橋梁吊桿疲勞問(wèn)題及分析方法研究綜述工學(xué)論文

　　摘要:吊桿是把橋面系的恒載與活載傳遞到拱肋的關(guān)鍵受力構件，它的使用正常與否，關(guān)系到橋梁的整體壽命和安全。隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，一方面越來(lái)越多的橋梁設計成了公軌兩用橋梁，另一方面交通流量急劇增加，由于公軌兩用橋梁結構較輕，跨度大，在輕軌列車(chē)和很多汽車(chē)同時(shí)通過(guò)大跨度橋梁時(shí)，橋梁可能產(chǎn)生較大的振動(dòng)，吊桿的應力變化幅度將會(huì )很大，進(jìn)行疲勞分析是十分必要的。

　　關(guān)鍵詞:橋梁；疲勞；吊桿；共軌兩用橋

　　一、橋梁吊桿的破損現狀

　　自1858年第一座帶吊桿的系桿拱橋建成以來(lái)，世界上這類(lèi)橋型發(fā)展迅猛，在中國情況更是如此。1960年蘭州至新疆鐵路昌吉橋(主跨56m)建成后，我國修建了大量的帶吊桿拱橋。據不完全統計，迄今為止，我國已建成帶吊桿的中、下承式拱橋達70余座，僅四川和重慶地區就達30多座。隨著(zhù)鋼結構的廣泛使用，這種趨勢將持續下去，上海盧浦大橋、拉薩柳梧大橋的建設就是最好的佐證。

　　中、下承式拱橋吊桿是把橋面系的恒載與活載傳遞到拱肋的關(guān)鍵受力構件，它的使用正常與否，關(guān)系到橋梁的整體壽命和安全。然而，由于受當前設計理論，科學(xué)技術(shù)和工業(yè)水平發(fā)展進(jìn)程的制約，橋梁吊桿吊具的設計、制造、防護、安裝、服役、維護、健康診斷、拆換乃至設計壽命的確定、使用一段時(shí)間后剩余壽命的預測等等，皆無(wú)明確、統一的規范。在大量的中、下承式拱橋和斜拉橋的吊桿設計、營(yíng)運、維護、拆換、修復過(guò)程中，主要依據設計者的主觀(guān)判斷，缺乏公認的準則，以致吊桿失效造成的橋梁損壞和事故時(shí)有發(fā)生。

　　1967年12月15日，美國西佛吉利亞州的PoiniPleasant大橋在沒(méi)有任何征兆的情況下突然倒塌，造成橋上31輛汽車(chē)墜落，46人死亡。該橋是一主跨為213.4m的懸索橋，其大纜是眼桿鏈，眼桿材料是經(jīng)過(guò)熱處理的碳鋼，事故原因正是眼桿在孔眼處斷裂。斷裂發(fā)生的主要原因是眼桿孔眼處發(fā)生應力腐蝕(拉應力使晶間出現裂紋，裂紋憑毛細管作用，將空氣中的HZS和鹽類(lèi)吸入，使腐蝕加劇)和腐蝕疲勞(裂紋因多次承受拉應力而穿過(guò)晶粒);但孔眼位于隱蔽位置，其裂紋無(wú)法檢查也是導致這次事故的一個(gè)原因。從此美國將這一類(lèi)橋梁封閉不用，也不許新建橋梁再用這一橋式;帕斯克.肯捏威科橋僅通車(chē)7年即被迫換索;1903年，紐約威廉斯堡橋建成后，分別于1921、1924、1963年對主纜和吊桿進(jìn)行過(guò)全面修補;美國Pasco-Kennewick橋，建成僅3-5年，拉索失效拆換，原計劃壽命為25年;

　　德國漢堡KohlbrandEstuary橋通車(chē)幾年即被迫全部更換斜纜，其費用相當于建橋總費用的一半，造成相當大的經(jīng)濟損失。

　　1994年10月21日，韓國漢城的圣水橋突然斷裂。該橋是一懸臂靜定鋼析梁，主跨120m，兩端伸出的懸臂各長(cháng)36m，懸掛跨跨度為48m.懸掛跨兩端的吊桿截面呈工字形，翼緣板厚度為18mm，為了讓吊桿上端采用銷(xiāo)釘連接，應將翼緣板與52mm厚的豎板進(jìn)行對接焊(銷(xiāo)釘孔是在豎板內設置)。按照正常的工藝規則，在施焊前應該在翼緣板和豎板都開(kāi)坡口，兩面施焊且必須熔透，然后再進(jìn)行機加工，使表面平順�？墒�，由于該橋建造時(shí)對焊接工藝的要求不嚴，施焊前沒(méi)有開(kāi)坡口。而該對接焊又是被節點(diǎn)板所蓋住，裂縫很難被檢查出來(lái)，這便是斷裂事故突然發(fā)生的原因。該橋在1979年10月建成通車(chē)，發(fā)生事故時(shí)僅僅使用了15年。

