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橋梁吊桿疲勞問題及分析方法研究綜述工學論文
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(gòu)件，它的使用正常與否，關(guān)系到橋梁的整體壽命和安全。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，一方面越來越多的橋梁設(shè)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(jié)構(gòu)較輕，跨度大，在輕軌列車和很多汽車同時通過大跨度橋梁時，橋梁可能產(chǎn)生較大的振動，吊桿的應(yīng)力變化幅度將會很大，進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(xiàn)狀
自1858年第一座帶吊桿的系桿拱橋建成以來，世界上這類橋型發(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(jù)不完全統(tǒng)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(qū)就達30多座。隨著鋼結(jié)構(gòu)的廣泛使用，這種趨勢將持續(xù)下去，上海盧浦大橋、拉薩柳梧大橋的建設(shè)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(gòu)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(shè)計理論，科學技術(shù)和工業(yè)水平發(fā)展進程的制約，橋梁吊桿吊具的設(shè)計、制造、防護、安裝、服役、維護、健康診斷、拆換乃至設(shè)計壽命的確定、使用一段時間后剩余壽命的預(yù)測等等，皆無明確、統(tǒng)一的規(guī)范。在大量的中、下承式拱橋和斜拉橋的吊桿設(shè)計、營運、維護、拆換、修復(fù)過程中，主要依據(jù)設(shè)計者的主觀判斷，缺乏公認的準則，以致吊桿失效造成的橋梁損壞和事故時有發(fā)生。
1967年12月15日，美國西佛吉利亞州的PoiniPleasant大橋在沒有任何征兆的情況下突然倒塌，造成橋上31輛汽車墜落，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(yīng)力腐蝕(拉應(yīng)力使晶間出現(xiàn)裂紋，裂紋憑毛細管作用，將空氣中的HZS和鹽類吸入，使腐蝕加劇)和腐蝕疲勞(裂紋因多次承受拉應(yīng)力而穿過晶粒);但孔眼位于隱蔽位置，其裂紋無法檢查也是導(dǎo)致這次事故的一個原因。從此美國將這一類橋梁封閉不用，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年對主纜和吊桿進行過全面修補;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釘連接，應(yīng)將翼緣板與52mm厚的豎板進行對接焊(銷釘孔是在豎板內(nèi)設(shè)置)。按照正常的工藝規(guī)則，在施焊前應(yīng)該在翼緣板和豎板都開坡口，兩面施焊且必須熔透，然后再進行機加工，使表面平順�？墒�，由于該橋建造時對焊接工藝的要求不嚴，施焊前沒有開坡口。而該對接焊又是被節(jié)點板所蓋住，裂縫很難被檢查出來，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，發(fā)生事故時僅僅使用了15年。
著名的委內(nèi)瑞拉Maracaibo橋，使用16年后，斜纜失效，全部換索，耗資達5000萬美元。
中國廣州海印大橋建成6年后，斜拉索斷裂導(dǎo)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62天;虎門大橋剛剛建成便發(fā)現(xiàn)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(xù)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(xù)橋面，橋面兩端設(shè)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(fù)的縱向位移時，短吊桿反復(fù)發(fā)生剪切變形，產(chǎn)生較大的應(yīng)力幅值，導(dǎo)致其發(fā)生疲勞斷裂。其次，設(shè)計時應(yīng)使?jié)撛诘钠诹鸭y開裂處易于被發(fā)現(xiàn)，但該橋的開裂點卻封閉在硫磺粘結(jié)料中，裂紋不易被發(fā)現(xiàn)，而且由于封閉設(shè)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)又加速了這一開裂過程。該橋是在1990年7月1日正式通車，事故發(fā)生時僅僅使用了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(fù)作用下，結(jié)構(gòu)在低于名義應(yīng)力情況下斷裂破壞的現(xiàn)象。
