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摘要：现如今，我国的科技在不断的发展，社会在不断的进步，研究了公路钢结构桥梁抗疲劳的设计方法，先从钢结构桥梁疲劳的问题和影响因素出发，再对抗疲劳设计方法及其重点进行阐述，论述其设计规范和实际应用中的问题后做出总结，为我国公路钢结构桥梁抗疲劳设计提供一些科学的参考，对我国其他交通行业钢结构桥梁抗疲劳设计规范的制订也有着借鉴意义。
关键词：公路钢结构桥梁;抗疲劳设计方法;研究
引言
钢结构桥梁作为当前桥梁结构的主要类型之一，可按标准化及通用化等要求，在生产、设计、施工时，充分发挥其独特的模块化优势，在环保重复利用等领域也有着非常重要的作用。在桥梁钢结构使用中，钢结构的抗疲劳性能是影响其最终使用效果的关键因素，也是决定桥梁质量的核心内容。若钢结构的抗疲劳性能不达标，不仅会缩短其使用寿命，还会增加维修成本，造成人力物力资源的巨大浪费。因此，从疲劳性能的角度出发，做好桥梁钢结构的抗疲劳设计工作就显得极为必要。
1公路钢结构桥梁的抗疲劳设计方法
1.1无限寿命设计方法
该种抗疲劳设计方法是最早诞生和应用的一种抗疲劳设计方法，主要确保结构设计应力值要比钢结构桥梁的疲劳极限值更低，这就是无限寿命设计的机理，也是应用该种设计方法的重要先决条件。伴随着时间的延续，公路钢结构桥梁会出现不稳定变化，应力下变幅主要表现为一种交互变化的应力状态，此时以所产生的最大应力幅为依据，将其等效成构件的最大幅值来进行疲劳极限强度设计。无限寿命设计的优势是可以极大地简化抗疲劳设计，在设计钢结构桥梁构件过程中，由于仅以最大应力幅值为例来进行设计，这样会使得后续构件设计过程显得有些笨重，无法有效地发挥各种材料的潜能，设计的经济效益不高。
1.2安全寿命设计方法
安全寿命设计就是指在预定的设计使用年限内结构不会出现疲劳破坏问题，构件应力值低于疲劳极限值，这种设计方法有效提高了结构应力和疲劳寿命。不同于无限寿命设计，安全寿命设计属于有限设计范畴，相应的构件应力设计值要高于疲劳极限值。如图1所示的疲劳寿命曲线，可直观地展示出规定使用年限内构件可以实现安全应用。在图1中的前半部分，可知相应钢结构桥梁疲劳寿命不是固定不变的，而是呈现为逐渐下降的变化趋势，所以在进行抗疲劳设计期间需要对相应的最高应力进行密切考虑，然后结合累积损伤理论等相关理论来估算出疲劳损伤值。在应用该种设计方法期间，需要确保相应设计满足一定条件：必须要明确其疲劳强度曲线以及满足钢结构桥梁疲劳的基本定义和等级条件。此外，在设计桥梁结构时，还要综合考虑车辆荷载、桥梁运营、维护管理等分类处理疲劳抗力方程，充分借助全寿命设计方法来降低结构设计的成本。
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图1S-N曲线
1.3损伤容限设计方法
损伤容限设计方法是以断裂力学作为基础，先假设钢构件开始有裂纹出现，在计算Tf的时候，就运用断裂力学的原理，用椭圆来替代裂纹的表现形式，加上交变应力的作用，初始裂纹就会拓展到深度的方向，而扩展速率可以依据一定的公式进行计算。之后再估算它剩下的寿命，并根据实验来校验计算结果，从而确保在使用寿命内裂纹不会继续拓展，这样就可以在使用时间内安全使用出现裂纹的钢构件。而这种损伤容限方法往往被广泛应用在估算和评测钢结构旧桥的疲劳寿命中。
1.4稳定性设计
