王志民 民瑞 中交第一公路勘察设计院有限公司
摘要：科学合理的桥梁钢结构设计是保证桥梁安全运行的前提。设计的关键环节是钢结构的抗疲劳性能是否满足实际需要。本文以实际工程为例，基于应力疲劳研究钢结构的低温疲劳性能。提出了抗疲劳设计应掌握的原则，并在设计时从稳定性、完整性等方面进行了回应。希望措施为进一步优化桥梁钢结构抗疲劳设计提供参考意见。
关键词：钢结构；疲劳性能；桥梁设计；
目前，建造桥梁时选择钢结构形式已十分普遍。此类桥梁可按其较为完善的标准化要求进行设计和施工。不仅如此，它还具有模块化的特点，有利于桥梁的稳定性。如果施工顺利，该型桥也能满足相关环保要求。钢结构桥梁的使用寿命取决于其抗疲劳能力。如果钢结构的抗疲劳性能较差，最直接的影响就是降低桥梁的使用寿命，并且桥梁在运营过程中需要定期维护，从而增加成本。投资成本。由此看来，钢结构的抗疲劳设计对于桥梁的使用至关重要。
1 项目概况
该桥起点编号为ZK0+238.55，终点编号为ZK0+5.4.55，桥梁总长266m，共三座桥梁，孔洞为(4×20)+(20 +29.6+30.4+20)+(4×20)米。其中，第一、第三单元为现浇混凝土连续梁，第二单元为钢结构连续梁，其平面位于R=55m的圆曲线上。下方运行的主要道路是汉沙线。
2 基于应力疲劳的钢结构低温疲劳性能研究 2.1 SN曲线
在钢结构疲劳设计和寿命评估研究中，sN曲线主要包括材料的sN曲线和结构细节的sN曲线。前者是评价材料疲劳性能的主要依据之一，后者是采用名义应力法预测结构件疲劳寿命的主要依据之一。 SN 曲线最常用的形式如方程（1）所示。
由于结构构件在使用过程中承受着不同平均载荷的交变载荷，此外，不同的结构构件本身也具有不同的应力集中系数。因此，通常测量不同载荷类型和不同应力比下光滑小尺寸试件和缺口小尺寸试件的材料SN曲线。
针对不同的结构细节，由于细节处的应力状态复杂，相关疲劳设计规范将不同的结构细节进行分组，并提供相应的SN曲线，为结构件的疲劳设计和寿命预测提供参考。
当疲劳设计规范中没有对结构细节进行适当分类时，大多采用比例或全尺寸高周疲劳试验来验证细节的疲劳性能。
2.2 基于料位的SN曲线
通过对大量光滑和缺口试件金属材料进行等幅疲劳试验的文献研究发现，对于光滑试件，长寿命区（>104）的低温疲劳性能优于室温疲劳表现;对于有缺口的试样，长寿命疲劳性能优于室温下的疲劳性能。寿命区（>104）的低温疲劳性能略优于或接近常温疲劳性能。对于短寿命区域的光滑试样和缺口试样，低温的影响可能是有益的，也可能是有害的。
基于热活化理论，认为金属材料低温疲劳极限的增量等于屈服强度的增量，提出了金属材料低温疲劳极限的近似预测模型，如式（2）所示，但该式不适用于其他金属材料。其适用性还有待进一步验证。
式(2)中：T为低温，℃； Tr为室温，℃； σLT——低温疲劳极限，MPa； σL(T0)——室温疲劳极限，MPa； Δσy为低温和室温下的屈服强度。差值是兆帕。
3 抗疲劳设计原则 3.1 质量优先原则
这一原则涉及到钢结构桥梁从设计到施工、验收等各个环节，质量保证是抗疲劳的前提。质量优先最重要的是确保钢构件材料的质量满足设计要求。原材料的质量是提高抗疲劳性能最关键的因素。如果原材料本身存在未被注意到的微小裂缝，一旦投入使用，裂缝往往会因桥梁荷载的压力而逐渐变大，给桥梁的安全运营带来巨大的隐患。可见，选择钢构件材料时，不仅要满足强度要求，而且不能有表面应力缺陷。尽管如此，质量优先的原则不仅对原材料的质量提出了要求铁路桥梁钢结构设计规范 下载，还体现在施工各阶段的质量控制中，施工过程中应尽可能避免人为失误，降低工程质量。该项目。