　　著(zhù)名的委內瑞拉Maracaibo橋，使用16年后，斜纜失效，全部換索，耗資達5000萬(wàn)美元。

　　中國廣州海印大橋建成6年后，斜拉索斷裂導致全部換索;濟南黃河公路橋使用13年后，20%索面嚴重銹蝕，不得不換掉272根舊索，安裝248根新索，歷時(shí)62天;虎門(mén)大橋剛剛建成便發(fā)現索有銹蝕;紅水河鐵路橋使用20年后，因銹蝕嚴重，不得不全部換索。

　　2001年11月7日清晨，宜賓金沙江橋連續橋面兩端的短吊桿先后斷裂，局部橋面墜落江中。該橋為中承式拱橋，采用飄浮式連續橋面，橋面兩端設伸縮縫，由于短吊桿離伸縮縫的距離太近，當橋面在斷縫處發(fā)生反復的縱向位移時(shí)，短吊桿反復發(fā)生剪切變形，產(chǎn)生較大的應力幅值，導致其發(fā)生疲勞斷裂。其次，設計時(shí)應使潛在的疲勞裂紋開(kāi)裂處易于被發(fā)現，但該橋的開(kāi)裂點(diǎn)卻封閉在硫磺粘結料中，裂紋不易被發(fā)現，而且由于封閉設計的不合理，造成雨水常年積于其中，再加上大氣的腐蝕性介質(zhì)又加速了這一開(kāi)裂過(guò)程。該橋是在1990年7月1日正式通車(chē)，事故發(fā)生時(shí)僅僅使用了11年半。

　　二、橋梁吊桿的疲勞破壞機理

　　所謂疲勞，通常指在交變荷載的反復作用下，結構在低于名義應力情況下斷裂破壞的現象。

　　一般地說(shuō)，疲勞破壞經(jīng)歷三個(gè)階段:裂紋的形成、裂紋的緩慢發(fā)展和最后的迅速斷裂。鋼結構主要是最后兩個(gè)階段，因為結構內總會(huì )有內在的細小缺陷，這些缺陷促使裂紋的形成。

　　疲勞破壞的產(chǎn)生必須是應力反復、拉應力及塑性應變三者同時(shí)存在。3者缺一均不能形成疲勞破壞。滿(mǎn)足這三個(gè)條件，應力平均值即使在抗拉強度或屈服點(diǎn)以下也可能產(chǎn)生疲勞破壞。

　　腐蝕介質(zhì)與循環(huán)應力交互作用，大大降低了材料和構件的疲勞強度。腐蝕介質(zhì)和靜應力共同作用產(chǎn)生的腐蝕破壞稱(chēng)為應力腐蝕;腐蝕介質(zhì)與循環(huán)應力先后作用產(chǎn)生的疲勞破壞稱(chēng)為預腐蝕疲勞;腐蝕介質(zhì)與循環(huán)應力同時(shí)作用產(chǎn)生的腐蝕破壞現象稱(chēng)為腐蝕疲勞。應力腐蝕是一種由于緩慢的裂紋擴展而導致的破壞過(guò)程，它與疲勞破壞過(guò)程很相似，但這時(shí)只有靜應力，而無(wú)循環(huán)應力，所以又稱(chēng)為靜疲勞。預腐蝕疲勞是腐蝕介質(zhì)與循環(huán)應力未同時(shí)作用，它只是兩種過(guò)程的機械組合。而腐蝕疲勞則是一種腐蝕介質(zhì)和循環(huán)應力聯(lián)合作用、互相促進(jìn)的破壞過(guò)程。在腐蝕疲勞時(shí)，循環(huán)應力增強介質(zhì)的腐蝕作用，而腐蝕介質(zhì)又加快了循環(huán)應力下的疲勞破壞，因而二者共同作用更加有害。

　　對于腐蝕疲勞，按照腐蝕介質(zhì)的狀態(tài)和性質(zhì)，又可分為氣相疲勞和水介質(zhì)疲勞。嚴格講來(lái)，只有在真空中的疲勞才是純疲勞�？諝獗旧砭褪歉�蝕介質(zhì)，材料在空氣中短壽命時(shí)，上述4種情況的疲勞強度相差很小;而長(cháng)壽命時(shí)則有很大差別，按疲勞強度由高到低的順序為:真空疲勞、空氣疲勞、預腐蝕疲勞和腐蝕疲勞。長(cháng)壽命時(shí)的腐蝕疲勞強度隨試樣材料和腐蝕介質(zhì)的不同，可以是空氣疲勞強度的10%～100%，碳鋼和中低合金鋼在腐蝕介質(zhì)中疲勞極限降低1/3～8/9，而不銹鋼僅降低10%。