钢结构桥梁相比其他桥梁结构而言，材料质量更轻，强度更高，有着很好的建筑使用价值，但其抗倾覆稳定性能却有待提升。在以往桥梁钢结构施工环节中就曾经出现桥体倾覆现象，究其原因则是横向抗倾覆设计的欠缺，这极大地影响了施工安全，也不符合工程建设预期的经济效益与社会效益。其原因是在小半径多车道的桥梁设计中，桥面宽度超过钢梁的情形下，横梁受力不均匀，最终导致桥体倾覆。从上述分析可知，强化桥梁钢结构的横向抗倾覆稳定性设计就成为重要的内容。对此，设计方在进行桥梁钢结构抗疲劳设计时，应对横梁受力情形进行细致深入的计算，尽可能避免横梁出现受力不均的现象，保证受力点均匀地分布在横梁上，这样可提升横梁的稳定性。理论研究与建筑实践共同表明，在桥梁钢结构建设中，对横梁处进行灌砂，可从整体上提升桥梁的稳定性能。因此，施工方在钢结构桥梁的实施中需要对横梁处灌砂，确保横梁稳定。
2公路钢结构桥梁抗疲劳设计的重点
2．1确定疲劳荷载
如果将公路钢结构桥梁的疲劳验算和铁路桥梁相比较，可以发现公路钢结构桥梁具有过往车辆数量变化幅度很大、过往间距和车载量不同等特性。因此，在参考JTG D64－2015《公路钢结构桥梁设计规范》后，确定公路钢结构桥梁的疲劳荷载时，就应该站在疲劳致伤等效的视角，把它换算成标准的疲劳车后再计算，同时要注意汽车冲击效应这一因素。另外，在进行换算时，是要在确保疲劳车总重量相同的条件下的。
2.2确定验算位置
确定验算位置也就是对疲劳敏感细节及部位进行确定，从严格意义上说，在对公路钢结构桥梁进行疲劳验算的时候，每一个小节点、焊缝趾等许多部位都需要进行验算。按照以往的经验，其中尤为重要需要验算的部位包括了焊接缝的跟部或焊趾、结构的倒角处、冲孔或钻孔的地方、剪开边或锯开边、有高接触应力的表面以及张拉索的根部。在确定验算位置后，一般情况下，工作人员会根据先整体后局部、先框算后细算的原则来验算。
2.3确定加载次数
确定加载次数是公路钢结构桥梁在进行抗疲劳设计的过程中，计算疲劳应力所必需的阶段。同时，还要对一次加载次数和疲劳车的影响线长度、轴距的关系进行确定。根据钢构件的性能和钢结构桥梁的性质来看，如果钢构件的内力影响线长度较短，那么一个轴重便是一次加载。而在制定公路钢结构桥梁抗疲劳设计规范的时候，就可以在依据效应相等原则的条件下，用不同的单个的循环的等代数来表示复杂应力循环。
2.4钢构件要求
依据现在实施的对于公路钢结构桥梁的设计规范，并结合以往的抗疲劳设计中的有效成果，可以在规范中用非强制的形式列出在现代公路钢结构桥梁抗疲劳设计的过程中，钢构件所需要满足的几项要求，具体如下。1)在公路钢结构桥梁抗疲劳设计中，为了使钢构件能更好地承受弯曲、拉伸和扭转等情况，就应使用具有长而圆的过渡性结构的钢构件，这样能有效地减小钢结构钢度的突然变化。2)在公路钢结构桥梁抗疲劳设计中，在选择焊缝时，应该择优选用对接焊缝，尽量不选用角焊缝。而对于那些需要受到反复力作用的焊缝，则应该选用连续焊缝。3)在设计焊接的钢构件时，应该确保焊缝尤其是焊趾、焊根和焊缝端部要处于低应力区，在某些情况下要对其进行焊后处理。4)在设计复杂的钢构件的时候，有需要的话可以进行辅助疲劳设计。
结语
综上所述，我国公路钢结构桥梁抗疲劳设计的方法众多，涵盖了无限寿命设计方法、安全寿命设计方法、损伤容限设计方法和容许应力设计方法等。为了确保抗疲劳设计的质量，必须要高度重视科学确定疲劳荷载、验算位置以及加载次数，同时要确保构件满足规定要求，保证公路钢结构设计的合理性。
参考文献：
[1]樊海琳.公路钢结构桥梁抗疲劳设计方法研究[J].四川建材，2017（7）：156-157.
[2]刘潇潇.公路钢结构桥梁抗疲劳设计方法探讨[J].建材与装饰，2016（31）：256-257.
论文作者:周远航
论文发表刊物:《防护工程》2018年第26期
论文发表时间:2018/12/14
标签：钢结构论文; 桥梁论文; 疲劳论文; 抗疲劳论文; 应力论文; 公路论文; 方法论文; 《防护工程》2018年第26期论文;