3.2 成本控制原则
桥梁的造价还必须在施工前进行预算，以确保项目完工前所需的投资在预算之内。因此，在进行钢结构桥梁的抗疲劳设计时，不仅要注重质量控制，还要关注施工成本。成本控制的主要目的是以尽可能低的成本保证最大的经济效益。因此，专业技术人员在进行抗疲劳设计时，需要综合考虑所有影响因素，在保证质量的同时制定更加精准的设计。合理的设计方案。例如，在选择钢构件时，不仅要保证材料的质量，还要考虑其市场价格。当抗疲劳水平相同时，必须比较材料的价格。当材料价格相同时，必须比较两者的抗疲劳水平。通过对供应市场的现场考察，比较选择性价比最高的材料，避免资金浪费。
在进行成本控制时，不仅要考虑钢结构原材料的价格因素，还要考虑材料的可替代性，最大限度地利用资源。除了建设阶段的资本支出属于成本的一部分之外，在后期的使用和维护阶段也需要一定的成本。如果能够对有问题的钢构件进行更换或替换，就不会降低钢结构的抗疲劳能力和桥梁的安全性，也会在很大程度上减少后期的成本投入，有利于合理控制桥梁的成本。这个项目。
3.3 环境适宜性原则
虽然钢结构桥梁是最常见的，但钢结构桥梁因地区而异。各种钢结构桥梁之间有一定的共性，也有自己独特的性能。它们之间的共性体现在钢结构的焊接上。焊接质量和焊缝尺寸会造成钢结构表面应力不足，这也是产生裂纹、裂纹的主要原因。因此，在钢结构桥梁施工过程中保证了最大程度的保证。焊接质量和减少构件残余应力对于每种类型的钢结构桥梁都非常重要。从以上分析可以看出，外部环境也会影响钢结构的抗疲劳性能。尤其是在焊接钢构件时，外部气候对焊接质量的影响更为明显。埋弧焊在建筑中经常使用。春秋两季采用这种焊接方法，焊接质量比较理想。但如果选择在夏季进行工作，会受到外界潮湿空气的影响，导致焊剂受潮，容易出现焊缝处。气泡减少了部件表面的应力。因此，必须根据外部气候、天气的不同，相应改变焊接作业的方法，并制定有针对性的施工作业计划。另外，根据不同地区，钢结构的设计要求也会有所不同。众所周知，我国幅员辽阔，南北气候差异巨大。因此，不同地区的桥梁设计会有很大差异。例如，在寒冷的东北地区，钢结构设计时不得采用中南部地区的设计方案。相反，抗疲劳设计的重点应该放在动态载荷和对冷脆性的影响上。所需原材料也应具有较大的抵抗力。强度、韧性。
4 抗疲劳设计策略 4.1 稳定性设计
桥梁结构有多种类型。其中，钢结构具有轻质高强的显着优势，在建筑工程中发挥着重要作用。但这种类型在抗倾覆稳定性方面仍存在一定的缺陷。在我国，施工过程中曾发生过桥梁倾覆的情况。经分析发现，桥梁抗疲劳设计中没有充分考虑与侧向抗倾覆相关的因素，为桥梁的施工埋下了巨大的安全隐患，也不能带来应有的效益。这种情况在小半径多车道桥梁建设中很常见。当桥面宽度大于钢梁提供的宽度时，会造成梁受力不均匀，导致桥梁倾覆。由此看来，在进行钢结构桥梁的抗疲劳设计时，其抗侧倾能力也是设计内容中最重要的部分之一。因此，有关部门在设计抗侧倾能力时，必须对梁上的应力进行全面、严格的计算，确保梁上各点的应力均衡，从而大大增强梁的稳定性。理论和实践工作表明，建造钢结构桥梁时，梁内填砂可以在一定程度上增强桥梁的稳定性。因此，施工方也需要严格按照工艺规范，尽可能地在梁处进行填砂作业。确保梁的抗倾覆能力。
4.2 完整性设计
