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铁路桥梁的寿命分析与研究

范文

杨阳

摘要：在最原始的桥梁使用上，桥梁的设计只是满足使用，没有对桥梁的施工和运营等问题考虑，这样会导致桥梁的使用期限不受控制，有的会很快费掉，对于铁路桥梁的设计要考虑它的疲劳设计，通过结构疲劳优化让桥梁使用更久远。

关键词：铁路桥梁；疲劳设计；结构疲劳优化

中图分类号：U44 文献标志码：A

1 铁路桥梁

在六十年代的时候，对铁路桥梁（如图1所示）的设计就有疲劳研究，但是那时候的研究不是很全面，并且设计人员意见不统一，对影响疲劳的因素研究没有做到实处，对于不同层次的钢结构没有系统化研究，同时也没有专门的软件进行分析，这就使得铁路桥梁疲劳的研究没有更本性解决。

在后期的铁路钢桥梁的使用与设计中，出现了很多不同國家不同地区的桥梁损坏现象，而这些破坏的发生都是因为刚疲劳产生的，例如在1938年的时候，位于德国柏林的一座桥梁因为在-10℃的条件小，桥体出现了断裂现象；在我国的哈尔滨的松花江大桥，在1901年建造的，但是在1914年出现了裂纹，原因是钢疲劳。以下是世界各地铁路桥梁疲劳失效示例，见表1。

表1 疲劳失效示例

时间桥名地点状况原因温度

二战前夕卡里来大桥比利时脆断坍塌低温疲劳 -14℃

1938 Hasselt大桥比利时脆断坍塌低温疲劳 -20℃

1940 Herenthals-Oolen大桥比利时开裂低温疲劳 -14℃

1938 某桥德国开裂低温疲劳 -14℃

1951 Duplessis大桥加拿大脆断坍塌低温疲劳 -10℃

1962 Kings bridge 澳大利亚脆性断裂疲劳 -35℃

1914 松花江大钢桥中国开裂疲劳

1973 太子河桥中国斜拉杆断裂疲劳

1967 Point Pleasant 大桥美国倒塌疲劳

1970 耶罗·米尔·庞德桥美国开裂疲劳

1978 157号公路桥美国链杆断裂疲劳

1990 Bascule桥荷兰开裂疲劳

2001 Daniel Webster Hoan Bridge 美国断裂疲劳

1994 汉江大桥韩国断裂腐蚀疲劳

2 疲劳设计

钢材在使用的过程中由于反复的载荷作用，在使用一段时间后会出现疲劳现象，同时在疲劳的破坏之前，整个钢材是会发生明显的变形或者收缩，有的会出现弯曲，有的会出现断裂，在这种载荷的作用下，铁路桥梁中主要钢材会先发生塑性变形，然后是硬化，最后是断裂。

疲劳的分类可以分为材料疲劳和结构疲劳，材料疲劳是材料本身的基础问题，结构疲劳是设计问题，这种疲劳是试验研究产生的，通过标准形式可以查找到，结构疲劳是不可预测的，通过疲劳的性能和估算进行研究。

金属的疲劳阶段可以划分为3个阶段，疲劳的开始阶段、疲劳的扩展阶段、疲劳的失效阶段，同对钢的结构与寿命研究，对其进行安全评定，而常用的疲劳评定方法有以下几种：

（1）名义应力法，这种方法是最早的分析方法，其是通过参数进行分析的，主要是材料的S-N曲线。

（2）局部应力应变法，将应力集中在某个局部进行疲劳分析，进行破坏性研究。

（3）损伤容限评定方法，这种方法是通过假设的方法进行疲劳研究，先假设钢材内部已经发生破坏，然后分析这个钢材还能使用多长时间，这种方法是提高使用安全系数。

（4）概率疲劳评定方法，这种方法是通过数据统计的方法，然后进行概率疲劳设计。

对于抗疲劳设计的方法主要是通过桥梁在承受反复应力的作用下，许用应力需要在一个系数的前提下，还要大于桥梁的疲劳应力，如下：

σmax≤r[σ]

式中：

[σ]—强度容许应力。

r —疲劳折减系数。

σmax —最大应力。

在铁路桥梁的疲劳研究中，除了钢材本身的结构发生变化，对桥梁造成的疲劳破坏之外，还发现桥梁的使用环境也会对桥梁钢进行疲劳破坏，而实验中发现温度对桥梁的影响是突出的，在常温状态下，钢的韧性的良好的，但是随着温度的下降，会发现刚的脆性在提高，同时还跟钢材的形状和厚度有关，图2就是钢材与温度之间的关系曲线。

3 结构疲劳优化

铁路桥梁在实际使用时候会出现出现疲劳现象，影响其自身刚性，但是在使用或者设计中可以进行疲劳优化，减少疲劳度，提高使用寿命，结构疲劳的优化可以通过以下几个方面进行：

（1）焊接盖板的优化，通过大量的实验数据表明，在梁的使用中，要是对其进行焊接盖板，可以减少梁关键疲劳位置的疲劳，增加梁的强度，图3就是盖板的焊缝处理图。

（2）可以通过坚向增加劲肋的方法提高桥梁的强度，是在两个上下梁之间添加劲肋，这样可以将梁与梁之间产生相互作用力，提高整体性能，但是在每个肋的端面与梁连接的位置，需要特殊处理，因为这个位置可以影响整个梁的结构强度，有的是螺栓连接，有的是球焊接。

（3）平纵联节点，这个与增加劲肋相似，这个是在桥梁结构中采用平纵联的方法进行抵抗风载荷、活载或者侧向移位，平纵联的节点是需要焊接到腹板或者翼缘板上的，在这个连接处理上，要将位置设计在应力最小的位置，可以满足抗疲劳的要求，或者是将其连接在受拉翼缘上，可以提高疲劳强度。

结论

在对于铁路桥梁设计中，桥梁钢结构的疲劳是影响桥梁最重要的因素，需要结合国家现有的桥梁钢结构分析实例，结合使用现场的实际情况，设计出先进性、适用性和可靠性的桥梁，制定细致的抗疲劳设计措施，将铁路桥梁的指标达到最大化。

参考文献

[1]师义军.既有公路钢桥剩余疲劳寿命评估及疲劳可靠性研究[D].西安建筑科技大学，2005.

[2]钟炜辉.钢结构的高周疲劳损伤有限元分析模型研究[D].西安建筑科技大学，2005.

[3]李亚东，徐俊.铁路钢桥疲劳损伤概率分析[D].桥梁建设，2003（4）：1-3.

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