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![[桥梁吊杆疲劳问题及分析方法研究综述]桥梁吊杆](https://img.taocdn.com/s1/m/64b9bec009a1284ac850ad02de80d4d8d15a0124.png)
[桥梁吊杆疲劳问题及分析方法研究综述]桥梁吊杆桥梁吊杆疲劳问题及分析方法研究综述摘要:吊杆是把桥面系的恒载与活载传递到拱肋的关键受力构件，它的使用正常与否，关系到桥梁的整体寿命和安全。
随着经济的发展，一方面越来越多的桥梁设计成了公轨两用桥梁，另一方面交通流量急剧增加，由于公轨两用桥梁结构较轻，跨度大，在轻轨列车和很多汽车同时通过大跨度桥梁时，桥梁可能产生较大的振动，吊杆的应力变化幅度将会很大，进行疲劳分析是十分必要的。
一、桥梁吊杆的破损现状自1858年第一座带吊杆的系杆拱桥建成以来，世界上这类桥型发展迅猛，在中国情况更是如此。
1960年兰州至新疆铁路昌吉桥(主跨56m)建成后，我国修建了大量的带吊杆拱桥。
据不完全统计，迄今为止，我国已建成带吊杆的中、下承式拱桥达70余座，仅四川和重庆地区就达30多座。
随着钢结构的广泛使用，这种趋势将持续下去，上海卢浦大桥、拉萨柳梧大桥的建设就是最好的佐证。
中、下承式拱桥吊杆是把桥面系的恒载与活载传递到拱肋的关键受力构件，它的使用正常与否，关系到桥梁的整体寿命和安全。
然而，由于受当前设计理论，科学技术和工业水平发展进程的制约，桥梁吊杆吊具的设计、制造、防护、安装、服役、维护、健康诊断、拆换乃至设计寿命的确定、使用一段时间后剩余寿命的预测等等，皆无明确、统一的规范。
在大量的中、下承式拱桥和斜拉桥的吊杆设计、营运、维护、拆换、修复过程中，主要依据设计者的主观判断，缺乏公认的准则，以致吊杆失效造成的桥梁损坏和事故时有发生。
1967年12月15日，美国西佛吉利亚州的PoiniPleaant大桥在没有任何征兆的情况下突然倒塌，造成桥上31辆汽车坠落，46人死亡。
该桥是一主跨为213.4m的悬索桥，其大缆是眼杆链，眼杆材料是经过热处理的碳钢，事故原因正是眼杆在孔眼处断裂。
断裂发生的主要原因是眼杆孔眼处发生应力腐蚀(拉应力使晶间出现裂纹，裂纹凭毛细管作用，将空气中的HZS和盐类吸入，使腐蚀加剧)和腐蚀疲劳(裂纹因多次承受拉应力而穿过晶粒);但孔眼位于隐蔽位置，其裂纹无法检查也是导致这次事故的一个原因。
钢结构桥梁的疲劳与寿命评估钢结构桥梁作为现代城市交通的重要组成部分，承载着大量的车辆和行人通行任务。
然而，长期以来，由于外界环境和车辆荷载的作用，钢结构桥梁容易受到疲劳损伤，严重影响其使用寿命和安全性。
因此，进行钢结构桥梁的疲劳与寿命评估是至关重要的。
一、疲劳损伤机理疲劳是指物体在经历了一定次数的应力循环加载后发生损伤的现象。
钢结构桥梁受到交通荷载作用时，会产生周期性的应力变化，而长期循环加载会导致钢构件内部的裂纹逐渐扩展，最终引发疲劳破坏。
常见的疲劳损伤机理包括低周疲劳、高周疲劳和蠕变疲劳等。
低周疲劳是指加载周期较长，应力变化较大的疲劳损伤，主要发生在大型移动荷载作用下；高周疲劳是指加载周期较短，应力变化较小的疲劳损伤，主要发生在交通荷载作用下；蠕变疲劳则是由于长期受到恶劣环境条件作用下，钢结构桥梁会出现温度变形和应力松弛，从而引发蠕变破坏。
二、疲劳与寿命评估方法为了确保钢结构桥梁的安全使用和延长其寿命，需要进行疲劳与寿命评估。
在评估过程中，可以采用以下方法：1. 材料试验与力学性能研究：通过对钢材料的拉伸试验、冲击试验等试验手段，获取钢材料的力学性能参数，进而分析其疲劳性能。
2. 荷载测量与应力分析：通过悬挂应变片、应变计等装置对桥梁进行实时荷载测量与应力分析，以获取荷载数据与桥梁的应变应力分布情况。
