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(gòu)造細(xì)節(jié)四、鋼橋抗疲勞的構(gòu)造細(xì)節(jié)三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法二、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)原理二、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)原理一、鋼橋疲勞的基本概念一、鋼橋疲勞的基本概念一、鋼橋鋼橋疲勞勞的基本概概念 疲勞破壞定義： 疲勞破壞是材料在低于強(qiáng)度極限的反復(fù)荷載作用下，由于缺陷局部微細(xì)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(fù)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，而在裂紋根部出現(xiàn)應(yīng)力

2、集中現(xiàn)象，使材料處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，塑性變形受到限制，當(dāng)反復(fù)荷載達(dá)到一定的循環(huán)次數(shù)時(shí)，材料終于破壞，并表現(xiàn)為突然的脆性斷裂。一、鋼橋鋼橋疲勞勞的基本概概念 疲勞破壞的過程 鋼材疲勞破壞過程：裂紋形成裂紋擴(kuò)展迅速斷裂。 鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞過程：裂紋的擴(kuò)展迅速斷裂。（鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻和結(jié)構(gòu)應(yīng)力不均勻引起） 對比可知：由于實(shí)際構(gòu)建的多重因素，使得鋼結(jié)構(gòu)的疲勞復(fù)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(dāng)一段穩(wěn)定發(fā)展期，承受著反復(fù)荷載，斷口呈波紋狀。 存在拉應(yīng)力 疲勞破壞必要條件 應(yīng)力反復(fù) 產(chǎn)生塑性變形一、鋼橋鋼橋疲勞勞的基本概概念 疲勞強(qiáng)度的影響因素 疲勞強(qiáng)度的主要

3、影響因素是材料、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部因素等，而與鋼材的靜力強(qiáng)度無關(guān)（但與鋼材的質(zhì)量有關(guān)）。 鋼材材性：鋼材性能、構(gòu)件尺寸、結(jié)構(gòu)表面狀況 結(jié)構(gòu)構(gòu)造：結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件連接形式和構(gòu)造細(xì)節(jié) 應(yīng)力幅值，應(yīng)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(yīng)力狀態(tài) 疲勞強(qiáng)度的測定，主要是通過從小試件到大型構(gòu)件實(shí)物疲勞試驗(yàn)，獲得疲勞性能的真實(shí)數(shù)據(jù)，最終確定相應(yīng)使用荷載環(huán)境下的強(qiáng)度。 內(nèi)因一、鋼橋鋼橋疲勞勞的基本概概念 荷載疲勞、畸變疲勞 高周疲勞、低周疲勞 接觸疲勞、微動(dòng)磨損疲勞 腐蝕疲勞、熱疲勞 隨機(jī)疲勞、靜疲勞低周疲勞 當(dāng)每次荷載循環(huán)中材料經(jīng)受的應(yīng)變超出了彈性范圍，發(fā)生疲勞破壞所對應(yīng)

4、的循環(huán)次數(shù)相對較小，這就是低周疲勞。 疲勞的分類一、鋼橋鋼橋疲勞勞的基本概概念腐蝕疲勞 環(huán)境介質(zhì)導(dǎo)致或加速疲勞裂紋的萌生或者擴(kuò)展即稱為腐蝕疲勞。熱疲勞 在材料和結(jié)構(gòu)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(yīng)力和應(yīng)變所導(dǎo)致的疲勞損傷。接觸疲勞 構(gòu)件在循環(huán)接觸應(yīng)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(diǎn)，淺層或深層剝落的過程。二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理大特點(diǎn)是可以根據(jù)初始存在的裂紋來及確定斷裂時(shí)所具有的剩余疲勞壽命，還可以判定初始裂紋在給定的應(yīng)力狀況下是否擴(kuò)展，故對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞分析收到了良好的效果。2.2 2.2 疲勞應(yīng)力

