钢桥疲劳问题概述

钢桥疲劳问题概述,李娜王旭2011.10.30,近年来，我国的公路桥梁及铁路桥梁建设得到了迅猛发展。在日益繁忙和加重的运输荷载作用下,许多焊接钢桥出现了疲劳裂纹,甚至发生了一些灾难性事故,特别是1967年美国西弗吉尼亚的PointPleasant桥因疲劳和断裂而突然破坏的重大事故,引起了人们对钢桥疲劳的关注。如何提高钢桥的抗疲劳性能,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。,目录,疲劳的基本概念抗疲劳设计原理抗疲劳设计方法疲劳的构造细节钢桥抗疲劳小结,一概述,1、疲劳破坏的概念在荷载作用下，钢结构基本构件最常遇到的破坏方式有下列三种：拉构件的强度破坏(屈服)受压构件的失稳(屈曲)重复受拉或重复拉压构件的疲劳开裂公路钢桥的疲劳破坏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。,2、疲劳破坏产生的原因钢桥在反复交变荷载作用下，先在其缺陷处生成一些极小的裂痕，此后这种微观裂痕逐渐发展成宏观裂纹，试件截面削弱，而在裂纹根部出现应力集中现象，使材料处于三向拉伸应力状态，塑性变形受到限制，当反复荷载达到一定的循环次数时，材料终于破坏，并表现为突然的脆性断裂。,咸阳陇海线渭河钢板梁的疲劳裂纹,3、疲劳的影响因素,主要因素是材料、内部构造与外部因素等，而与钢材的静力强度无关（但与钢材的质量有关）。钢材材性：钢材性能、构件尺寸、结构表面状况内因结构构造：结构形式、构件连接形式和构造细节应力幅值外因循环次数环境：接触疲劳、高温疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳,对于不同的应力可以到不同的循环次数，由图可知：光滑试件的疲劳强度明显高于带槽试件。这是因为带槽试件的应力集中使疲劳强度降低，因此应力集中是研究疲劳问题的重要因素。,疲劳试验所得-N曲线,有横向对接焊缝的试件的疲劳强度随焊缝的余高角度的变化情况可知：角度愈小，应力集中愈严重，疲劳强度愈低，由此可见构造细节是设计承受疲劳荷载的重要因素，在选定连接形式之后设计细节的具体处理及施工操作是否合格，也会影响疲劳强度。,对接焊缝余高角度的影响,此图为角焊缝连接的试件在不同的应力循环特征值作用下的应力循环次数。由此可知随着应力特征值的增大疲劳强度是增大的，但这对于轧制钢材和非焊接结构而言的，对于焊接结构则直接与应力幅相关。,应力循环特征的影响,对焊接结构而言，构造细节主要表现在零件之间的连接方式和焊缝的形式，在同样的应力幅作用下，结构没有焊缝的部位，疲劳破坏前的循环次数高于对于有焊缝的部位看，后者有高于有角焊缝的部位，虚线是由N的平均值减去它的二倍标准差得出,不同构造细节的-N曲线,延长疲劳寿命的方法有：减小初始裂纹尺寸a1,，这个增加很明显是因为在裂纹尺寸很小时，扩展速率da/dN很低；降低构件所承受的应力和采用韧性较好的材料。减低应力幅要求增大构件截面，从而提高造价。采用高韧性材料和加强施工质量控制也都要提高造价。于是要权衡轻重做出最佳的方案,疲劳从不同的角度分为不同的类型，如下：（1）荷载疲劳、畸变疲劳（2）高周疲劳、低周疲劳（3）接触疲劳、微动磨损疲劳（4）腐蚀疲劳、热疲劳（5）随机疲劳、静疲劳,4、疲劳的分类,低周疲劳当每次荷载循环中材料经受的应变超出了弹性范围，发生疲劳破坏所对应的循环数相对较小，这就是低周疲劳。腐蚀疲劳环境介质导致或加速疲劳裂纹的萌生或者扩展即称为腐蚀疲劳。热疲劳在材料和结构中，由温度梯度和不均匀膨胀的循环变化产生的循环热应力和应变所导致的疲劳损伤。接触疲劳构件在循环接触应力作用下，产生局部永久性累积损伤，经一定的循环次数后，接触表面产生麻点，浅层或深层剥落的过程,5、疲劳破坏的特点,疲劳破坏与静力强度破坏是截然不同的两个概念。它与塑性破坏、脆性破坏相比，具有以下特点：(1)疲劳破坏是钢结构在反复交变动载作用下的破坏形式,而塑性破坏和脆性破坏是钢结构在静载作用下的破坏形式。(2)疲劳破坏虽然具有脆性破坏特征，但不完全相同。疲劳破坏经历了裂缝起始、扩展和断裂的漫长过程，而脆性破坏往往是无任何先兆的情况下瞬间突然发生。