各國規范中的鋼橋疲勞匯報：黃嘉瑞韓小宇碩1109班2011.11.13PPT主要內容我國公路鋼橋疲勞設計規范公路鋼橋疲勞規范的不足具體參照某些部分給出國內外規范的區別現行各國鋼橋抗疲勞設計規范具體的抗疲勞設計方法我國鐵路鋼橋疲勞設計規范

在荷載作用下，鋼結構基本構件最常遇到的破壞方式有下列三種：

在二十一世紀的今天，人們對前兩者的認識已經相當深刻，工程中的實踐經驗也相當豐富，對屈服與屈曲的控制能力也大大增強。因此疲勞與斷裂就成了引起工程結構和構件失效的最為可能的原因。而各國現行的規范中也對疲勞給于了相當的重視，而隨著工程實踐和研究的加深，規范也在不斷的修訂和更新。

現行各國抗疲勞設計規范主要有：

中華人民共和國規范，包括現行的中國公路鋼橋規范和中國鐵路鋼橋規范，1986年9月10日交通部頒布的《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》；1999年10月25日，鐵道部頒布的《鐵路橋梁鋼結構設計規范》。

美國AASHTO規范，《AASHTOLRFD橋梁設計規范》。

英國標準BS5400，《對于焊接鋼構造疲勞數據的再分析》。

歐洲規范Eurocode，《Eurocode3：DesignofSteelStructuresPart2：SteelBridges》。各國現行抗疲勞設計規范拉構件的強度破壞(屈服)受壓構件的失穩(屈曲)重復受拉或重復拉壓構件的疲勞開裂.我國疲勞設計規范（公路鋼橋）現行公路鋼橋規范：《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ025．86）第1.2.17條凡承受動應力的或連接件，應進行疲勞驗算，構件疲勞驗算強度公式如下。

我國公路鋼橋中容許應力的規定可以看出容許應力與應力比ρ和構件的連接類別以及應力形式有關有關。對構件容許應力的類別進行了分級。公路鋼橋規范中對構建類別的分級下圖是摘自規范的一部分，具體分級見規范公路鋼橋疲勞驗算第1.2.17條其余規定驗算疲勞強度時，可根據橋梁實際行車情況，選取實際經常發生的荷載組合中的車輛荷載進行計算。（應力比ρ則根據車輛荷載組合進行計算）對只承受壓力的構件和臨時結構物的構件，可不驗算疲勞強度。以壓為主兼受拉的構件，在驗算疲勞強度的同時，還應驗算構件總的穩定性。（關于穩定性的驗算見第1.2.16條）我國公路鋼橋疲勞規范的不足我國現行的公路鋼橋規范抗疲勞設計方面有以下幾點不足：

仍將應力比作為抗疲勞設計的參數。目前公認的抗疲勞設計應力參數是應力幅，而不是應力比，國內外大量試驗都證明了這一點。目前國內外主流規范中，都是將應力幅作為主要參數，所以目前的公路鋼橋規范已經脫離了時代。

仍采用以應力比為參數的容許應力法進行抗疲勞設計。目前國內外主流規范中基本都采用基于疲勞可靠度的荷載與抗力系數設計法。未定義疲勞荷載模型。抗疲勞設計中的荷載與強度驗算的荷載是不同的，它應該根據一般的交通資料簡化而成。目前歐美的規范中都給出了有針對性的疲勞荷載模型。

只有以應力比為參數的疲勞細節分級。如果改成以應力幅表示的疲勞細節等級，原有的細節等級必須完全推倒重來。

其他與抗疲勞設計有關的相關制作規定均為空白。鐵路規范有所改善，較之于國外規范就顯得比較粗糙，有待完善。2000年2月l同開始實施的《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB1002．2．99)對鐵路鋼橋的抗疲勞設計進行了全面的修訂，反映了一些新研究成果。我國疲勞設計規范（鐵路鋼橋）4.3.1凡承受動荷載的結構構件或連接，應進行疲勞檢算。疲勞荷載組合包括設計荷

載中的恒載加活載。（包括沖擊力、離心力）

列車豎向活載包括豎向動力作用時，應將列車豎向靜活載乘以運營動力系數（1+μf

）其值按下式計算：

4.3.2雙線鐵路橋主梁構件，檢算疲勞按一線偏心加載，以杠桿原理分配給另一主梁，并以雙線系數γd

修正，雙線系數γd

應符合下表規定：4.3.3雙線鐵路橋的橫梁及連接橫梁的主梁掛桿，按一線最大活載，另一線為80kn/m活載加載，計算疲勞內力。我國疲勞設計規范（鐵路鋼橋）4.3.4鐵路縱梁與橫梁布置在同一平面，當縱梁與橫梁用魚形板連接，縱梁可以承受