5、疲勞應(yīng)力 疲勞荷載：橋梁結(jié)構(gòu)在使用過程中所承受的車輛荷載、人群荷載、風(fēng)荷載以及地震荷載等變化著的荷載。 疲勞應(yīng)力：由疲勞荷載所引起的相應(yīng)的應(yīng)力。 把荷載和應(yīng)力隨時(shí)間變化的歷程則分別稱為荷載譜和應(yīng)力譜。 最簡單的應(yīng)力譜是常幅的，與常幅相對的是變幅應(yīng)力譜。二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理2.6 2.6 疲勞極限疲勞極限 定義：一般情況下，交變應(yīng)力

6、值越高，疲勞破壞時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)越低，疲勞壽命越短。疲勞壽命無窮大時(shí)的最大交變應(yīng)力值稱為疲勞極限，小于該交變應(yīng)力區(qū)段的荷載也不會(huì)造成疲勞破壞，即所謂門坎值問題。2.7 荷載譜與應(yīng)載譜與應(yīng)力譜譜 2.7.12.7.1荷載譜荷載譜 和結(jié)構(gòu)的靜力設(shè)計(jì)不同，鋼橋疲勞設(shè)計(jì)所采用的荷載不應(yīng)是按最不利荷載情況采用強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)活荷載，而應(yīng)考慮采用經(jīng)常作用的各種實(shí)際的車輛荷載，從而計(jì)算它們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、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理 荷載譜定義：即是將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)橋梁構(gòu)件所經(jīng)歷實(shí)際運(yùn)營荷載（或運(yùn)營荷載與標(biāo)準(zhǔn)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

7、譜，也稱活載頻值譜。 荷載譜的制定，原則上應(yīng)將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)通過橋梁的每一類車型按不同形狀的影響線計(jì)算出相應(yīng)的內(nèi)力歷程，然后再將所有的內(nèi)力歷程予以累計(jì)，就得到所需要的荷載譜。為表示方便起見，一般另外再用標(biāo)準(zhǔn)活載對同樣的影響線計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力，而營運(yùn)荷載的大小則用營運(yùn)活載的內(nèi)力與標(biāo)準(zhǔn)活載的內(nèi)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(diǎn)位置等）、運(yùn)量、車輛編組、車輛等因素而異。二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理 當(dāng)然，要將在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)（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(jì)算出相應(yīng)的內(nèi)力歷程，這實(shí)在太繁瑣了，既不必要，也不可能。由于一條線路上，

8、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(jì)分析，仍可找到一些規(guī)律性的數(shù)據(jù)，因此，實(shí)際上可以將營運(yùn)荷載用幾種“典型列車編組”、或稱“標(biāo)準(zhǔn)營業(yè)車”來代表。各典型列車或標(biāo)準(zhǔn)營業(yè)車出現(xiàn)的次數(shù)也根據(jù)與實(shí)際營運(yùn)荷載等效的原則來確定。上述“典型列車編組”或“標(biāo)準(zhǔn)營業(yè)車組”用作疲勞驗(yàn)算時(shí)又稱之為“疲勞車”。這樣只計(jì)算“疲勞車”的內(nèi)力歷程并乘以其出現(xiàn)的累計(jì)次數(shù)，再總加起來，就可以得到所需要的荷載譜。二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)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

9、是世界上首個(gè)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(jìn)行研究的國家之一，而BS5400鋼橋、混凝土橋及結(jié)合橋的第十篇疲勞設(shè)計(jì)實(shí)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(biāo)準(zhǔn)荷載頻值譜;標(biāo)準(zhǔn)疲勞車荷載譜。二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理1.1標(biāo)準(zhǔn)荷載頻值譜 標(biāo)準(zhǔn)荷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(yùn)營車的最小軸重為30kN，默認(rèn)總重在30kN以下的車輛活載不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞效應(yīng)。典型營業(yè)車的荷載頻值譜如表 1所示。1.2標(biāo)準(zhǔn)疲勞車荷載譜 由于典型車輛標(biāo)準(zhǔn)荷載譜中