3. 疲劳寿命计算：根据钢材料的疲劳试验数据和荷载数据，采用伤害累积理论来计算钢结构桥梁的疲劳寿命。
4. 结构健康监测：借助现代技术手段，如无损检测、振动测试等，对钢结构桥梁的健康状况进行实时监测，及时发现疲劳裂纹、变形等问题。
5. 寿命预测与可靠性评估：通过建立可靠性模型，综合考虑材料的疲劳特性、载荷环境、结构健康状况等因素，对钢结构桥梁的寿命进行预测与评估。
三、寿命延长与维护策略对于已经投入使用的钢结构桥梁，为了延长其寿命和保障其安全，需要采取适当的维护策略。
具体策略包括：1. 定期巡查与检测：定期对钢结构桥梁进行巡查与检测，发现潜在的裂纹、变形等问题，并采取相应的预防性维修措施。
钢箱梁入门系列漫谈（七）钢结构核心问题强度、稳定、疲劳美桥欣赏意大利 Constitution Bridge钢结构最常见的三种破坏形式对应着三大核心问题：强度、稳定和疲劳。
1）受拉构件的强度破坏（屈服）80+139+80 上承式钢桁组合梁（破坏前）80+139+80 上承式钢桁组合梁（破坏后）2）受压构件的失稳（屈曲）3）受拉（拉压）构件的疲劳开裂Silver Bridge强度构件在稳定平衡状态下由荷载引起的最大应力是否超过材料的极限强度。
钢材受拉破坏内因是钢材大范围的屈服，外因是荷载使构件内力过大，以屈服点作为制定截面最大应力限制依据。
稳定只要构件受压，终究不能离开稳定问题的困扰，这也是拱桥跨径小于斜拉桥、斜拉桥跨径小于悬索桥的主体原因。
稳定实质上是外荷载与结构内部抵抗力间的不平衡状态，在微小干扰下结构变形急剧增长的状态，是一个变形问题。
内因是材料特性、构件长细比、支撑条件、初始偏心、残余应力。
外因是荷载使受力构件所受到的压力，以构件的压溃强度为依据，借此制定应力限值，并以荷载使该构件所产生的压应力不大于该限值。
稳定问题包括整体稳定与局部稳定。
1）局部稳定受压构件通过宽厚比控制局部稳定，宽厚比过大，设置加劲肋解决。
加劲肋设置后根据加劲肋的刚柔性计算局部稳定折减面积，得到局部稳定折减后的验算面积。
如下图（《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）图5.1.7）。
2）整体稳定受压构件整体稳定转化为类似强度验算，以轴心受压杆件为例，将验算面积（局部稳定折减后的有效面积）乘以一个小于1的系数（此系数根据杆件截面类型及相对长细比根据下图得到），控制总体稳定应力小于容许应力。
稳定折减系数如下图（《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）附录A）。
疲劳只要受拉，构件就有疲劳问题，裂纹随着拉应力的变化扩展，所以受压构件不需检算疲劳。
受拉或者是拉压交替就会有裂纹扩展的危险，就需检算疲劳稳定。
钢结构桥梁设计规范一、前言钢结构桥梁是道路交通建设中常见的一种桥梁类型，其具有结构轻巧、施工方便、使用寿命长等优点，因此在大多数情况下都被广泛应用。
本文旨在从设计角度出发，详细介绍钢结构桥梁的设计规范。
二、设计基础1.设计依据钢结构桥梁的设计应满足相关规范的要求，具体包括《公路桥梁设计规范》、《钢结构设计规范》等国家标准以及各地行业标准。
2.设计要求钢结构桥梁的设计应满足以下要求：（1）安全性：确保桥梁在使用寿命内不发生结构破坏或失稳。
（2）经济性：尽可能降低成本，提高经济效益。
（3）美观性：保证桥梁的良好外观，适应周围环境。
（4）使用寿命：保证桥梁在使用寿命内不出现结构问题。
三、设计内容1.桥梁类型选择钢结构桥梁的类型一般包括钢桁梁桥、钢箱梁桥、钢拱桥、斜拉桥等。
在选择桥梁类型时需要考虑桥梁跨径、地形地貌、交通量等因素。
2.荷载计算荷载计算是钢结构桥梁设计的重要部分。
