公路钢桥抗疲劳设计概述

摘要：基于疲劳与断裂是钢构件失效的最可能原因，应对疲劳设计给于相当的重视。本文对我国公路桥梁疲劳设计问题进行了简述，并对国外规范进行了总结。提出了我国疲劳验算的缺陷和制定与完善公路钢桥疲劳规范的迫切性。

关键词： 公路钢桥； 疲劳设计； 荷载模型

AbstractBased on fatigue and fracture is the most likely reason in failure of steel members. This paper, resumed the design of highway bridge fatigue problems in our country, and summarized foreign standard. Puts forward the defects of fatigue calculation in our country and the urgency to formulate and perfect highway steel bridge fatigue specification.

Key words: Highway steel bridge; Fatigue design; Load model

中图分类号：U448.14文献标识码： A 文章编号：

1疲劳研究的必要性

公路钢桥的疲劳是指在车辆荷载的反复作用下构件在低于钢材屈服强度的情况下发生的脆性破坏。[1]钢结构构件最常遇到三种破坏形式：拉构件强度破坏、压构件失稳破坏、反复拉压构件疲劳断裂。其中疲劳与断裂是钢构件失效的最可能原因。据美国1982统计结果，80%-90%钢桥的破坏与疲劳断裂有关，1967年美国西弗吉利亚州的Point Pleasant大桥在没有任何征兆的情况下突然倒塌，造成46人死亡，调查结果显示是由于一拉杆下缘产生解理断裂。警醒下，各国对疲劳给于了相当的重视，随着工程实践和研究的加深，规范也在不断的修订和更新。

由于我国公路钢桥规范的落后导致了钢桥在设计、施工与养护时，不得不参考和使用英国、日本、美国等国外的规程和技术标准，而实际这些国外的规程和技术标准又不完全适合我国的国情。进行我国公路钢桥的抗疲劳设计, 保证钢桥长期安全使用是摆在桥梁工作者面前的重要研究课题。

抗疲劳设计方法

桥梁结构在使用过程中所承受的车辆荷载、人群荷载、风荷载以及地震荷载都是变化的，在结构中引起应力的变化。我们把荷载和应力随时间变化的历程分别称为荷载谱和应力谱，是疲劳设计的关键。其制定流程：（1）实际车辆荷载―正式调查时，取12或24小时连续现场观测。（2）荷载谱 ―实际营运荷载按大小及出现次数全部开列。（3）疲劳荷载模型 ―按等效损伤原理简化了的疲劳荷载谱。（4）应力历程 ―每一类车型按影响线计算得出相应的应力历程。（5）应力谱 ――将所有应力历程计数，得应力谱。

总结我国公路钢桥抗疲劳设计不足，主要有五点：

1、将应力比作为抗疲劳设计的参数，而目前公认的抗疲劳设计应力参数是应力幅。

2、只有以应力比为参数的疲劳细节分级。

3、仍采用以应力比为参数的容许应力法进行抗疲劳设计。

4、没有定义通用疲劳荷载模型。

5、缺少其他与抗疲劳设计有关的相关制作规定。

3国内外疲劳荷载模型简介

目前，桥梁疲劳验算所用荷载一般有三种形式：车辆荷载频值谱、一般标准疲劳车、采用静力强度设计时标准活载中的一辆重车，其中第一种最为精确，它是通过对桥梁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。目前，国外很多国家都在各自的桥梁设计规范中给出了相应的疲劳设计车辆荷载谱。（2）

3.1AASHTO疲劳货车

AASHTO钢桥疲劳设计指导性规范中定义了一种疲劳货车用于钢桥的疲劳验算，它是在大量的调查数据基础上得出的代表车型，实际是车辆荷载频值谱的简化。是一辆三轴设计货车，前轴重两个35kN，两后轴重145kN，间距为4300mm和9000mm，另外还规定了不同等级公路上此种货车的年交通量。

3.2BS5400疲劳标准车

BS5400中以三种形式给出了疲劳荷载：典型车式样 、标准疲劳车及表式样 、轴重频值谱 。典型车式样，其频值谱以英国1972年至1974年的调查为依据，所反映的是英国公路干线在今后若干年内的预期情况。由于采用典型车式样的活载频值谱在使用时很不方便，需要简化。所以想到了从疲劳致伤的角度出发，从典型车中提炼出一个“标准车”来。 因发现型号为4A―H的卡车对公路桥梁造成的损伤最为严重，定为 “疲劳标准车"，由四轴组成，各轴重80kN，间距为1800mm、6000mm、1800mm，同时也规定了各类道路每一车道上的年交通量。

3.3Eurocode疲劳荷载模型

（1）模型1 ―强度验算下的荷载模型,其轴重等于0.7Qlk，均布荷载等于0.3qlk和O.3qrk。最大和最小应力（和）应该由桥上模型的可能荷载布置来确定。

（2）模型2，由一系列理想货车组成，称之 “频遇”货车。

（3）模型3，由四轴组成，每轴有两个相同的车轮。轴重120kN，车轮接触面积为0.4×0.4m2。

（4）模型4，由一系列标准车辆构成，它们共同产生的效应与欧洲公路上特殊车辆产生的效应相同。

（5）模型5，记录的交通量数据的直接应用，若相关，可以用适当的统计和工程上的外推作为补充。

3.4国内抗疲劳设计现状

而目前，我国还没有制定疲劳设计的车辆荷载谱，采用的是静力强度设计时标准活载中的一辆重车，关于疲劳设计荷载，现行《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》规定“验算疲劳强度时，可根据桥梁的实际行车情况，选用实际经常发生的荷载组合中的车辆荷载进行计算。”[3]实际设计时，一般都根据英美规范或采用我国桥梁设计规范中的静力强度设计时标准活载中的一辆重车。但在我国部分大城市如上海、广州等都已经做过了一些针对疲劳荷载谱制定而进行的交通调查，也给出了参考用的疲劳标准车。只是具有地域局限性，不具有普遍性。

4结论

1、疲劳破坏因反复荷载的作用而产生，因此应采用频遇荷载作为疲劳荷载。而我国进行疲劳设计采用的疲劳荷载与进行强度设计的荷载一致，并不合理。

2、我国的公路桥荷载情况复杂、钢桥的制作工艺、安装技术水平与国外不同，施工质量控制能力较差、管理养护水平与国外先进国家也有较大的差距，如果照搬国外的规范，必然使钢桥设计施工中留下难以避免的遗憾甚至安全隐患。制定与完善我国自己的公路钢桥疲劳规范迫在眉睫。

参考文献

[1]陈绍蕃.钢结构设计原理[M]．3版．科学出版社．

[2] 岳峰.任晓菘.公路钢桥疲劳车辆荷载研究进展[J].建筑钢结构进展，2009(4)：36-39

[3] 刘兆吉.公路钢桥抗疲劳若干理论问题研究.