10、運(yùn)營車輛較多，計(jì)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(jìn)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(chǔ)，提出了標(biāo)準(zhǔn)疲勞車。二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理 標(biāo)準(zhǔn)疲勞車為一四軸單車，軸重均為80kN，總重為320kN。標(biāo)準(zhǔn)車示意圖如圖1、圖2所示: 二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)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

11、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(jìn)行修正，否則計(jì)算出來的結(jié)果會(huì)過于保守。采用此種疲勞荷載模型的最大應(yīng)力以及最小應(yīng)力值的確定，應(yīng)當(dāng)將以上荷載根據(jù)所計(jì)算橋梁的可能加載位置進(jìn)行加載。二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理 疲勞荷載模型二 疲勞荷載模型二采用一系列的理想加載車成，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、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)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(jìn)行總結(jié)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(zhǔn)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

12、荷載模型的應(yīng)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(jié)構(gòu)的疲勞壽命是否能夠滿足設(shè)計(jì)要求，而第一與第二類模型也只能用于鋼結(jié)構(gòu)，而不能用于其它材料的橋梁結(jié)構(gòu)。并且，疲勞模型一包含了多車效應(yīng)，相對于疲勞模型二更為保守。二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理4 4我國學(xué)者對疲勞荷載譜的研究工作概述我國學(xué)者對疲勞荷載譜的研究工作概述 我國學(xué)者同濟(jì)大學(xué)的童樂為教授與西南交通大學(xué)的任偉平博士也對公路荷載譜進(jìn)行了研究，所采用的方法均為基于交通量的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行。不同的是，童樂為教授采用的是現(xiàn)場記錄法，對上海

13、某橋梁的交通量進(jìn)行記錄，并利用統(tǒng)計(jì)方法得出了荷載頻值譜，該荷載頻值譜由6種典型的運(yùn)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(dòng)態(tài)車輛重量監(jiān)測系統(tǒng))數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并針對不同橋型，提出了幾種不同的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車模型。以上兩位學(xué)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(jià)值。二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理2.7.3 2.7.3 應(yīng)力譜與應(yīng)力歷程計(jì)算應(yīng)力譜與應(yīng)力歷程計(jì)算 如前所述，荷載譜實(shí)際上是內(nèi)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(yīng)實(shí)際應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力差異的構(gòu)造系數(shù)等）就可以得到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)營運(yùn)荷載所產(chǎn)生的按大小和出現(xiàn)次數(shù)開列的實(shí)際

14、應(yīng)力集合，或稱之為“應(yīng)力譜”。 應(yīng)力譜定義：由荷載譜產(chǎn)生構(gòu)件的應(yīng)力就叫做應(yīng)力譜。 根據(jù)荷載譜計(jì)算產(chǎn)生應(yīng)力歷程，計(jì)算時(shí)須考慮動(dòng)力的作用，即沖擊系數(shù)的發(fā)大作用和校驗(yàn)系數(shù)等；也可以從實(shí)測得到應(yīng)力歷程然后根據(jù)應(yīng)力歷程，不同應(yīng)力幅大小及次數(shù)的集合，即應(yīng)力譜。二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理 應(yīng)力歷程計(jì)算 如何統(tǒng)計(jì)應(yīng)力歷程中各應(yīng)力幅的次數(shù)的兩種方法。 1.雨流法 應(yīng)力歷程轉(zhuǎn)動(dòng)90度，假想雨水沿應(yīng)力歷程流動(dòng)，由此統(tǒng)計(jì)各應(yīng)力幅的數(shù)量，具體方法如下： （1）從古點(diǎn)開始流動(dòng)的雨水到達(dá)峰點(diǎn)時(shí)豎直下滴，流到下層屋面并繼續(xù)往下流，當(dāng)流到某一層層面遇見一個(gè)來源于比本次谷點(diǎn)更低的谷點(diǎn)的雨水，則停止流動(dòng)。同理，從峰點(diǎn)開始流動(dòng)