,二钢桥抗疲劳设计原理,1、疲劳应力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，它们在结构中所引起的应力也是变化的。人们把这种变化着的荷载称之为疲劳荷载，所引起的相应应力称为疲劳应力，而把荷载和应力随时间变化的历程则分别称为荷载谱和应力谱。,和结构的静力设计不同，钢桥的疲劳设计所采用的荷载不应是按最不利情况采用强度设计时的标准活荷载，而应考虑采用经常作用的各种实际的车辆荷载，从而计算他们所引起的累积损伤。,荷载谱将设计基准期内桥梁构件所经历的实际营运荷载（如营运荷载与标准活载的比值），按其大小及出现次数全部开列出来即为荷载谱。荷载谱的形状与影响线的形状（长度、顶点位置等）、运量、车辆编组、车辆等因素有关。应力谱将荷载谱乘上一些系数（如冲击系数、截面几何特征、反应实际应力与计算应力差异的构造系数等）就可以得到设计基准期内营运荷载所产生的按大小和出现次数开列的实际应力集合，称之为应力谱。应力谱有常幅应力谱和变幅应力谱两种。,2、常幅疲劳强度,传统的疲劳研究对象是各种常幅应力循环，即每一次应力循环中应力幅均为常数。其分析方法是，用大量的疲劳试验来确定抗疲劳计算所需的各种应力特性指标，其中最主要的是最大应力max和应力循环特征值（应力比）=min/max，并据此推算构件细部的疲劳抗力。常幅疲劳强度的计算公式：maxn=0/(1-K)式中：max验算截面处因主力组合而产生的最大应力；n疲劳容许应力；0=0时的材料疲劳抗力；KGoodman疲劳图中疲劳强度曲线的斜率。公式说明细部的疲劳强度与应力比有关。,3、变幅疲劳强度,钢桥疲劳属于变幅、低应力、高循环、长寿命的疲劳范畴。这种变幅重复荷载作用下的疲劳强度计算，关键在于如何建立变幅疲劳强度和常幅疲劳强度之间的联系。等效应力幅0：对于变幅应力循环i、ni（i=1、2、3）的重复荷载作用，可运用Miner线性积伤律得到一个损伤度相同的常幅循环应力幅0其循环次数为ni，则称0为“等效应力幅”。公式：0=,N,K应力谱中各应力幅值的数目；i表示离散应力幅的次序的整数值；ni发生在应力幅i下的应力循环数，由相应的计数法确定；N设计寿命期内所有公称应力幅下的循环总数，N=ni；i第i级公称应力幅值；N该细节在N次应力循环下的疲劳容许应力幅；m一是疲劳曲线的指数，对于双对数疲劳曲线来说就是其斜率。一般取3将得到保守的等效常幅应力幅的估算值。,4、SN曲线,疲劳寿命为疲劳失效以前所经历的应力或应变循环次数，一般用N表示。SN曲线：在一定的平均应力m（或一定的应力比），不同应力幅的常幅应力下进行疲劳试验，测出试件断裂时对应的疲劳寿命N，然后把试验结果画在以为纵坐标，以N为横坐标的图纸上，连接这些点就得到相应于该平均应力m时的一条SN曲线。表示中值疲劳寿命与外加常幅应力间的关系。SN曲线的测定方法可分为单点法和成组法。单点法在每种应力水平下只试验一根试件，成组法则在每级应力水平下都试验一组试件。,SN曲线一般画在双对数坐标纸上。对于钢结构左支为一直线，右支为一水平段。SN曲线的左支常用下式表达：N=C-m式中的m和C均为材料常数。将上式两边取对数，得：lgN=lgC-mlg,常见的SN曲线,5、疲劳极限,结构钢的SN曲线上具有水平段，与此水平段相应的最大应力max称为疲劳极限。SN曲线上的水平段意味着在与它相应的应力水平上，试样可以承受无限多次循环而永不破坏。因此，可以把疲劳极限定义为：在没有特别指明的情况下，材料或构件在对称等幅应力作用下，疲劳寿命无穷大时的中值疲劳强度记为-1。测定方法：取三个以上的试件，从比较高的应力开始，逐次降低应力进行疲劳试验，直到规定的循环数107试件不破坏为止。最后，将该试件未破坏的应力作为疲劳极限。,三钢桥抗疲劳设计方法,1、钢桥抗疲劳设计的目的保证在一定使用可靠水平下整个设计寿命内的结构承载能力，使结构不会因疲劳失效或修补。2、钢桥抗疲劳设计时考虑的因素（1）整个设计寿命期内桥梁构件的疲劳荷载谱；（2）确定疲劳性能最薄弱部位及其结构反应；（3）变幅荷载的疲劳累计损伤；此外，还应注意构造细节的几何形状，计算方法和质量控制等。