钢结构桥梁疲劳荷载标准设计研究

钢结构桥梁疲劳荷载标准设计研究

                          ,陈辉

海口经济学院      

  摘要:为提高我国公路钢结构桥梁疲劳设计,就需要详细地考察和研究我国公路桥梁上运营的各种车辆荷载，并在国外对公路桥梁荷载谱研究的基础上，推导出我国各地公路的标准疲劳车辆荷载。根据多次的工程实际使用情况和无数次的模拟试验，应用数学统计数和概率论和结合相关的桥梁知识，建立典型桥梁构件的受力谱方程和车辆荷载谱，得出了适合我国桥梁的车辆疲劳荷载标准键词:  桥梁钢结构疲劳设计； 荷载标准; 统计和概率分析计算; 公路车辆荷载;疲劳荷载； 桥梁工程; 

引言

    从改革开放以来随着国民经济的快速增长，我国的钢结构桥梁得到了快速发展。但随着我国机动车的快速发展，数量的与日俱增和车辆种类的各式各样，导致了桥梁出现了不同程度的破伤，在这里就是由于日积月累所导致的桥梁疲劳损伤。这会影响桥梁安全性和耐久性，更者会严重的影响桥梁的正常使用，甚至是发生桥梁坍塌事故。一直以来，类似的桥梁事故很多都是由桥梁疲劳所致，也引起了国家和相关部门的重视。我国其中童乐为、王荣辉等人分别对上海、香港、广州等地交通荷载做过调研,得出一些重要的研究理论。因此，作为桥梁研究的我们更应该注重桥梁疲劳荷载的研究。

  钢结构具有几个显著的特点：钢的强度高，有较大的跨越能力；钢构件桥梁非常适用于工业化生产；运输方便；安装速度快；可以缩短施工周期；钢结构桥梁也便于维修和修复。因此被广泛应用到桥梁中。   但在最近几年的桥梁发展中，其中钢结构桥梁应用最为广泛。但凸显出来的问题却不可忽视。一方面，我国的钢结构桥梁公路的相关规范不详细，并沿用许多欧美等国的规范，在结合我国桥梁的车辆荷载、地形地貌没有得到重视，在桥梁疲劳设计中规定也相对简单。本文在结合同行人士的疲劳设计方法的基础上，并在多次试验中，得出了疲劳设计荷载标准，可用作桥梁疲劳设计和研究的参考。

    1 国外桥梁疲劳荷载标准谱介绍:

对钢结构桥梁的疲劳验算的车辆荷载在国际上一般采用三种方法［3］：

（1）由交通部门所掌握的日常交通情况所出现的不同车辆荷载形式和出现的相对概率；而得到的车辆荷载频值谱；

（2）一辆一般荷载标准车；

（3）一辆由静力强度设计标准荷载的车。

    在三种方法中，以第一种方法采用最为广泛，并且计算最为准确。当前，很多发达国家都在桥梁规范里都有详细地疲劳标准荷载谱，如美国、英国日本等发达国家。而我国现处于研究阶段，应尽快制定相应合理的疲劳荷载谱。

   1.1、美国公路桥梁（AASHTO）疲劳荷载谱

   AASHTO规定的标准疲劳车是一辆三轴设计货车，设计货车中最主要是轴重、轴距及轮距的设计，并规定动荷载增大15%施加于疲劳荷载上（特殊部件除外）。美国公路桥梁设计规范规定疲劳荷载的频率应取单车道日均货车交通量ADTTSL。其中这种方法就类似于第一种方法，是它的简化形式。

   1.2、英国ＢＳ５４００规范里的荷载频谱值［5］

   其中在ＢＳ５４００规范里荷载频谱值分为三种。

  （1）典型车荷载:英国从1972年到1974年三年间的车辆试验数据中，以疲劳损伤所导致的破坏的角度，进行数学统计分析和概率组合，以轴数并列的形式，制定了25中典型车荷载。在规范中并详细地制定了每种车的轴距、车重、和在桥梁中出现的频率。

  （2）标准疲劳车荷载:标准疲劳车荷载是根据典型车荷载而得到，将所有的车型全部统一为一个标准的车型，并规定了其车重、轴距和频率。

    1.3、欧洲规范的相关疲劳荷载

    在规范中车辆荷载形式一共分为五种：第一种车辆荷载模型，其荷载由均布荷载和轴的集中荷载叠加而成，但必须要乘以组合系数(均布荷载乘以0.1的组合系数，轴的集中荷载乘以0.5的组合系数）。第二种车辆荷载模型；其为一种理想状态的车型，被称之为“频遇”车型。第三种车辆荷载模型，其为四轴组成，一共八个轮的车型，计算时需乘以0.7的折减系数。第四种车辆荷载模型，其为许多种的标准车辆模型组成，但其产生的荷载疲劳分布和实际车辆情况相同，也要乘以0.6的折减系数。第五种车辆荷载模型，是从相关交通部门监测的数据中统计而成，其具有一定的偶然性。

     2、对国内车辆疲劳荷载:

车辆疲劳荷载主要是根据我国各式各样的车辆形式统计而成的，运用数学统计学和概率论，将各式各样的车辆荷载等效为一种标准形式的车辆疲劳荷载。因此荷载的合理性与搜集的数据的准确性、地域性、数学计算等都有非常重要的关系。而桥梁的疲劳荷载一般都是由大型车辆引起的，小型和中型车辆一般不是主导桥梁耐久性的因素，在此，我们主要以五吨以上的车辆为统计对象。通过对我国广大地区的桥梁公路的车辆荷载调查，其中以典型的西南、东北、华北、华南等地的公路桥梁

    3、我国桥梁车辆荷载调查数据:

    由于我国公路交通里程庞大，对车辆数据的调查有限。在此，摘取了6个典型的地区和城市。分别为东北、山西、云南、南京、广州、海口等地公路桥梁，进行24小时监控调查数据分析。

东北地区大多为平原地区，桥梁相对较少，但也具有数据统计的必要。车辆荷载对桥梁的疲劳影响不大。

山西地区，大型车辆荷载相对其他省份比例较高，主要是用于煤炭运输。

云南大部分地区处于云贵高原，高速公路桥梁最多，桥梁的跨度和高度也居全国之首。具有很大的研究价值。

我国的汽车种类繁多，每一个品牌又很多型号。因此本次统一也具有一定的偶然性。但可作为一些地区桥梁疲劳荷载的参考。随着我国经济的快速发展，今后车辆种类也将与日增多，也将对桥梁疲劳荷载研究带来难题。

疲劳标准荷载车型推导:

   由于标准疲劳荷载是以一个疲劳车为模板，因此对于钢结构桥梁的疲劳设计需要引入纵向多车效应增大系数。各地区的标准车型为大型货车，因此取车辆相邻之间车距为20m，进行纵向多种分析，再与一个疲劳车进行对比，根据影响线的长度加以修正。具体纵向多车效应增大系数见下图一。            

5、结语：

    本文是根据各个地区公路桥梁的交通车辆荷载数据统计而成得到疲劳典型车荷载，再运用等损伤原理进行疲劳损伤计算，得到最终的疲劳标准荷载车和相应的修正系数。

参考文献：

[1]童乐为,沈祖炎,等.城市道路桥梁的疲劳荷载谱[ J].土木工程学报,1997,30(5).

[2]王荣辉,池春,等.广州市高架桥疲劳荷载车辆模型研究[J].东南理工大学学报:自然科学版,2004,32(12).

［3］　项海帆 ．高等桥梁结构理论［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００１．