15、的雨水到達(dá)谷點(diǎn)時(shí)豎直下滴，流到下一層面并繼續(xù)往下流，當(dāng)流到某一層面遇見一個(gè)來源于比本次峰點(diǎn)更高的峰點(diǎn)的雨水，則停止流動(dòng)。二、鋼橋鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)勞設(shè)計(jì)原理 （2）任何情況下，在某一層層面流動(dòng)的雨水遇見上一層面屋面流下的雨水，則停止流動(dòng)。 （3）每次雨流的起點(diǎn)和終點(diǎn)作為半個(gè)應(yīng)力循環(huán)。 2泄水法 泄水法統(tǒng)計(jì)應(yīng)力歷程個(gè)應(yīng)力幅次數(shù)的計(jì)算原則 （1）鏡像同樣的應(yīng)力歷程圖，對稱于與豎坐標(biāo)軸平行的對稱軸，將兩個(gè)最大峰值點(diǎn)5和5用水平虛線相連，把該虛線以下部分圖形看作一個(gè)水池的橫斷面。 （2）選擇最低的谷點(diǎn)泄水。如果有兩個(gè)或更多相等的最低谷點(diǎn)，則可以選擇任何一個(gè)谷點(diǎn)泄水，以水面到該谷點(diǎn)的泄水深度作為一次循環(huán)的應(yīng)

16、力幅。 （3）對泄不出去的剩余水，重復(fù)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(yīng)力幅。三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法3.13.1抗疲勞設(shè)計(jì)的基本要求：抗疲勞設(shè)計(jì)的基本要求： 預(yù)測整個(gè)設(shè)計(jì)壽命期間完整的荷載序列-荷載譜； 計(jì)算荷載下結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)； 繪制各類細(xì)部構(gòu)造的疲勞曲線； 根據(jù)疲勞檢算原則進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)。三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法3.23.2抗疲勞設(shè)計(jì)的一般方法抗疲勞設(shè)計(jì)的一般方法 抗疲勞設(shè)計(jì)方法一般可分為四大類： 無限壽命設(shè)計(jì) 此方法限制應(yīng)力不超過常幅疲勞極限，保證構(gòu)件永遠(yuǎn)不破壞，具有無限壽命。 安全壽命設(shè)計(jì) 此方法根據(jù)疲勞曲線下限和疲

17、勞荷載的上限來計(jì)算損傷。它提供了一個(gè)較保守的疲勞壽命估計(jì)，在使用壽命期內(nèi)，無須對結(jié)構(gòu)實(shí)施檢測，故該法也成為有限壽命設(shè)計(jì)法。三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法 損傷容許設(shè)計(jì) 此方法通過一個(gè)接一個(gè)檢測環(huán)節(jié)監(jiān)視疲勞裂紋增長，一旦疲勞裂紋達(dá)到一個(gè)預(yù)設(shè)尺寸，部分構(gòu)件就要加以修補(bǔ)或更換。此方法適用于應(yīng)用安全設(shè)計(jì)方法影響到結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性或細(xì)部具有較高的裂紋開裂風(fēng)險(xiǎn)時(shí)。顯然，此法將帶來比安全壽命設(shè)計(jì)方法較高的結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險(xiǎn)。 依據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 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(yīng)力、疲勞強(qiáng)度或裂紋增長的數(shù)據(jù)時(shí)。三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法3.33.3無限壽命設(shè)計(jì)無限壽命設(shè)計(jì) 無

