公路钢结构桥梁抗疲劳设计要点

美国西弗吉尼亚州的 Silver Bridge 因疲劳荷载至裂纹扩展导致整体坍塌；某高速公路桥梁因钢梁在 10^7 次循环荷载后疲劳强度降至 120MPa（低于设计值 180MPa），最终断裂引发桥面塌陷；某悬臂梁钢梁因下翼缘板焊接缺陷引发疲劳裂纹，最终导致主梁断裂，裂纹源位于辅助焊缝的起弧点，初期检测未发现，最终扩展至腹板，以上众多案例都表明疲劳荷载对桥梁结构的安全性有着举足轻重的影响。公路钢结构的跨径比较大，在投用之后因为车辆荷载的影响，应力分布不均匀，降低整体结构的抗疲劳强度，提高裂纹问题的发生率，长此以往会引发焊缝断裂等问题。为了合理控制疲劳应力，需要做好公路钢结构桥梁抗疲劳设计工作。

一、公路钢结构桥梁的疲劳问题

（一）表现

我国在建设公路桥梁过程中，钢结构桥梁使用率较高，在桥梁建成之后，在使用过程中因为车辆荷载的干扰，或者是抗疲劳设计不合理，将会引发钢结构桥梁疲劳问题，减少桥梁使用时间。

钢结构桥梁使用寿命的影响因素包括承载力和稳定性以及疲劳问题，如果没有合理设计公路钢结构桥梁的抗疲劳性能，再加上风雪和地震等自然因素的干扰下，将会引发桥梁疲劳问题，提高裂纹问题发生率，对桥梁使用寿命造成影响，甚至会引发桥梁断裂问题【1】。因此要严格控制桥梁疲劳问题发生率，合理开展抗疲劳设计工作。

（二）影响因素

1.材料特性

钢结构材料的特性关系到桥梁的疲劳性能。钢材强度和韧性等因素关系到钢结构桥梁的使用寿命。保障钢材强度，可以优化钢材疲劳性能，但是强度过高，将会降低材料韧性，影响抗疲劳性能此外钢材的晶粒尺寸和夹杂物分布等微观结构也影响疲劳性能，在后续通车之后的荷载影响将会加剧微观缺陷问题，影响到桥梁使用时间。因此在钢材选择中要综合考虑材料的强度和韧性以及微观结构等，提高桥梁的抗疲劳能力。

2.应力集中作用

钢结构桥梁出现应力集中问题，将会引发疲劳损伤问题。例如在钢结构桥梁连接部位改变了几何形状，不利于均匀地分布应力，将会增加局部应力，此外在钢结构焊接过程存在不合理操作，将会引发气孔等焊缝问题，加剧应力集中问题。在应急集中部位很容易出现裂纹问题，荷载的影响下，将会快速拓展裂纹。

3.荷载重复作用

在桥梁运行中需要承受车辆荷载和风荷载等，因为荷载的重复作用，将会不断积累疲劳损伤。例如因为车辆荷载的影响，桥梁结构将会产生交变应力，提高裂纹问题发生率，因此在桥梁结构设计中要精准计算交变荷载的大小和作用点，提高抗疲劳设计水平。

二、公路钢结构桥梁抗疲劳设计对策

（一）无限寿命设计方法

无限寿命设计要求结构设计应力低于疲劳极限值，可以延长钢结构桥梁使用寿命。因为可变荷载的影响下将会引发交变应力状态，在设计过程中无法固定时间变化状态，突出变幅循环应力状态的交变特点，因此在无限寿命设计中，要保证钢构件等效等幅疲劳极限强度大于最大应力幅，这样才可以顺利开展设计工作【2】。无限寿命设计方法相对简单，但是设计的钢构件也更加笨重，逐渐提高设计水平之后，充分利用钢结构材料的性能。

（二）安全寿命设计

在安全寿命设计中利用疲劳寿命曲线，有利于保障钢结构桥梁使用的安全性。在预测结构运营里程之后可以利用频率和加载序列，深入分析潜在的裂纹问题，针对不同的结构运营荷载，结合积累损伤理论为基础，对疲劳损伤进行精准分析。

在安全寿命设计中可以利用 S-N 曲线，主要用于高周疲劳计算工作，当前 S-N 曲线在安全寿命设计理念的应用率较高，在计算过程中要执行相应的流程，也可以利用应变—疲劳寿命曲线计算地震等

