国际现行钢结构公_铁路桥梁疲劳设计规范综述

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1、国际现行钢结构公、铁路桥梁疲劳设计规范综述郝苏２９国际现行钢结构公、铁路桥梁疲劳设计规范综述郝苏（创新工程咨询公司，加利福尼亚尔湾９２６０３）摘要：桥梁达到设计寿命的关键之一是有足够的疲劳强度。对比美国、英国、欧盟和日本规范中钢结构桥梁疲劳设计核心得出：疲劳安全判定准则相同；基本分析计算的标准疲劳动载车型数量上有不同，但无实质区别；均采用米诺累积损伤准则进行多峰值载荷循环条件下的疲劳设计；均进行疲劳强度等级划分，并给出相对应的Ｓ～Ｎ曲线修正；载荷阻力因子设计通过采用精细的安全系数使疲劳破坏概率在可接受的范围。对疲劳设计准则：英

2、国对公路桥采用三级循序渐进、疲劳应力和使用年限控制相结合法；美国采用分别对应常规、极限工况强度的准则Ⅰ、Ⅱ；欧盟采用绝对安全设计和损伤容限设计法；与美欧不同之处是日本采用带有２个疲劳稳定极限的Ｓ～Ｎ曲线。提出需对拉伸平均应力效应、疲劳稳定极限、定量的低周疲劳计算等方面进一步研究。关键词：公路桥；铁路桥；钢结构；疲劳；设计；规范中图分类号：Ｕ４４２．５１；Ｕ４４１．４文献标志码：Ａ文章编号：１６７１－７７６７（２０１２）０６－００２９－０９１引言从工程应用的角度看，结构的疲劳行为可表征为２个阶段：损伤累积造成裂纹萌生和裂纹扩展造

3、［１，２］成结构破坏（在一些较细致的研究报告中，有把疲劳破坏分为４个阶段：位错堆积造成损伤萌生、损伤扩展形成微裂纹、微裂纹汇合形成宏观裂纹和宏观裂纹扩展造成结构破坏）。以２０世纪５０年代为分水岭，工程界对结构材料疲劳破坏机理的认识也大致可分为２个阶段。１９世纪末，德国工程师图１Ｓ～Ｎ疲劳设计曲线¨Ｗｏｈｌｅｒ率先提出用平滑（无应力集中）试件标定材料力幅Ｓ越小。这一趋势可以近似地用古德曼疲劳强度的方法，即Ｓ～Ｎ设计曲线（见图１）。其（Ｇｏｏｄｍａｎ）公式表示。表述为：对一在循环载荷引起的固定振幅反复应力当Ｎｆ给定，σ平均＞０时：

4、Ｓ状态下的试件，Ｓ越小，造成破坏的载荷循环次数Ｎｆ越高。其中应力幅度Ｓ＝σ最大－σ最小（最大应力与最小应力之差）。根据大量试验结果，Ｓ～Ｎ设计［３，４］曲线可用公式（１）表达：－ｍ（１）Ｎｆ＝ＣＳ式中，Ｃ和ｍ为材料常数。因此，在欧盟的一些文¨献中，这一公式经常被称作Ｗｏｈｌｅｒ公式。其隐含２个疲劳分析中常用的参量Ｒ（幅度比）和σ平均（平均应力）：σ最小Ｒ＝σ平均＝（σ最大＋σ最小）／２（２）σ最大试验结果（见图２）表示，当破坏载荷循环次数Ｎ给定时，平均应力越大，材料所能承受的循环应图２平均应力对材料所能承受的循环应力幅Ｓ的影响

5、ｆ收稿日期：２０１２－０９－２８作者简介：郝苏（１９５５－），男，１９７８年毕业于浙江大学化工机械与设备专业，工学学士，１９８１年毕业于浙江大学固体力学专业，工学硕士，１９８６年毕业于浙江大学化工轻工机械与固体力学专业，工学博士，１９９０年于清华大学博士后出站（Ｅ－ｍａｉｌ：Ｈａｏ０＠ｓｕｈａｏ－ａｃｉｉ．ｃｏｍ）。３０世界桥梁２０１２，４０（６）Ｓ（σ平均）σ平均件是：＝１－（３）Ｓ（０）σ屈服强度断裂驱动力→Ｋ≥ＫＩＣ←断裂阻力（５）式中，Ｓ（σ平均）表示在所给σ平均下的材料所能承受式中，断裂阻力ＫＩＣ也称作断裂韧性。在疲

6、劳载荷的循环应力幅Ｓ；Ｓ（０）为平均应力为零时所能承受作用下，裂纹长度扩展量ｄａ和疲劳载荷循环次数增的应力幅Ｓ。量ｄＮ之比是应力强度因子变化幅度ΔＫ（＝Ｋ最大－２０世纪后半叶，断裂力学的发展和交通运输工Ｋ最小）的函数，表达为著名的帕里斯（Ｐａｒｉｓ）律：业的进步曲折促成人们对结构疲劳破坏认识的又一ｄａ＝Ａ（ΔＫ）ｂ（６）飞跃。例如，美国银桥（ＳｉｌｖｅｒＢｒｉｄｇｅ）眼板断裂ｄＮ（１９６７年）和密雅碯大桥（ＭｉａｎｕｓＢｒｉｄｇｅ）悬绞断裂ｄａ式中，Ａ和ｂ为材料常数。图４给出金属材料～ΔＫ（１９８３年），最后的调查都断定应力集

7、中和腐蚀促成ｄＮ的疲劳裂纹扩展是造成这２座桥梁倒塌的基本原关系的基本趋势，呈现为对数坐标系中３个线性段的因。所有这些不幸使得人们逐渐意识到局部应力集组合。式（６）用以表征线性段Ⅱ。中会显著增加疲劳裂纹萌生和扩展的速率，但疲劳裂纹的出现并不意味结构的最后破坏。因原始的相应Ｓ～Ｎ曲线试验的试件未包含裂纹，这使得断裂力学理论在应力集中系数Ｋｔ，即局部应力峰值与截面平均应力之比的基础上，又引入应力强度因子Ｋ来［５］表征裂纹状态。后者可由图３所示含中心穿透裂纹长度２ａ的在σ均匀作用下宽板试件来解释：由于微小载荷（非常小的σ均匀）也会造成

8、环绕裂纹尖端处极高应力；继续升载只提高这一应力场的平均幅度，但对裂尖应力场峰值无显著影响。因此，断裂力学理图４常见金属材料裂纹扩展速率和应力强度［５］论采用裂纹尖端应力场平均幅度代表一个裂纹的因子幅度ΔＫ关系的基本趋势受力状态和扩展趋势，称作应力强度因子Ｋ。对于前述Ｓ～Ｎ设计