18、限壽命設(shè)計(jì)方法的出發(fā)點(diǎn)是，構(gòu)件在設(shè)計(jì)應(yīng)力下能夠長期安全使用。對于等幅循環(huán)應(yīng)力，即應(yīng)力幅和平均應(yīng)力不隨時(shí)間變化的穩(wěn)定交變應(yīng)力狀態(tài)，無限壽命設(shè)計(jì)方法的強(qiáng)度條件是構(gòu)件的工作應(yīng)力等于或小于等幅疲勞極限。對于變幅循環(huán)應(yīng)力，即隨時(shí)間變化的不穩(wěn)定交變應(yīng)力狀態(tài)，可按其最大應(yīng)力幅小于構(gòu)件的等效等幅疲勞極限強(qiáng)度的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，見圖9-13。按疲勞極限的定義，當(dāng)構(gòu)件的工作應(yīng)力小于疲勞極限時(shí)，構(gòu)件能夠長期安全使用。 無限壽命設(shè)計(jì)方法在英國規(guī)范BS5400中的鐵路橋疲勞驗(yàn)算中也稱為簡化法，它適用于對規(guī)范的構(gòu)造細(xì)部級別并按標(biāo)準(zhǔn)荷載頻譜受載的構(gòu)件。按此方法設(shè)計(jì)，無需考慮構(gòu)件的疲勞損傷度。三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞

19、設(shè)計(jì)方法3.43.4安全壽命設(shè)計(jì)安全壽命設(shè)計(jì) 安全壽命設(shè)計(jì)方法是保證結(jié)構(gòu)在一定使用期內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞，因此允許構(gòu)件的工作應(yīng)力超過疲勞極限，結(jié)構(gòu)的重量可以比無限壽命設(shè)計(jì)方法為輕。目前國際上大都采用這種設(shè)計(jì)思想進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)。 安全壽命設(shè)計(jì)方法是無限壽命設(shè)計(jì)方法的直接發(fā)展，二者的基本設(shè)計(jì)參數(shù)都是名義應(yīng)力，其設(shè)計(jì)思想也大體相同，都是根據(jù)細(xì)部疲勞的S-N曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，所不同的只是無限壽命設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(qiáng)度下降，亦即有限壽命部分。三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法 由于有限壽命的設(shè)計(jì)

20、應(yīng)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(shè)計(jì)方法不能再象無限壽命設(shè)計(jì)方法那樣只驗(yàn)算最大應(yīng)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。目前在橋梁疲勞設(shè)計(jì)中都采用Palmgren-Miner提出的線性損傷累積理論。 預(yù)測的結(jié)構(gòu)營運(yùn)歷程常采用加載序列和頻率來表達(dá)，再分析潛在起裂處的應(yīng)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(yīng)的應(yīng)力譜。 采用安全壽命設(shè)計(jì)方法的條件是：構(gòu)造細(xì)部的疲勞強(qiáng)度曲線必須已知，含潛在起裂處構(gòu)件的制造質(zhì)量要符合疲勞分級的定義。三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞

21、設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法 對于一般性的變幅應(yīng)力作用,必須象安全壽命設(shè)計(jì)方法一樣計(jì)算應(yīng)力譜,但必須至少拆成10個(gè)相同的序列,即每級應(yīng)力幅的循環(huán)數(shù)至少分成10份。并將應(yīng)力序列從大到小排列。對每級常幅應(yīng)力循環(huán),裂紋增長計(jì)算采用與應(yīng)力比相應(yīng)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(yīng)力確切已知,否則,應(yīng)該采用在高應(yīng)力比(=0.8)或常值應(yīng)力強(qiáng)度因子下的裂紋增長曲線。三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法

22、三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法3.63.6通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)通過試驗(yàn)設(shè)計(jì) 如果不具備足夠的疲勞強(qiáng)度或裂紋增長數(shù)據(jù)和受載歷程不確切以及構(gòu)造細(xì)部過于復(fù)雜等情況,則必須依據(jù)疲勞試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)。當(dāng)然，通過試驗(yàn)來驗(yàn)算設(shè)計(jì)細(xì)部的疲勞強(qiáng)度,可作為上述設(shè)計(jì)方法的替代方案，但試驗(yàn)必須用完整的原型或構(gòu)件中的細(xì)部部分,它的材料、細(xì)部尺寸和制造方法也應(yīng)與原型相符合。三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法三、鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)方法3.73.7結(jié)論結(jié)論 以上討論了鋼橋抗疲勞設(shè)計(jì)理論的新發(fā)展,但在實(shí)際應(yīng)用中還要注意以下幾點(diǎn): (1)安全壽命設(shè)計(jì)方法是以截面名義應(yīng)力計(jì)算的,對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)必須采用有限元方法進(jìn)行應(yīng)力分析。 (2)在