一般地說，疲勞破壞經(jīng)歷三個階段:裂紋的形成、裂紋的緩慢發(fā)展和最后的迅速斷裂。鋼結(jié)構(gòu)主要是最后兩個階段，因為結(jié)構(gòu)內(nèi)總會有內(nèi)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(yīng)力反復(fù)、拉應(yīng)力及塑性應(yīng)變?nèi)咄瑫r存在。3者缺一均不能形成疲勞破壞。滿足這三個條件，應(yīng)力平均值即使在抗拉強度或屈服點以下也可能產(chǎn)生疲勞破壞。
腐蝕介質(zhì)與循環(huán)應(yīng)力交互作用，大大降低了材料和構(gòu)件的疲勞強度。腐蝕介質(zhì)和靜應(yīng)力共同作用產(chǎn)生的腐蝕破壞稱為應(yīng)力腐蝕;腐蝕介質(zhì)與循環(huán)應(yīng)力先后作用產(chǎn)生的疲勞破壞稱為預(yù)腐蝕疲勞;腐蝕介質(zhì)與循環(huán)應(yīng)力同時作用產(chǎn)生的腐蝕破壞現(xiàn)象稱為腐蝕疲勞。應(yīng)力腐蝕是一種由于緩慢的裂紋擴展而導(dǎo)致的破壞過程，它與疲勞破壞過程很相似，但這時只有靜應(yīng)力，而無循環(huán)應(yīng)力，所以又稱為靜疲勞。預(yù)腐蝕疲勞是腐蝕介質(zhì)與循環(huán)應(yīng)力未同時作用，它只是兩種過程的機械組合。而腐蝕疲勞則是一種腐蝕介質(zhì)和循環(huán)應(yīng)力聯(lián)合作用、互相促進的破壞過程。在腐蝕疲勞時，循環(huán)應(yīng)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(yīng)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，只有在真空中的疲勞才是純疲勞。空氣本身就是腐蝕介質(zhì)，材料在空氣中短壽命時，上述4種情況的疲勞強度相差很小;而長壽命時則有很大差別，按疲勞強度由高到低的順序為:真空疲勞、空氣疲勞、預(yù)腐蝕疲勞和腐蝕疲勞。長壽命時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(jié)果，在反復(fù)高應(yīng)力的作用下，吊桿的疲勞為腐蝕創(chuàng)造條件，加速腐蝕的進行;反過來，腐蝕會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(shè)計時，不僅僅要使吊桿滿足強度要求，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(xiàn)狀
隨著交通運輸?shù)牟粩喟l(fā)展以及橋梁跨度不斷增加，交通流量以及車型不斷變化，同時焊接及低合金結(jié)構(gòu)逐步被引用于橋梁中，致使橋梁的疲勞問題日漸突出，吸引了約來越多的學者對此開展了研究。
陳兵，趙雷等在對拉薩柳梧大橋吊桿進行疲勞壽命研究時，采用童樂為等建立的城市橋梁荷載譜，通過每類車輛對吊桿的影響線加載獲取吊桿的應(yīng)力歷程，再由每類車型出現(xiàn)的概率和總的交通量得到吊桿的應(yīng)力譜，最后通過已有的S-N曲線和Palmgren一Miner準則得到吊桿的剩余壽命。
黃華鋼采用Matlab程序，利用童樂為等建立的城市橋梁荷載譜筋及BS540O荷載譜模擬了隨機車流，通過隨機車流對某20m跨簡支T梁加載對該混凝土梁橋的動力性能進行了分析，并對該梁的混凝土及鋼筋進行了疲勞壽命評估。
王春生在對鉚接鋼橋進行剩余壽命與使用安全評估時，首先通過實橋進行交通流量進行調(diào)查獲取了該橋的車輛荷載譜，通過該荷載譜模擬了通過橋梁的隨機車流，最后鉚接鋼橋進行剩余壽命和安全評估。
鄭曉燕在對吳堡黃河大橋桿件進行分析時，首先依據(jù)交通部門提供的數(shù)據(jù)建立了荷載譜，基于蒙特卡洛原理模擬了通過橋梁的隨機車流，將車流在構(gòu)件影響線上加載獲得應(yīng)力歷程，采用雨流法得到桿件的應(yīng)力譜，最后通過選取S-N曲線對桿件進行了剩余壽命評估。
綜上所述，同時考慮鐵路荷載和公路荷載，當前對公軌兩用大橋在列車和汽車同時作用下吊桿的疲勞問題的研究還很少。而且隨機車流也未考慮車道分布的影響。因此有必要展開大跨度橋梁同時在輕軌及汽車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(jié)合橋(第一篇:疲勞設(shè)計使用規(guī)則).西南交通大學出版社.
[2]辛濟平，萬國朝，張文，鮑衛(wèi)剛等譯.美國公路橋梁設(shè)計規(guī)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(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范.中國鐵道出版社，2005.
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