支點彎矩時，則縱梁跨中彎矩取0.85M，支點彎矩取0.6M，M為按簡支梁計算的

跨中彎矩。4.3.5焊接及非焊接（栓接）構件及連接均需進行疲勞強度檢算，當疲勞應力均為壓

應力時，可不檢算疲勞。1.焊接構件及連接疲勞檢算公式1）疲勞應力為拉拉構件或以拉為主的拉壓構件ρ≥-1。2）疲勞應力以壓為主的拉壓構件ρ<-1。

我國疲勞設計規范（鐵路鋼橋）2.非焊接構件及連接疲勞檢算公式1）疲勞應力為拉拉構件ρ≥02）疲勞應力為拉壓構件ρ<0鐵路規范中疲勞容許應力幅[σ0

]的計算TB99第3.2.7給出疲勞容許應力幅的規定，見左圖。要想得到容許應力幅，首先我們必須了解構及其連接形式，將在下面給出詳細的劃分。根據這些構件及其連接方式，我們即可返回去查的他們的疲勞應力福，之后即可驗算其疲勞。引出問題既然根據容許應力法，通過查規范各個參數都可以得到，但是ρmin

與ρmax

應力幅怎么算？而且對于變幅疲勞而言，它們都不是定值。修訂疲勞規范時應該考慮到的問題設計方法：疲勞可靠性設計：以上參數均只能得到構件是否達到疲勞極限，而不能得到其疲勞壽命，

而可靠性設計即基于疲勞壽命進行研究。疲勞荷載普與疲勞車：對于疲勞設計是兩個非常重要的參數，由荷載普得標準疲勞車，

之后便可得到應力歷程。疲勞曲線與應力分級：疲勞曲線即所謂的S—N曲線，而每一種疲勞細節類型都有相應

的疲勞曲線與之對應，用于疲勞驗算中的容許應力幅。疲勞與穩定的交互作用：對于焊接鋼板梁，由于屈曲后產生的出平面位移，運營中會發

生“腹板呼吸”，從而引起腹板、翼緣和加勁肋連接處的疲勞

開裂。需要對這種出平面疲勞作用機理進行研究。無限壽命設計有限壽命設計損傷容許設計通過實驗設計應力普與應力歷程：由應力歷程得到應力普，在通過雨流法得到應力幅，即可進行疲

勞驗算。Miner線形積傷規則：構件在某常幅應力水平作用下，循環至破壞的壽命為N，則可定義其在經受n次循環時的損傷為D=n/N。若在k個應力水平下作用下，各經受ni次循環，則可定義其總損傷為疲勞荷載普和結構的靜力設計不同，鋼橋的疲勞設計所采用的荷載不應是按最不利情況采用強度設計時的標準活荷載，而應考慮采用經常作用的各種實際的車輛荷載，從而計算他們所引起的累積損傷。

為此，需要研究活荷載的頻值譜，也稱荷載譜。荷載譜的制定，原則上應將設計基準期內通過橋梁的每一類車型按不同形狀的影響線計算出相應的內力歷程，然后再將所有的內力歷程予以累計，就得到所需要的荷載譜。

為表示方便起見，一般另外再用標準活載對同樣的影響線計算出標準荷載所產生的內力，而營運荷載的大小則用營運活載的內力與標準活載的內力之比來表示。

由此可見，荷載譜的形狀隨影響線的形狀（長度、頂點位置等）、運量、車輛編組、車輛等因素而異。雖然鋼橋疲勞是由于日常各種荷重的車輛反復作用而引起的累積損傷過程，因此疲勞驗算所用的荷載應盡可能與實際相符，但這需要現場交通調查，并在調查的基礎上綜合預測分析，其工作量很大，故可進一步簡化處理。（1）車輛荷載頻值譜，通過對公路橋梁的交通調查得出日常各種典型車輛的荷重和出現的相對頻率。（2）用幾種模型車輛的荷載譜表示原車輛荷載頻值譜，即將原譜中各種車輛按相同的軸數合并歸類，根據等效的疲勞損傷原理分別將各類別中的幾種車輛等效成一種模型車輛。（3）用一輛標準疲勞車來表示荷載譜。即對原荷載譜中各種車輛對鋼橋造成疲勞損傷進行分析，以損傷最嚴重的車輛為藍本，提煉出一輛標準疲勞車。標準疲勞車標準車具體的推導過程可參考周永濤、鮑衛鋼老師的公路鋼橋疲勞設計荷載標準研究，也可參照歐美規范，其中都做出詳盡的說明。應力普與應力歷程根據荷載譜，依次讓其中的每一活載從橋的一端駛進橋梁，直至在橋的另一端駛出；對于橋梁的某一驗算點，將該活載過橋時在不同位置處的應力算出，再以時間為橫坐標，將該應力按時間順序畫出，這就是該活載的應力歷程線。從應力歷程線推算所需的應力（頻值）譜，可以用雨流法或泄水法。雨流法是將一應力歷程轉動90o

