抗疲劳机制研究论文

桥梁吊杆疲劳问题及分析方法研究综述工学论文

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。

关键词:桥梁；疲劳；吊杆；共轨两用桥

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PoiniPleasant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。从此美国将这一类桥梁封闭不用，也不许新建桥梁再用这一桥式;帕斯克.肯捏威科桥仅通车7年即被迫换索;1903年，纽约威廉斯堡桥建成后，分别于1921、1924、1963年对主缆和吊杆进行过全面修补;美国Pasco-Kennewick桥，建成仅3-5年，拉索失效拆换，原计划寿命为25年;

德国汉堡KohlbrandEstuary桥通车几年即被迫全部更换斜缆，其费用相当于建桥总费用的一半，造成相当大的经济损失。

1994年10月21日，韩国汉城的圣水桥突然断裂。该桥是一悬臂静定钢析梁，主跨120m，两端伸出的悬臂各长36m，悬挂跨跨度为48m.悬挂跨两端的吊杆截面呈工字形，翼缘板厚度为18mm，为了让吊杆上端采用销钉连接，应将翼缘板与52mm厚的竖板进行对接焊(销钉孔是在竖板内设置)。按照正常的工艺规则，在施焊前应该在翼缘板和竖板都开坡口，两面施焊且必须熔透，然后再进行机加工，使表面平顺。可是，由于该桥建造时对焊接工艺的要求不严，施焊前没有开坡口。而该对接焊又是被节点板所盖住，裂缝很难被检查出来，这便是断裂事故突然发生的原因。该桥在1979年10月建成通车，发生事故时仅仅使用了15年。

著名的委内瑞拉Maracaibo桥，使用16年后，斜缆失效，全部换索，耗资达5000万美元。

中国广州海印大桥建成6年后，斜拉索断裂导致全部换索;济南黄河公路桥使用13年后，20%索面严重锈蚀，不得不换掉272根旧索，安装248根新索，历时62天;虎门大桥刚刚建成便发现索有锈蚀;红水河铁路桥使用20年后，因锈蚀严重，不得不全部换索。

2001年11月7日清晨，宜宾金沙江桥连续桥面两端的短吊杆先后断裂，局部桥面坠落江中。该桥为中承式拱桥，采用飘浮式连续桥面，桥面两端设伸缩缝，由于短吊杆离伸缩缝的距离太近，当桥面在断缝处发生反复的纵向位移时，短吊杆反复发生剪切变形，产生较大的应力幅值，导致其发生疲劳断裂。其次，设计时应使潜在的疲劳裂纹开裂处易于被发现，但该桥的开裂点却封闭在硫磺粘结料中，裂纹不易被发现，而且由于封闭设计的不合理，造成雨水常年积于其中，再加上大气的腐蚀性介质又加速了这一开裂过程。该桥是在1990年7月1日正式通车，事故发生时仅仅使用了11年半。

二、桥梁吊杆的疲劳破坏机理

所谓疲劳，通常指在交变荷载的反复作用下，结构在低于名义应力情况下断裂破坏的现象。

一般地说，疲劳破坏经历三个阶段:裂纹的形成、裂纹的缓慢发展和最后的迅速断裂。钢结构主要是最后两个阶段，因为结构内总会有内在的细小缺陷，这些缺陷促使裂纹的形成。

疲劳破坏的产生必须是应力反复、拉应力及塑性应变三者同时存在。3者缺一均不能形成疲劳破坏。满足这三个条件，应力平均值即使在抗拉强度或屈服点以下也可能产生疲劳破坏。

腐蚀介质与循环应力交互作用，大大降低了材料和构件的疲劳强度。腐蚀介质和静应力共同作用产生的腐蚀破坏称为应力腐蚀;腐蚀介质与循环应力先后作用产生的.疲劳破坏称为预腐蚀疲劳;腐蚀介质与循环应力同时作用产生的腐蚀破坏现象称为腐蚀疲劳。应力腐蚀是一种由于缓慢的裂纹扩展而导致的破坏过程，它与疲劳破坏过程很相似，但这时只有静应力，而无循环应力，所以又称为静疲劳。预腐蚀疲劳是腐蚀介质与循环应力未同时作用，它只是两种过程的机械组合。而腐蚀疲劳则是一种腐蚀介质和循环应力联合作用、互相促进的破坏过程。在腐蚀疲劳时，循环应力增强介质的腐蚀作用，而腐蚀介质又加快了循环应力下的疲劳破坏，因而二者共同作用更加有害。