桥梁建设首先必须满足的是桥体的完整性、稳定性和安全性。保持桥体的完整性也是确保桥梁建成后投入使用的费用在预算之内的重要因素。例如，当焊接技术应用于桥梁建设时，不可避免地会出现各种形式的接头。这些关节的应力水平也不同。同时，节点的应力与钢结构的承载性能有关。这也是在施工过程中，经常会因接头质量不够而出现钢结构质量不过关的连锁反应。不仅如此，焊接常常会造成接头处的变形，而变形影响接头的强度，从而降低整个钢结构的强度，容易产生裂纹、裂纹，可能会引发更大的事故。可见，保证接头质量也是保证桥梁稳定性和完整性的一项基本任务。焊接时，施工人员还需要采用其他技术手段检测接头的应力和抗疲劳水平，淘汰焊接质量不合格的接头，充分保证钢结构的质量。此外，施工时的特殊位置必须专门设计，以避免焊接操作造成的应力不均匀。必须采取个性化的措施，尽可能减少接头的应力，在一定程度上避免不完整的桥梁。 、不稳定现象。
4.3 其他设计
桥梁抗疲劳设计时，除了考虑桥体的稳定性和完整性外，还应注意其他方面的设计。例如，在计算桥梁结构的内力时，通常考虑侧孔为单悬臂结构，中控选择简支挂梁的形式来确定相关参数。因此，为了便于内力计算，一般将桥梁细分为若干单元，每个单元都有固定的编号和数据信息。计算中还会涉及到预应力、收缩、徐变等相关信息。如果桥梁主路面计算宽度大于设计值，则必须对钢结构宽箱梁采取相应的调整措施最大限度地保证桥梁的安全稳定。
4.4 许用应力
我国的桥梁规范中铁路桥梁钢结构设计规范 下载，在控制疲劳强度和疲劳细节时，规范仍然采用应力比，缺乏疲劳荷载模型的使用。它使用应力极值而不是应力幅值。这与最新理论有一定差距。不能完全反映构件的实际受力情况，需要进行修正和改进。根据具体构件的受力类型，给出相应的计算分析公式，见表1。这些计算公式与结构静强度设计的计算公式一致。疲劳细节一共有6种，编号为A1、A2、A3、A4、A5、A6。这些疲劳细节的许用应力值与应力比有一定的关系。各类细部的疲劳许用应力大小[σn]见表2。各疲劳细部的最大应力必须小于钢材的基本许用应力，同时还必须满足表2的要求。
表1 钢结构桥梁疲劳强度计算公式 下载原图
从表1可以看出，我国桥梁设计规范中，强度计算和疲劳应力计算公式是一致的。式中：M为构件弯矩，kN·m； N——构件承受的轴向力，N； Wj——构件校核截面对主轴线的净截面抵抗力矩，mm； Aj 为杆件疲劳校核截面处的净截面。横截面积，m2。
表2 公路规范各细则疲劳许用应力 下载原图
表2中：ρ=±|σ|min/|σ|max，在拉伸时取正值，在拉伸和压缩循环时取负值。根据表2计算公式，当绝对最大应力为压应力时，疲劳细节应力比修正系数为1/(0.6-ρ)。当绝对最大应力为拉应力时，疲劳细节应力比修正系数为1/(1-0.6ρ)，通过计算，应力比取不同值时，得到表3所示的应力比修正系数。
表3 应力比修正系数 下载原图
5 结论
综上所述，钢结构桥梁设计的关键是抗疲劳设计，因为桥梁的抗疲劳性能直接关系到桥梁能否产生理想的经济效益，能否为人们的安全出行提供可靠的道路保护。地区稳定发展，从而收获更大的社会效益。因此，在桥梁建设时，必须遵循质量优先、控制成本、适应环境的原则，然后制定有针对性的设计方案，采取多种措施，保证桥体的安全、稳定、完整，最大限度地保证桥体的安全、稳定、完整。延长钢结构桥梁的使用寿命。
参考
[1]周尚猛，李亚东。国内外铁路桥梁规范抗疲劳设计方法分析铁路标准设计，2010（03）：46-49。
[2]朱劲松，孟惠林。公路钢桥抗疲劳精细化设计方法及其应用桥梁建设，2009（03）：44-47+58。
[3]曹伟.公路钢结构桥梁抗疲劳设计方法分析信息化建设，2016（05）：234。
[4] 范海林．公路钢结构桥梁抗疲劳设计方法研究四川建材，2017（07）：156-158。
[5] 张华，阮家顺，沈俊杰，等。钢桥面U型肋焊缝抗疲劳设计及焊接新技术。钢结构，2019（01）：82-85。
