摘要：钢结构桥梁是桥梁发展过程中的重要组成部分，钢结构疲劳问题一直是桥梁研究中需要关注的重要方面。焊接过程会产生较大的应力集中，即焊接残余应力，容易使结构材料达到屈服，而影响结构的刚度。在结构承受动力荷载作用下经常不需达到强度极限便会破坏，因此研究焊接过程的应力分布和对疲劳的影响对桥梁安全具有重要意义。本文结合我国焊接钢桥疲劳研究的现状，总结出目前焊接钢结构桥梁疲劳破坏的机理、设计研究的主要方法以及一些有效的应对措施。
关键词：钢桥；焊接；疲劳应力；研究现状
钢桥疲劳应力的研究始于20世纪初，当时欧美等国的一些铆接钢桥细部出现了因疲劳而产生的裂纹，但当时并未引起人们的重视。到了20世纪中叶，一方面高强钢材的使用和设计技术的提高，减小了钢桥构件的截面尺寸，增大了结构活载与恒载之比；另一方面焊接技术在桥梁中的应用，使焊缝内部不可避免地留有初始缺陷而导致局部应力集中，加之结构构造形式的多样化等因素，使得钢桥疲劳裂纹的出现开始变得频繁，给桥梁运营带来了严重的安全隐患。
一、影响焊接结构疲劳强度的主要因素
1.静载强度对焊接结构疲劳强度的影响
一般情况下，基本金属的疲劳强度总是随着静载强度的增加而提高，但对于焊接结构来说情况就不一样了，因为焊接接头的疲劳强度与母材静强度、焊缝金属静强度、热影响区的组织性能以及焊缝金属强度匹配没有多大的关系，也就是说只要焊接接头的细节一样，高强钢和低碳钢的疲劳强度是一样的，具有同样的 曲线。2.应力集中对疲劳强度的影响
1）接头类型的影响
焊接接头的形式主要有：对接接头、十字接头、T形接头和搭接接头，在接头部位由于传力线受到干扰，因而发生应力集中现象。
2）焊缝形状的影响
无论是何种接头形式，它们都是由两种焊缝连接的，对接焊缝和角焊缝。焊缝形不
同，其应力集中系数也不相同，从而疲劳强度具有较大的分散性。对接焊缝的形状对接头的疲劳强度影响最大。
3）焊接缺陷的影响
焊接中的裂纹、未焊透、咬边、气孔、夹渣都易产生应力集中，对焊接疲劳应力都有较大影响。
二、钢桥焊接疲劳应力的主要研究方法
近些年来世界各国钢桥疲劳破坏实例的不断出现，为钢桥疲劳研究提供了动力和方向。
1）钢桥疲劳荷载谱和应力谱
钢桥疲劳是由轻重悬殊、几何尺寸各异的日常各种车辆荷载反复作用引起的累积损伤过程，因此钢桥疲劳设计所用的荷载应为经常作用的各种实际的车辆荷载。但20世纪70年代以前，各国的钢桥疲劳设计规范基本都是以静力强度设计载荷时的标准活荷载作为疲劳验算载荷，显然这是不合理的。20世纪70年代，英国和美国最早开始对车辆活载谱进行研究，随后，AASHTO桥梁设计规范、BS5400桥梁设计规范和Eurcode 设计规范等，纷纷明确规定了用于钢桥疲劳设计和寿命评估的疲劳荷载谱。
2）钢桥焊接细节疲劳寿命设计曲线( 曲线)
疲劳寿命曲线( 曲线)是表示构造细节疲劳寿命与外加应力之间关系的曲线， 曲线是人们最早用来深入研究结构疲劳行为的重要方法，特别是在高周疲劳行为的研究中得到了广泛应用，至今仍然是世界各国进行钢桥疲劳分析和疲劳设计的主要方法。该方法的主要以对钢桥各种结构细节所进行的大量常幅疲劳试验数据为依据，但钢桥疲劳属于变幅、低应力、高循环的疲劳范畴，因此如何运用常幅疲劳试验数据估算变幅应力作用下的钢桥结构疲劳寿命是一个非常重要的问题。
3)Miner线性累积损伤准则
为了解决变幅疲劳问题，各国学者曾先后进行了大量研究，并提出了不少计算准则。目前已被桥梁界普遍接受的准则源于Palmgren和Miner两人的工作，并由Miner于1945年发表“线性累积损伤准则”。如果能够预测出结构使用寿命期间各级应力幅水平所占频次百分比以及预期寿命（总频次）所构成的设计应力谱，则可根据Miner线性累积损伤准则，将变幅疲劳应力幅折算为常幅等效应力幅，然后按常幅疲劳进行校核。
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4）基于断裂力学方法的钢桥疲劳寿命评估
断裂力学兴起于20世纪50年代，作为一门新兴学科，正在为人们较为全面而深入的研究各种疲劳断裂问题提供多种思路和途径。Fisher首次大量运用断裂力学方法对美国的多座钢桥进行了疲劳和断裂的实例分析，建立了裂纹尺寸、应力、细节几何形状、裂纹扩展和材料韧性等参数间的相互关系，为人们深入认识结构特性、细节设计和焊接质量的重要性提供了具有重要价值的参考建议。
5）钢桥疲劳寿命可靠性评估
由于受疲劳过程自身及其它诸多不确定因素的影响，焊接钢结构的疲劳寿命通常具有较大的不确定性，因此对实际桥梁工程来说，疲劳可靠性分析不仅可以确定给定目标可靠度指标的疲劳设计寿命，而且也能够为桥梁结构最优检测周期和修复计划提供理论参考。但目前相关的试验数据还非常匮乏，可靠性分析模型中各随机变量的概率分布类型及数字特征的确定还存在相当的困难，另外对结构细节目标可靠度的取值等方面的研究也还不够深入。因此，要使疲劳可靠性方法在钢桥疲劳寿命评估中得到广泛应用，还有许多研究工作要进行。
三、提高钢桥焊接构件疲劳强度的措施
1.降低应力集中现象
1）采用合理结构形式降低应力集中。
2）选用应力集中系数小的焊接接头。
2.采取妥善的工艺措施
1）采用机械加工焊缝端部，合理选择角接形状，焊缝根部保证焊透等综合措施来提高接头疲劳强度。
2）用表面机械加工的方法来消除焊缝及附近的各种划痕和沟槽，降低构件应力集中。
3）开缓和槽使应力绕开焊缝的应力集中处。
3.调整残余应力场
1）整体退火或利用超载预拉伸法降低构件的残余拉应力。
2）采用局部加热或挤压在应力集中处产生残余压应力。
3）表面强化处理。用风动工具的锤头锤击焊缝表面，或对焊缝区进行喷丸，不但形成有利的表面压应力，而且使材料局部加工强化，接头疲劳强度有所提高。
4）涂层保护。大气及介质侵蚀往往对材料疲劳强度产生不利的影响，因此采用涂层保护是有效的。
4.提高焊接接头疲劳强度的最新技术
1）超声冲击处理方法
2）低相变点焊条方法
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论文作者:唐启智
论文发表刊物:《基层建设》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/11
标签：疲劳论文; 应力论文; 强度论文; 钢桥论文; 结构论文; 桥梁论文; 寿命论文; 《基层建设》2017年第27期论文;