对于腐蚀疲劳，按照腐蚀介质的状态和性质，又可分为气相疲劳和水介质疲劳。严格讲来，只有在真空中的疲劳才是纯疲劳。空气本身就是腐蚀介质，材料在空气中短寿命时，上述4种情况的疲劳强度相差很小;而长寿命时则有很大差别，按疲劳强度由高到低的顺序为:真空疲劳、空气疲劳、预腐蚀疲劳和腐蚀疲劳。长寿命时的腐蚀疲劳强度随试样材料和腐蚀介质的不同，可以是空气疲劳强度的10%～100%，碳钢和中低合金钢在腐蚀介质中疲劳极限降低1/3～8/9，而不锈钢仅降低10%。

系杆拱桥的吊杆破损是疲劳和腐蚀共同作用的结果，在反复高应力的作用下，吊杆的疲劳为腐蚀创造条件，加速腐蚀的进行;反过来，腐蚀会降低吊杆的抗疲劳能力，使得吊杆更加容易发生疲劳破损。因此，在桥梁设计时，不仅仅要使吊杆满足强度要求，而且要使吊杆具有足够的抗疲劳能力。

三、疲劳分析方法的研究现状

随着交通运输的不断发展以及桥梁跨度不断增加，交通流量以及车型不断变化，同时焊接及低合金结构逐步被引用于桥梁中，致使桥梁的疲劳问题日渐突出，吸引了约来越多的学者对此开展了研究。

陈兵，赵雷等在对拉萨柳梧大桥吊杆进行疲劳寿命研究时，采用童乐为等建立的城市桥梁荷载谱，通过每类车辆对吊杆的影响线加载获取吊杆的应力历程，再由每类车型出现的概率和总的交通量得到吊杆的应力谱，最后通过已有的S-N曲线和Palmgren一Miner准则得到吊杆的剩余寿命。

黄华钢采用Matlab程序，利用童乐为等建立的城市桥梁荷载谱筋及BS540O荷载谱模拟了随机车流，通过随机车流对某20m跨简支T梁加载对该混凝土梁桥的动力性能进行了分析，并对该梁的混凝土及钢筋进行了疲劳寿命评估。

王春生在对铆接钢桥进行剩余寿命与使用安全评估时，首先通过实桥进行交通流量进行调查获取了该桥的车辆荷载谱，通过该荷载谱模拟了通过桥梁的随机车流，最后铆接钢桥进行剩余寿命和安全评估。

郑晓燕在对吴堡黄河大桥杆件进行分析时，首先依据交通部门提供的数据建立了荷载谱，基于蒙特卡洛原理模拟了通过桥梁的随机车流，将车流在构件影响线上加载获得应力历程，采用雨流法得到杆件的应力谱，最后通过选取S-N曲线对杆件进行了剩余寿命评估。

综上所述，同时考虑铁路荷载和公路荷载，当前对公轨两用大桥在列车和汽车同时作用下吊杆的疲劳问题的研究还很少。而且随机车流也未考虑车道分布的影响。因此有必要展开大跨度桥梁同时在轻轨及汽车作用下吊杆的疲劳分析。

参考文献：

[1]英国标准BS5400(1978一1983).钢桥、混凝土桥及结合桥(第一篇:疲劳设计使用规则).西南交通大学出版社.

[2]辛济平，万国朝，张文，鲍卫刚等译.美国公路桥梁设计规范，第一版，1994.北京:人民交通出版社.1997.

[3]中华人民共和国铁道部.铁路桥梁钢结构设计规范.中国铁道出版社，2005.

提高材料的抗疲劳强度应采取几个方面的措施：外形合理化，选择比较平缓的过渡圆角半径，避免应力集中；采用精加工的方法提高构件的表面质量，避免应力集中；提高表面强度，采用表面淬火、渗碳、渗氮、氰化的方法提高表层材料的抗疲劳强度。