23、設(shè)計(jì)中必須詳細(xì)說明設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的制造質(zhì)量要求,諸如連接不完善的界限值以及相應(yīng)的探測方法和探測范圍。 (3)在應(yīng)用斷裂力學(xué)方法計(jì)算疲勞壽命時(shí),裂紋展模擬必須考慮到各種不利因素,比如殘余應(yīng)力、熱影響區(qū)的材質(zhì)變化等因素。 (4)在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮設(shè)計(jì)對象所處環(huán)境對疲勞強(qiáng)度的影響。 (5)對新的疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以收集,供以后疲勞設(shè)計(jì)使用。四、鋼橋鋼橋抗疲勞勞的構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)細(xì)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(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)以及拱橋短吊桿連接等等。四、鋼橋鋼橋抗疲勞勞的構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)細(xì)節(jié)4.1.14.1.1斜拉橋索梁錨

24、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(gòu)造, 由于結(jié)構(gòu)形式所限, 該區(qū)域板件較多,構(gòu)造復(fù)雜, 通常要產(chǎn)生非常明顯的應(yīng)力集中, 而且要直接承受因車輛荷載、風(fēng)荷載等而產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)。 為保證這種結(jié)構(gòu)的疲勞性能, 設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下問題: (1) 幾何形狀變化引起的應(yīng)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(shí)應(yīng)更加注意控制焊接質(zhì)量; (3) 強(qiáng)制約束和面外變形等引起的次應(yīng)力。四、鋼橋鋼橋抗疲勞勞的構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)細(xì)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn), 已成為世界上大、中跨徑現(xiàn)代鋼橋通常采用的橋

25、面結(jié)構(gòu)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(gè)方面: (1) 鋼橋面板直接承受車輛輪荷載的反復(fù)作用; (2) 各部位應(yīng)力影響線長度較短, 一輛車經(jīng)過可能會(huì)產(chǎn)生多個(gè)應(yīng)力循環(huán); (3) 鋼橋面板應(yīng)力狀況比較復(fù)雜, 并且交叉部位應(yīng)力集中嚴(yán)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(zhì)量不易保證;(5) 關(guān)于鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)較少, 各國規(guī)范對此還沒有明四、鋼橋鋼橋抗疲勞勞的構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)細(xì)節(jié)確規(guī)定。 通過大量疲勞開裂實(shí)例和試驗(yàn)研究, 鋼橋面板疲勞性能有如下幾個(gè)方面需要注意: (1) 縱肋與蓋板的焊

26、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(yīng)力狀況復(fù)雜, 尤其是橫梁腹板, 本身處于二向應(yīng)力狀態(tài), 孔和焊縫端部又產(chǎn)生應(yīng)力集中, 還要受到縱肋撓曲變形引起的面外彎曲應(yīng)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(shù)、焊接質(zhì)量以及焊接順序等);(4) 橫梁腹板與蓋板的焊接等。四、鋼橋鋼橋抗疲勞勞的構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)細(xì)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(guān)注。對于采用焊接整體節(jié)點(diǎn)的大跨徑鋼桁梁, 與焊接整體節(jié)點(diǎn)密切