　　系桿拱橋的吊桿破損是疲勞和腐蝕共同作用的結果，在反復高應力的作用下，吊桿的疲勞為腐蝕創(chuàng )造條件，加速腐蝕的進(jìn)行;反過(guò)來(lái)，腐蝕會(huì )降低吊桿的抗疲勞能力，使得吊桿更加容易發(fā)生疲勞破損。因此，在橋梁設計時(shí)，不僅僅要使吊桿滿(mǎn)足強度要求，而且要使吊桿具有足夠的抗疲勞能力。

　　三、疲勞分析方法的研究現狀

　　隨著(zhù)交通運輸的不斷發(fā)展以及橋梁跨度不斷增加，交通流量以及車(chē)型不斷變化，同時(shí)焊接及低合金結構逐步被引用于橋梁中，致使橋梁的疲勞問(wèn)題日漸突出，吸引了約來(lái)越多的學(xué)者對此開(kāi)展了研究。

　　陳兵，趙雷等在對拉薩柳梧大橋吊桿進(jìn)行疲勞壽命研究時(shí)，采用童樂(lè )為等建立的城市橋梁荷載譜，通過(guò)每類(lèi)車(chē)輛對吊桿的影響線(xiàn)加載獲取吊桿的應力歷程，再由每類(lèi)車(chē)型出現的概率和總的交通量得到吊桿的應力譜，最后通過(guò)已有的S-N曲線(xiàn)和Palmgren一Miner準則得到吊桿的剩余壽命。

　　黃華鋼采用Matlab程序，利用童樂(lè )為等建立的城市橋梁荷載譜筋及BS540O荷載譜模擬了隨機車(chē)流，通過(guò)隨機車(chē)流對某20m跨簡(jiǎn)支T梁加載對該混凝土梁橋的動(dòng)力性能進(jìn)行了分析，并對該梁的混凝土及鋼筋進(jìn)行了疲勞壽命評估。

　　王春生在對鉚接鋼橋進(jìn)行剩余壽命與使用安全評估時(shí)，首先通過(guò)實(shí)橋進(jìn)行交通流量進(jìn)行調查獲取了該橋的車(chē)輛荷載譜，通過(guò)該荷載譜模擬了通過(guò)橋梁的隨機車(chē)流，最后鉚接鋼橋進(jìn)行剩余壽命和安全評估。

　　鄭曉燕在對吳堡黃河大橋桿件進(jìn)行分析時(shí)，首先依據交通部門(mén)提供的數據建立了荷載譜，基于蒙特卡洛原理模擬了通過(guò)橋梁的隨機車(chē)流，將車(chē)流在構件影響線(xiàn)上加載獲得應力歷程，采用雨流法得到桿件的應力譜，最后通過(guò)選取S-N曲線(xiàn)對桿件進(jìn)行了剩余壽命評估。

　　綜上所述，同時(shí)考慮鐵路荷載和公路荷載，當前對公軌兩用大橋在列車(chē)和汽車(chē)同時(shí)作用下吊桿的疲勞問(wèn)題的研究還很少。而且隨機車(chē)流也未考慮車(chē)道分布的影響。因此有必要展開(kāi)大跨度橋梁同時(shí)在輕軌及汽車(chē)作用下吊桿的疲勞分析。

　　參考文獻：

　　[1]英國標準BS5400(1978一1983).鋼橋、混凝土橋及結合橋(第一篇:疲勞設計使用規則).西南交通大學(xué)出版社.

　　[2]辛濟平，萬(wàn)國朝，張文，鮑衛剛等譯.美國公路橋梁設計規范，第一版，1994.北京:人民交通出版社.1997.

　　[3]中華人民共和國鐵道部.鐵路橋梁鋼結構設計規范.中國鐵道出版社，2005.

【橋梁吊桿疲勞問(wèn)題及分析方法研究綜述工學(xué)論文】相關(guān)文章：

鋼筋混凝土橋梁病害分析及處理措施工學(xué)論文03-09

農業(yè)保險風(fēng)險問(wèn)題的綜述的論文03-04

周邦彥研究綜述文化論文12-09

企業(yè)員工培訓的問(wèn)題分析和對策研究論文03-01

論文研究方法11-30

論實(shí)踐哲學(xué)研究的方法論問(wèn)題論文03-02

熱熔涂料常見(jiàn)的幾個(gè)問(wèn)題及解決方法工學(xué)論文11-19

甘肅省生態(tài)需水量的分析研究工學(xué)論文03-09

山區橋梁建設施工問(wèn)題研究03-29