荷载包括静载荷载和动载荷载，其中静载荷载包括自重、荷载、温度、风荷载等，动载荷载包括车辆荷载、人行荷载、地震荷载等。
荷载计算时需要考虑各种因素的影响，并进行综合分析。
3.设计计算设计计算是钢结构桥梁设计的核心部分，其包括结构分析、材料力学分析、构件尺寸确定等内容。
在进行设计计算时需要考虑结构的初始状态、稳定性、强度、刚度等因素，并确定合适的材料和构件尺寸。
4.构造设计构造设计是钢结构桥梁设计的重要环节。
在进行构造设计时需要考虑结构的施工性、易于维护性等因素，选择合适的构造方案和施工方法，并进行细节设计。
5.钢材选用钢结构桥梁的钢材选用应满足相关标准的要求。
钢材的选用应考虑钢材的性能、耐久性、成本等因素，选择合适的钢材品种和规格。
6.防腐涂装钢结构桥梁的防腐涂装是保证其使用寿命的重要措施。
防腐涂装应满足相关标准的要求，包括涂料种类、涂装厚度、涂装工艺等。
四、设计实例以一座跨径为30m的钢桁梁桥为例，具体设计要求如下：1.设计依据：《公路桥梁设计规范》、《钢结构设计规范》等国家标准以及各地行业标准。
美国焊接桥梁的疲劳设计准则John W．Fisher(理海大学(伯利恒)土木丁程系，美斟宾夕法尼亚) 摘要：50年前，疲劳设计在美国人看来并非是一个很严重的桥梁性能问题。
疲劳设计运用了限制最大应力的概念，即假定疲劳极限发生在2×10。
次循环荷载时，利用最小应力与最大应力的比R，限制各点的最大应力。
根据道路类型与每日平均车流量，采用型号为HS一20的设计车来测定特定周期。
在20世纪60年代末至70年代初，发现钢结构桥梁中存在疲劳裂纹。
1967-1987年，针对焊接部位进行了大量的梁试验。
根据试验结果，统计得到了数据库，并认为应力幅度才是唯一主要的设计应力。
1974年，美国AASHTO规范采用了应力幅度设计疲劳强度，这意味着只有循环活荷载才是重要的。
基本疲劳强度曲线提供了疲劳寿命下限设计方法，该方法是当今世界广泛应用的方法。
基于钢桥的经验认识到：尽管采用不在受拉翼缘设计焊接，但由于平面扭曲也会在腹板中产生大量的裂纹，而且这些裂纹由于受到三向应力的作用，即使在疲劳裂纹没有增长的情况下，在过去1O 年里也造成了意外的脆性断裂。
关键词：桥梁；钢材；设计；连接；疲劳；应力幅度；裂纹；焊接；试；S —N曲线；扭曲；脆性断裂中图分类号：U441 ．4；U445．5 文献标志码：A 文章编号：1674—0696(201 1)supp2—1152—071.介绍美国各州公路工作者协会（AASHO）在1960年的道路测试中演示了钢梁桥在应力变化允许范围内的相应压力下疲劳开裂的可能性（如图一）。
20世纪70年代以来，疲劳裂纹扩展已经出现在桥的结构和组分中。
第一次观测到裂缝是在一条遇到一次大容量的卡车交通引起了巨大的循环应力的州级高速公路的桥主梁盖板上（如图二）。
美国早期关于疲劳的规定起源于铁路桥梁的设计，当承受反向荷载时它需要减少容许应力。
在20世纪40年代，AREA和AASHO对焊接结构使用AWS的桥梁规范。
桥梁钢结构设计规范桥梁钢结构设计规范是一套规范、统一的设计标准，用于指导和规范桥梁钢结构的设计、制造和施工。
桥梁钢结构设计规范主要包括桥梁结构的基本原理、规范要求、计算方法、材料选择等内容，以确保桥梁结构的安全性、可靠性和经济性。
一、桥梁钢结构设计规范的基本原则1. 安全性原则：桥梁钢结构的设计应满足强度、稳定性、耐久性等方面的要求，确保桥梁的安全使用。
2. 经济性原则：桥梁钢结构的设计应尽量降低成本，提高材料的使用率，确保桥梁的经济效益。
3. 实用性原则：桥梁钢结构的设计应考虑施工、维修等实际操作过程，确保桥梁的施工和维护便捷。
二、桥梁钢结构设计规范的主要内容1. 结构类型和构件设计：包括桥梁的梁型选择、纵向曲线半径、荷载分析、计算模型等内容。