,3、钢桥抗疲劳设计的一般方法：,（1）无限寿命设计此方法限制应力不超过常幅疲劳极限，保证构件永远不破坏，具有无限寿命。（2）安全寿命设计此方法根据疲劳曲线下限和疲劳荷载的上限来计算损伤。它提供了一个较保守的疲劳寿命估计，在使用寿命期间，无需对结构实施检测故该法也称为有限寿命设计法。,（3）损伤容限设计此方法通过一个接一个检测环节监视疲劳裂纹增长，一旦疲劳裂纹达到一个预设尺寸，部分构件就要加以修补或更换。此方法适用于应用安全寿命设计方法影响到结构的经济性或细部具有较高的疲劳开裂风险时。显然，此法将带来比安全寿命设计方法较高的结构失效风险。（4）依据试验设计此法适用于从规范或其他资料中不可能得到必要的受载应力、疲劳强度或裂纹增长的数据时。,4、疲劳设计中的主要问题（1）受拉、弯、扭的构件,应采用长而圆滑的过渡结构,减小刚度的突然变化。（2）优先采用对接焊缝,尽可能不用角焊缝。承受反复力作用的焊缝宜采用连续焊缝。（3）对于焊接构件,应使焊缝(特别是焊趾、焊根和焊缝端部)位于低应力区。（4）对焊接构件,必要时应采用焊后处理措施。（5）对于复杂结构和连接,应采用试验的方法辅助疲劳设计。,四疲劳的构造细节,钢桥的疲劳主要出现在铆接、焊接、螺栓等杆件连接的部位，特别是应力反复作用的部位上。近几年我国修建了多座超大跨径的悬索桥、斜拉桥和拱桥等,在这些钢桥结构中不断出现一些新的结构型式和制造工艺。对于那些结构复杂、构造细节分类不明确,且直接承受动力荷载的新型连接部位,其疲劳性能就需要进行深入研究,以保证结构安全。,1、正交异性钢桥面板,关于钢桥面板出现疲劳开裂,最早报道的是英国Seven桥,1966年建成通车后,分别于1971年和1977年发现了3种焊接细节的疲劳裂纹:(1)纵肋与横梁角焊缝连接处;(2)梯形纵肋下缘与浮运隔板焊接处;(3)纵肋腹板与盖板连接角焊缝。正交异性钢桥面板已经成为大中跨的现代桥梁所通常采用的桥面的形式，它的疲劳性能也格外令人关注。原因是：(1)钢桥面板疲劳开裂的事迹已经在许多国家的钢桥中出现；(2)钢桥面板直接承受车辆轮荷载的反复作用;,(3)各部位应力影响线长度短,车辆引起的应力循环次数比一般部位要多;(4)钢桥面板应力状况比较复杂,还有许多现场拼装接头、焊接质量不易保证等问题。,2、斜拉桥索梁锚固区该区域是斜索和钢梁的传力连接构造,板件较多,且构造复杂,通常产生明显的应力集中,而且直接承受因车辆荷载、风荷载等而产生的动力效应。因此,索梁锚固区域的板件及板件间连接焊缝的疲劳性能使用现有规范通常难以进行评定,是目前焊接钢桥疲劳研究的难点和重点之一。,湛江海湾大桥锚拉板式索梁锚固结构,3、横梁（横隔板）与主梁腹板的连接,从早期的铆接发展到如今的栓接或焊接,因受载方式及面外变形等因素使该处的疲劳性能一直受到关注,并且众多开裂的实例也给予了证明。钢梁正处在以栓接为主向以焊接为主的过渡时期,钢桁梁中更多的疲劳性能进行研究也是非常必要的。,4、管结构焊接节点无论是100多年前就已经出现的空心管桁架桥,还是近些年来在我国得到大量兴建的钢管混凝土拱桥,其中存在的空管-空管、空管-钢管混凝土连接接头的承载力和疲劳性能备受关注。现代管结构多采用主支管直接相贯焊接的节点构造型式。就空心管结构而言,由于支管的轴向刚度远大于主管的径向刚度,支主管的相贯线成为整个结构的薄弱环节。该处会出现很高的应力集中、焊接缺陷、焊接残余拉应力。,多种不利因素相叠加,使管节点对交变荷载的抵抗能力较低,疲劳裂纹往往起源于高应力区的初始缺陷处,常常在热点应力附近由表面裂纹扩展并穿透管壁,逐步扩展而使节点破坏,导致整个结构承载力的丧失。,管结构连接构造,5、拱桥短吊杆拱桥中的短吊杆受力非常复杂。由于短吊杆线刚度较长吊杆大,因此要承担更大的活载及制动力;同时由于在温度、制动力等水平荷载作用下,反复发生顺桥向的水平位移,上下两个锚点偏离铅垂线,形成很大的折角,锚点附近索段反复弯曲,容易发生疲劳破坏。短吊杆比长吊杆的固有频率高。在同样荷载作用下,短吊杆比长吊杆受动荷载冲击影响要大得多,对疲劳性能产生不利影响。,小结,（1）钢桥疲劳是由于日常轻重悬殊的各种车