27、相關(guān)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(diǎn)外拼接接頭等細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度可能控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)引起注意。四、鋼橋鋼橋抗疲勞勞的構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)細(xì)節(jié)4.1.44.1.4管結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)管結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn) 現(xiàn)代管結(jié)構(gòu)多采用主支管直接相貫焊接的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造型式。就空心管結(jié)構(gòu)而言,由于支管的軸向剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于支管的徑向剛度,支主管的相貫線成為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。該處不僅會(huì)出現(xiàn)很高的應(yīng)力集中, 而且又存在有焊接缺陷和焊接殘余拉應(yīng)力。多種不利因素相疊加,使管節(jié)點(diǎn)對交變荷載的抵抗能力較低,疲勞裂紋往往起源于高應(yīng)力區(qū)的初始缺陷處,常常在熱點(diǎn)應(yīng)力附近由表面裂紋擴(kuò)展并穿透管壁,見圖所示,逐步擴(kuò)展而使節(jié)點(diǎn)破壞

28、,導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)承載力的喪失。四、鋼橋鋼橋抗疲勞勞的構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)細(xì)節(jié)4.1.5 4.1.5 拱橋短吊桿拱橋短吊桿 拱橋中的短吊桿受力非常復(fù)雜。由于短吊桿線剛度較長吊桿大, 因此要承擔(dān)更大的活載及制動(dòng)力;同時(shí)由于在溫度、制動(dòng)力等水平荷載作用下,反復(fù)發(fā)生順橋向的水平位移,上下兩個(gè)錨點(diǎn)偏離鉛垂線,形成很大的折角,錨點(diǎn)附近索段反復(fù)彎曲,容易發(fā)生疲勞破壞。此外,錨頭附近吊桿護(hù)套損壞、鋼絲銹蝕等不利因素也應(yīng)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(dòng)荷載沖擊影響要大得多,有時(shí)甚至是2倍以上,這會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件應(yīng)力幅增大,對疲勞性能產(chǎn)生不利影響。四、鋼橋鋼橋抗疲勞勞

29、的構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)細(xì)節(jié)4.24.2提高鋼橋焊接細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度的方法：提高鋼橋焊接細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度的方法： 在焊接鋼橋的設(shè)計(jì)和制造過程中，某些疲勞強(qiáng)度較低的細(xì)節(jié)有時(shí)難以避免，若采取增大構(gòu)件斷面降低其名義應(yīng)力的方法，來確保其疲勞壽命，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度來看是不合適的，特別對于目前趨向使用高強(qiáng)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(xì)節(jié)的疲勞性能對于現(xiàn)代焊接鋼橋的進(jìn)一步發(fā)展具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。 近些年來，人們已經(jīng)研究出了多種提高焊接細(xì)節(jié)疲勞壽命的方法，概括起來分為三類： 一是改善結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的幾何形狀，減小結(jié)構(gòu)的幾何應(yīng)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(yù)制殘余壓應(yīng)力，或者消

30、除有不利影響的焊接殘余拉應(yīng)力（錘擊、超聲波沖擊等）； 三是覆蓋特殊涂層，防止腐蝕介質(zhì)的不利影響（涂裝油漆、復(fù)合材料等）。四、鋼橋鋼橋抗疲勞勞的構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)細(xì)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(yīng)力是應(yīng)力腐蝕發(fā)生的主要條件之一, 控制和降低重要構(gòu)造細(xì)節(jié)的拉應(yīng)力是防止疲勞破壞的最有效措施。 構(gòu)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(yīng)力集中。 避免高裝配應(yīng)力和殘余應(yīng)力, 減少冷加工,嚴(yán)格控制受拉構(gòu)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(fù)應(yīng)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(yīng)力區(qū), 使缺口效

31、應(yīng)盡量分散。四、鋼橋鋼橋抗疲勞勞的構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)細(xì)節(jié) 盡可能不采用偏心連接, 避免不必要的附加應(yīng)力。對部分構(gòu)造細(xì)節(jié), 經(jīng)焊后處理可大幅度提高名義應(yīng)力, 必要時(shí)可以采用。 在特別危險(xiǎn)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(jié)構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì), 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(yīng)力腐蝕。五、正交異異性鋼橋鋼橋面板的疲勞問題勞問題的討論討論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(jié)構(gòu)(見圖1)。目前被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)、外諸多中大型公、鐵路橋梁的建設(shè)中。相比混凝土橋面板，正交異性鋼橋面板具有質(zhì)量輕、