2. 钢材选择和设计：包括钢材的种类、强度等级、焊接性能要求等内容。
3. 桥梁的基础设计：包括桥墩、桥台、桥面板的基础设计计算。
4. 局部缺陷和修复设计：包括焊接缺陷、材料缺陷、腐蚀等局部缺陷的识别和修复方法。
5. 施工指导和验收标准：包括桥梁的施工工艺、施工材料、施工指导和验收标准等内容。
三、桥梁钢结构设计规范的重要性1. 提高桥梁的结构安全性：桥梁是人们日常生活中重要的交通工具之一，桥梁的结构安全性直接关系到人们的生命财产安全。
遵循桥梁钢结构设计规范可以提高桥梁的强度和稳定性，确保桥梁的安全使用。
2. 降低桥梁的建设和维护成本：桥梁的建设和维护成本是一个重要的考虑因素。
合理使用材料、降低桥梁的自重和荷载，可以降低桥梁的建设和维护成本。
3. 提高桥梁的使用寿命：桥梁钢结构的设计规范要求桥梁具有一定的耐久性，能够抵抗氧化、腐蚀等环境影响，延长桥梁的使用寿命。
4. 促进行业标准化发展：桥梁钢结构设计规范是一个统一的标准，有利于促进行业的标准化和规范化发展，提高行业的技术水平和工程质量。
总之，桥梁钢结构设计规范是桥梁工程中非常重要的一部分，对于确保桥梁的结构安全性、经济性和耐久性具有重要的意义。
钢结构桥梁疲劳荷载标准设计研究
摘要:为提高我国公路钢结构桥梁疲劳设计,就需要详细地考察和研究我
国公路桥梁上运营的各种车辆荷载，并在国外对公路桥梁荷载谱研究的基础上，
推导出我国各地公路的标准疲劳车辆荷载。
根据多次的工程实际使用情况和无数
次的模拟试验，应用数学统计数和概率论和结合相关的桥梁知识，建立典型桥梁
构件的受力谱方程和车辆荷载谱，得出了适合我国桥梁的车辆疲劳荷载标准键
词: 桥梁钢结构疲劳设计；荷载标准; 统计和概率分析计算; 公路车辆荷载;
疲劳荷载；桥梁工程;
引言
从改革开放以来随着国民经济的快速增长，我国的钢结构桥梁得到
了快速发展。
但随着我国机动车的快速发展，数量的与日俱增和车辆种类的各式
各样，导致了桥梁出现了不同程度的破伤，在这里就是由于日积月累所导致的桥
梁疲劳损伤。
这会影响桥梁安全性和耐久性，更者会严重的影响桥梁的正常使用，甚至是发生桥梁坍塌事故。
一直以来，类似的桥梁事故很多都是由桥梁疲劳所致，也引起了国家和相关部门的重视。
我国其中童乐为、王荣辉等人分别对上海、香港、广州等地交通荷载做过调研,得出一些重要的研究理论。
因此，作为桥梁研
究的我们更应该注重桥梁疲劳荷载的研究。
钢结构具有几个显著的特点：钢的强度高，有较大的跨越能力；钢构件
桥梁非常适用于工业化生产；运输方便；安装速度快；可以缩短施工周期；钢结
构桥梁也便于维修和修复。
因此被广泛应用到桥梁中。
但在最近几年的桥
梁发展中，其中钢结构桥梁应用最为广泛。
但凸显出来的问题却不可忽视。
一方面，我国的钢结构桥梁公路的相关规范不详细，并沿用许多欧美等国的规范，在
结合我国桥梁的车辆荷载、地形地貌没有得到重视，在桥梁疲劳设计中规定也相
对简单。
本文在结合同行人士的疲劳设计方法的基础上，并在多次试验中，得出
了疲劳设计荷载标准，可用作桥梁疲劳设计和研究的参考。
1 国外桥梁疲劳荷载标准谱介绍:
对钢结构桥梁的疲劳验算的车辆荷载在国际上一般采用三种方法［3］：
（1）由交通部门所掌握的日常交通情况所出现的不同车辆荷载形式和出现
的相对概率；而得到的车辆荷载频值谱；
（2）一辆一般荷载标准车；
（3）一辆由静力强度设计标准荷载的车。
在三种方法中，以第一种方法采用最为广泛，并且计算最为准确。
当前，很多发达国家都在桥梁规范里都有详细地疲劳标准荷载谱，如美国、英国
日本等发达国家。
而我国现处于研究阶段，应尽快制定相应合理的疲劳荷载谱。
1.1、美国公路桥梁（AASHTO）疲劳荷载谱
AASHTO规定的标准疲劳车是一辆三轴设计货车，设计货车中最主要是
