、構件、連接、荷載等的不同，使用的設計方法也要有所差異。

2.1有限壽命設計

鋼橋疲勞設計的有限壽命設計使鋼橋結構在一定的壽限內不會發生破壞，但應力幅值超出了鋼橋的承受能力，就會導致鋼橋的使用壽命大大降低。這種設計是在無限壽命設計中發展而來的，但設計方法不會像無限壽命設計一樣只考慮使用應力的問題，而是需要考慮累積損傷去估計總的疲勞損傷。

2.2無限壽命設計

和鋼橋有限壽命設計相對的是無限壽命設計，這一設計需要鋼橋受到應力一直在疲勞極限值以下，即讓構件的設計應力值超過承受的應力，結構在外界應力下不會受到損壞，橋梁的使用壽命得到延長。這種設計方式是為了應對不穩定變幅循環應力，讓疲勞極限強度遠在最大應力幅之上。無限壽命設計方法非常簡單，不用考慮到材料的性能問題，只要控制使用的應力。這導致設計中無法發揮材料的性能，儲備過高，形成資源浪費。

2.3疲勞可靠度設計

疲勞可靠設計將鋼橋的疲勞失效用極限狀態方程進行計算，方程中的所有因素都用概率方式進行顯示，讓鋼橋的疲勞問題演變為概率可靠度求解問題。疲勞可靠度設計為了讓疲勞的可靠度在能夠接受的范圍內，即使出現疲勞失效，也能得到及時處理。

2.4損傷容限設計

損傷容限設計是在斷裂力學的基礎上對構件疲勞問題進行設計。假定構件在疲勞的初期出現裂紋，且裂紋為橢圓形，可以通過交變應力的作用對裂紋的拓展方向和速率進行分析，估算構件剩余的壽命。既然存在裂紋損傷，需要對裂紋進行控制，保證裂紋在使用期限內不會繼續擴大，讓構建的壽命得到延續。這種設計方法多用于舊鋼橋的檢查和壽命估算，并不會使用在新建的鋼橋的疲勞設計中。

3鋼橋疲勞設計的要點

3.1疲勞荷載

橋梁的疲勞荷載主要是車輛荷載，對疲勞車輛荷載的設計需要掌握橋梁在后期運營中車輛的荷載等級和標準，利用隨機車流模擬方法，對橋梁壽命內的車流荷載進行仿真分析，通過計算可得更加準確的橋梁應力幅模型，確定橋梁的實際疲勞荷載。設計疲勞荷載在各國都有相應的規范，是基于大量研究后確定的設計模型，具有普遍橋梁適用性，安全儲備較高。

3.2疲勞強度

鋼橋疲勞設計中的疲勞強度，需要根據鋼橋的構件進行確定。如果知道鋼構件的材質和性能，可以通過疲勞試驗來驗證構件的疲勞強度；如果只給了鋼構件的尺寸和結構型式，就無法通過疲勞試驗進行驗證，應該考慮到多種因素的折減，如構件的尺寸、加工的質量、構件的受力等。由于這些因素的影響，構件的強度就會被折減，設計時需要對此因素進行考慮。一些鋼橋構件的受力比較復雜，并不是單一性的受力方式，疲勞強度需要結合各方面因素綜合計算。

3.3疲勞驗算位置

鋼橋的結構如果是設定的模式，一些疲勞損壞的位置可以根據以往經驗進行預算。在設計過程中，需要對這些容易損壞的疲勞部位做設計驗算，以保證橋梁結構的疲勞位置處于安全狀態中。鋼橋疲勞設計中，正交異性鋼橋面板是關鍵，需要關注頂板和U型加勁肋連接處、U型加勁肋和橫隔板連接處等位置的疲勞性，保證疲勞壽命，以提升橋面板的疲勞安全性能。

4結束語

鋼橋疲勞設計在橋梁建設有著重要的作用，可以對橋梁中存在疲勞問題的部位進行修整，讓橋梁的性能得到提升。在設計時，需要根據影響鋼橋疲勞性能的因素選定適宜的設計方法。同時也要根據實際情況來進行橋梁的疲勞設計，這樣才能滿足橋梁設計需求，鋼橋能夠更好地運營，使用壽命得到增加。

參考文獻

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作者：周業超 單位：中設設計集團股份有限公司