，如圖

所示，使時間坐標軸豎直向下，于是應力歷程好象是一系列屋面，雨水沿著各層屋面的谷點或蜂點往下流動，據此將各應力幅加以整理，具體規則如下：（1）從谷點開始流動的雨水到達峰點時豎直下滴，流到下層屋面并繼續住下流，當流到某一層屋面遇見一個來源于比本次谷點更低的谷點的雨水，則停止流動。同理，從峰點開始流動的雨水到達谷點時豎直下滴，流到下一層屋面并繼續往下流，當流到某一屋面遇見一個來源于比本次峰點更高的峰點的雨水，則停止流動；（2）任何情況下，在某一層屋面流動的雨水遇見上一層屋面流下的雨水，則停止流動；（3）每次雨流的起點和終點作為半個應力循環。陳紹蕃老師在鋼結構設計原理中也做出了詳細的說明，可參考。疲勞曲線即S-N曲線，其左支常用表達式為：N=Cσ-mlgN=lgC-mlgσ式中的m和C均為材料常數。TB99的疲勞曲線疲勞的細節分級各規范疲勞細節等級表而這些等級的劃分有涉及到各個基材的具體情況，詳細的基材疲勞細節見各國規范，這里不予給出。設計方法總述各國規范進行疲勞驗算一般將無限壽命設計和安全壽命設計結合使用，無限壽命設計很好理解，即找到某一限值，使構件的工作應力小于它即可，此時構件肯定不會因疲勞破壞，下面給出安全壽命設計的大致思路。采用安全壽命設計方法的條件是：疲勞強度曲線必須已知，含潛在起裂處構件的制造質量要符合疲勞分級的定義。（此時即需要用到前面提到的疲勞曲線和細節分級）應用安全壽命設計方法的計算過程是：(1)得到一個設計壽命期內運營受載序列的上限估計；（基于無限壽命設計）(2)計算在潛在起裂處的應力歷程；（可能引起疲勞的荷載進行統計）(3)對算得的應力值進行必要的修正，比如應力集中系數、動力放大系數等；(4)采用計數法(如雨流法)將應力歷史變成不同的應力幅和相應的循環次數ni

，從而得到應力譜：(5)查細節分級，對相應的細節等級和應力幅找出使用極限Ni

；(6)根據Miner規則計算總損(7)如果D>1，即設計不滿足要求時，可以進一步做如下選擇：①重新設計構件，減少應力水平。②改變細節設計，使其具有一個較高的疲勞等級；③采用其它更精確的方法設計。針對常幅疲勞的簡單方法對于常幅疲勞而言，各國規范給出的檢算方法大致相同，只是在某些細節問題和系數的取法上略有不同，下面就各國規范給出簡單的論述。（我國已給出，不做論述。）美國AASHTO在驗算活載疲勞時，各細部應滿足：左邊代表外力右邊代表抗力對于外力和抗力的計算涉及到多個系數和細部分類，這里不做分析，大致思路即抗力>外力英國BS5400，稱為不計損傷度的驗算方法，適用于給出疲勞等級的構造并按標準荷載頻值譜設計的橋梁構件。基本思想也是容許應力幅。歐洲Eurocode疲勞評估要求滿足：無非就是各種系數求解，各種細部分類。針對變幅疲勞的一般方法對于變幅疲勞，基本思想就是將其轉化為常幅疲勞，然后再進行驗算。下面給出歐洲規范的驗算方法。一般疲勞評估基于Miner線性積傷規則，公式如下：K——應力譜中各應力幅值的數目；i——表示離散應力幅的次序的整數值；ni——發生在應力幅Δσi下的應力循環數，由相應的計數法確定；N——設計壽命期內所有公稱應力幅下的循環總數，N=∈ni；Δσi——第i級公稱應力幅值；[σN]——該細節在N次應力循環下的疲勞容許應力幅；m一是疲勞曲線的指數，對于雙對數疲勞曲線來說就是其斜率。一般取3將得到保守的等效常幅應力幅的估算值。△σ0=≤[σN]△σ0

等效常幅應力幅

這個公式是可以進行推導的，見浙江大學夏志斌老師的編寫鋼結構設計原理抗疲勞設計的流程圖細節分級疲勞曲線容許應力幅抗力荷載普標準疲勞車應力歷程應力普應力幅外力≥合格對整座橋對細部我國現行疲勞規范最缺少的即是荷載普的交通統計我不知道是否在實際工程中這些規范都會給予嚴格的驗算，還是直接根據設計人員的經驗。問題及以后的學習方向如果實際工程中規范中給出的每條都予以考慮，那么針對每個細部如何來進行操作呢。（不知道可否在專業軟件得到驗算）鑒于工程和數學聯系之緊密