轴重、轴距及轮距的设计，并规定动荷载增大15%施加于疲劳荷载上（特殊部件
除外）。
美国公路桥梁设计规范规定疲劳荷载的频率应取单车道日均货车交通量ADTTSL。
其中这种方法就类似于第一种方法，是它的简化形式。
1.2、英国ＢＳ５４００规范里的荷载频谱值［5］
其中在ＢＳ５４００规范里荷载频谱值分为三种。
（1）典型车荷载:英国从1972年到1974年三年间的车辆试验数据中，
以疲劳损伤所导致的破坏的角度，进行数学统计分析和概率组合，以轴数并列的
形式，制定了25中典型车荷载。
在规范中并详细地制定了每种车的轴距、车重、和在桥梁中出现的频率。
（2）标准疲劳车荷载:标准疲劳车荷载是根据典型车荷载而得到，将所
有的车型全部统一为一个标准的车型，并规定了其车重、轴距和频率。
1.3、欧洲规范的相关疲劳荷载
在规范中车辆荷载形式一共分为五种：第一种车辆荷载模型，其荷载由均布荷载和轴的集中荷载叠加而成，但必须要乘以组合系数(均布荷载乘以0.1的组合系数，轴的集中荷载乘以0.5的组合系数）。
第二种车辆荷载模型；其为一种理想状态的车型，被称之为“频遇”车型。
第三种车辆荷载模型，其为四轴组成，一共八个轮的车型，计算时需乘以0.7的折减系数。
第四种车辆荷载模型，其为许多种的标准车辆模型组成，但其产生的荷载疲劳分布和实际车辆情况相同，也要乘以0.6的折减系数。
第五种车辆荷载模型，是从相关交通部门监测的数据中统计而成，其具有一定的偶然性。
2、对国内车辆疲劳荷载:
车辆疲劳荷载主要是根据我国各式各样的车辆形式统计而成的，运用数学统计学和概率论，将各式各样的车辆荷载等效为一种标准形式的车辆疲劳荷载。
因此荷载的合理性与搜集的数据的准确性、地域性、数学计算等都有非常重要的关系。
而桥梁的疲劳荷载一般都是由大型车辆引起的，小型和中型车辆一般不是主导桥梁耐久性的因素，在此，我们主要以五吨以上的车辆为统计对象。
通过对我国广大地区的桥梁公路的车辆荷载调查，其中以典型的西南、东北、华北、华南等地的公路桥梁
3、我国桥梁车辆荷载调查数据:
由于我国公路交通里程庞大，对车辆数据的调查有限。
在此，摘取了6个典型的地区和城市。
分别为东北、山西、云南、南京、广州、海口等地公路桥梁，进行24小时监控调查数据分析。
东北地区大多为平原地区，桥梁相对较少，但也具有数据统计的必要。
车辆荷载对桥梁的疲劳影响不大。
山西地区，大型车辆荷载相对其他省份比例较高，主要是用于煤炭运输。
云南大部分地区处于云贵高原，高速公路桥梁最多，桥梁的跨度和高度也居全国之首。
具有很大的研究价值。
我国的汽车种类繁多，每一个品牌又很多型号。
因此本次统一也具有一定的偶然性。
但可作为一些地区桥梁疲劳荷载的参考。
随着我国经济的快速发展，今后车辆种类也将与日增多，也将对桥梁疲劳荷载研究带来难题。
疲劳标准荷载车型推导:
由于标准疲劳荷载是以一个疲劳车为模板，因此对于钢结构桥梁的疲劳设计需要引入纵向多车效应增大系数。
各地区的标准车型为大型货车，因此取车辆相邻之间车距为20m，进行纵向多种分析，再与一个疲劳车进行对比，根据影响线的长度加以修正。
具体纵向多车效应增大系数见下图
一。
5、结语：
本文是根据各个地区公路桥梁的交通车辆荷载数据统计而成得到疲劳典型车荷载，再运用等损伤原理进行疲劳损伤计算，得到最终的疲劳标准荷载车和相应的修正系数。
参考文献：
[1]童乐为,沈祖炎,等.城市道路桥梁的疲劳荷载谱[ J].土木工程学
报,1997,30(5).
[2]王荣辉,池春,等.广州市高架桥疲劳荷载车辆模型研究[J].东南理工大学学报:自然科学版,2004,32(12).
［3］项海帆．高等桥梁结构理论［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００１．。