32、強(qiáng)度高、施工快捷等優(yōu)點(diǎn)，不足之處是結(jié)構(gòu)柔、變形大、易疲勞，其中易疲勞是正交異性鋼橋面板設(shè)計(jì)中不可回避的重點(diǎn)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(jié)構(gòu)形式，它的疲勞性能也格外令人關(guān)注。五、正交異異性鋼橋鋼橋面板的疲勞問題勞問題的討論討論 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(fù)作用，各部位的應(yīng)力影響線長度短，車輛引起的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)比一般部位要多； 鋼橋面板的應(yīng)力狀況復(fù)雜，還有許多現(xiàn)場拼接接頭、焊接質(zhì)量不易保證等問題。五、正交異異性鋼橋鋼橋面板的疲勞問題勞問題的討論討論5.2 5.2 國內(nèi)規(guī)范現(xiàn)狀國內(nèi)規(guī)范現(xiàn)狀 我國正交異性鋼橋面板的應(yīng)

33、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(shè)計(jì)，在我國鐵路、公路橋梁規(guī)范中均無相關(guān)規(guī)定，相關(guān)研究也鮮見。其設(shè)計(jì)有參照國外規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)的，有自制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，無相對統(tǒng)一和固定的設(shè)計(jì)力一法，這導(dǎo)致我國橋梁正交異性鋼橋面板抗疲勞設(shè)計(jì)不夠系統(tǒng)和準(zhǔn)確。五、正交異異性鋼橋鋼橋面板的疲勞問題勞問題的討論討論目前在國內(nèi)已建成的正交異性鋼橋面板橋梁中己觀察到不同程度的疲勞裂

34、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(shè)計(jì)，在我國目前無規(guī)范可依，參照何種標(biāo)準(zhǔn)對正交異性鋼橋面板進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)一直是我國橋梁工作者面臨的一個(gè)問題。為給我國公路橋梁正交異性鋼橋面板抗疲勞設(shè)計(jì)提供參考，對美國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范（簡稱AASHTO)及歐洲規(guī)范3:鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（簡稱Eurocode3)中對公路橋梁正交異性鋼橋面板抗疲勞設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行介紹，分別從疲勞荷載、疲勞細(xì)部分類及疲勞驗(yàn)算公式等三方面對兩本規(guī)范進(jìn)行對比，應(yīng)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(jìn)行疲勞驗(yàn)算。五、正交異異性鋼橋鋼橋面板的疲勞問題勞問題的討論討論五、正交異異性鋼橋鋼橋面板的疲勞問題

35、勞問題的討論討論5.3.25.3.2疲勞細(xì)部分類疲勞細(xì)部分類 對于橋梁鋼結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)，AASHTO和Eurocode3均是著眼于細(xì)節(jié)構(gòu)造，對易發(fā)生疲勞破壞的細(xì)節(jié)構(gòu)造(稱為疲勞細(xì)部)進(jìn)行疲勞評定、統(tǒng)計(jì)、歸類并分級，試驗(yàn)確定其S-N曲線以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。實(shí)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(gè)區(qū)域的構(gòu)造細(xì)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(xì)部分類進(jìn)行詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)、歸類并對比后得出:AASHTO、Eurocode3對正交異性鋼橋面板的疲勞細(xì)部分類基本一致，不但考慮了構(gòu)造差異，而且考慮了焊接及加五、正交異異性鋼橋鋼橋面板的疲勞問題勞問題的討論討論五、正交異異性鋼橋鋼橋面板的疲勞問題勞問題的討論討論五、正交異異性鋼橋鋼橋面板的疲勞問題勞問題的討論討論五、正交異異性鋼橋鋼橋面板的疲勞問題勞問題的討論討論五、正交異異性鋼橋鋼橋面板的疲勞問題勞問題的討論討論五、正交異異性鋼橋鋼橋面板的疲勞問題勞問題的討論討論五、正交異異性鋼