荷载引发的低周疲劳。

（三）损伤容限设计方法

该方法的基础为断裂力学，假设钢结构桥梁存在裂纹，利用断裂力学原理的过程中，利用椭圆形式代表裂纹，因为交变应力影响，将会拓展裂纹，可以根据以下公式计算拓展速度：

在上式中代表一次应力影响下裂纹拓展量。代表一次应力作用下应力循环值。参数 A 和 m 代表材料性能代表的常数值。

随后对结构剩余寿命进行估算，保证在预定使用期限内不会进一步拓展裂纹，保证构件的安全性，在钢结构旧桥疲劳性估算中广泛利用，对检测间隔期间预测中，要注意综合考虑漏检情况，此外要综合分析裂纹位置和检测方法等。

三、公路钢结构桥梁抗疲劳设计策略

（一）精准确定验算位置

对钢结构桥梁抗疲劳验算中，需要精准选择验算的位置，关系到最终验算结果的精准性。验算关键部位包括公路钢结构和疲劳敏感部位以及细节等，在验算的时候要高度关注焊缝和构件形状突变节点，还要重点检测焊接缝的底部和倒角部位，提高验算结果的全面性，如果应力条件复杂，需要提高疲劳验算力度，对复杂应力条件下的疲劳强度进行验算，充分发挥验算结果的参考作用。

（二）优化结构设计工作

在抗疲劳设计中，保证结构布局的合理性，减少应力集中部位，有利于提高桥梁的抗疲劳能力。设置加劲肋和横梁等构件，可以对荷载发挥出分散作用，有利于控制局部应力，钢结构连接形式和构造细节等关系到桥梁抗疲劳性能，例如在设计桥面板的时候，可以合理布置设计 U 肋和横梁，可以对悬臂板的等效应力幅值发挥改善作用，避免出现疲劳损伤问题。在选择桥梁结构形式的时候，设计人员要对荷载传递和应力分布等合理分析，避免出现应力集中的情况。

注重梁段或节段划分有利于提高桥梁的抗疲劳能力，由于梁段或节段的焊缝易出现疲劳损伤问题，因此需要优化焊缝设计工作，在设计过程中合理选择焊缝形式，例如可以利用双面角焊缝，此外要优化连接节点的构造细节，避免因为集中应力而引发疲劳损坏问题，综合分析环境因素和荷载条件，优化整体结构的抗疲劳性能。

（三）完整性设计

在钢结构桥梁焊接中需要利用不同的接头形式，不同接头的受力特点也具有一定的差异性，对钢结构桥梁承载力造成影响。在焊接工作中，要注意设计分析和检测接头应力和抗疲劳等级【4】，此外要注意合理设计特殊部位，提高应力分布合理性，在连接钢结构的时候，尽量减少利用对接焊缝，提高角焊缝利用率，优化连接效果，减少焊点数量，如果焊缝需要承受较大的应力，可以利用连续性焊缝，尽量减少焊点，钢结构焊接之后要进行检测，保障焊缝承受的应力符合设计值。

（四）钢结构桥梁在长期荷载（如车辆振动、风载）和应力集中部位（如焊接接头、螺栓连接）易产生疲劳裂纹。定期养护通过超声波探伤、磁粉检测等技术可发现微米级裂纹，并采用碳纤维加固或预应力碳板修复技术（如《钢结构桥梁疲劳裂缝主动修复技术规程》推荐方法）阻止裂纹扩展。例如，上海某钢桥通过主动修复技术将疲劳寿命延长 30%以上。

结束语：

本文主要分析了公路钢结构桥梁抗疲劳设计要点，首先分析桥梁疲劳问题的表现和影响因素，其次提出常用的抗疲劳设计的方法，最后提出科学的设计方法，对实际工作中发挥出参考作用，优化抗疲劳设计效果，降低疲劳事故发生率，提高桥梁设计和制造水平，推动我国交通行业可持续发展。

参考文献：

[1]任娟. 公路桥梁钢结构的腐蚀监测与防护技术研究[J].中国建筑金属结构,2025,24(14):91-93.

[2]谌彬. 公路立交跨线箱型钢结构桥梁焊接质量控制[J].焊接技术,2025,54(06):128-132.

[3]田伟航. 大跨径公路桥梁钢结构吊装施工技术研究[J].运输经理世界,2024,(28):101-104.

[4]聂煜川. 公路钢结构桥梁焊缝的无损检测技术研究[J].运输经理世界,2024,(13):113-115.