文献翻译美国焊接桥梁的疲劳设计准则.docx
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文献翻译美国焊接桥梁的疲劳设计准则
美国焊接桥梁的疲劳设计准则
JohnW．Fisher
（理海大学（伯利恒）土木丁程系，美斟宾夕法尼亚）
摘要：
50年前，疲劳设计在美国人看来并非是一个很严重的桥梁性能问题。
疲劳设计运用了限制最大应力的概念，即假定疲劳极限发生在2×10。
次循环荷载时，利用最小应力与最大应力的比R，限制各点的最大应力。
根据道路类型与
每日平均车流量，采用型号为HS一20的设计车来测定特定周期。
在20世纪60年代末至70年代初，发现钢结构桥梁中存在疲劳裂纹。
1967-1987年，针对焊接部位进行了大量的梁试验。
根据试验结果，统计得到了数据库，并认为应力幅度才是唯一主要的设计应力。
1974年，美国AASHTO规范采用了应力幅度设计疲劳强度，这意味着只有循环活荷载才是重要的。
基本疲劳强度曲线提供了疲劳寿命下限设计方法，该方法是当今世界广泛应用的方法。
基于钢桥的经验认识到：
尽管采用不在受拉翼缘设计焊接，但由于平面扭曲也会在腹板中产生大量的裂纹，而且这些裂纹由于受到三向应力的作用，即使在疲劳裂纹没有增长的情况下，在过去1O年里也造成了意外的脆性断裂。
关键词：
桥梁；钢材；设计；连接；疲劳；应力幅度；裂纹；焊接；试；S—N曲线；扭曲；脆性断裂
中图分类号：
U441．4；U445．5文献标志码：
A文章编号：
1674—0696（2011）supp2—1152—07
1.介绍
美国各州公路工作者协会（AASHO）在1960年的道路测试中演示了钢梁桥在应力变化允许范围内的相应压力下疲劳开裂的可能性（如图一）。
20世纪70年代以来，疲劳裂纹扩展已经出现在桥的结构和组分中。
第一次观测到裂缝是在一条遇到一次大容量的卡车交通引起了巨大的循环应力的州级高速公路的桥主梁盖板上（如图二）。
美国早期关于疲劳的规定起源于铁路桥梁的设计，当承受反向荷载时它需要减少容许应力。
在20世纪40年代，AREA和AASHO对焊接结构使用AWS的桥梁规范。
这就提供了三个负载周期情况，依照最大压力和变化的应力比描述容许应力，R定义为最大压力和最小压力的代数比。
1965年，AASHO采用了基于现有的测试数据的钢桥疲劳规范，它主要是小试样和有限的样本得到，并且通常假设2000000次循环就是疲劳极限或对所有部分都采用无限寿命情况。
基于道路类型每天平均卡车交通量（如表一），HS-20的卡车（如图3）通过引起的最大应力，对这些部分进行了不同的分类，分为疲劳寿命为100000,500000和2000000次循环。
一直依照最大压力来表述容许疲劳应力，容许疲劳应力来自改进的规定应力比和钢强度Goodman图（如图四）。
提供一个认为是影响疲劳强度设计因素的统计分析时不可能的，因为很多变量是不能控制的。
2.焊接梁的测试实验
为了克服疲劳研究一系列的局限性，1967年利哈伊大学开始做这个实验，一直持续到20世纪80年代。
这些实验在一定的条件下使用了有计划的统计程序实验，以至于数据的分析可以显示出可信的重要参数在疲劳过程的意义。
大量钢梁细部上成熟着的实验数据表明控制疲劳强度最重要的因素是应力变化范围和细部类型。
图五显示盖板钢梁细部为3号钢的转动和焊接梁（屈服应力为250MPa,350MPa和700MPa），最小压力的一些级别和各种几何条件。
这个测试结果清楚地表明，只有应力变化范围可以控制应力变量，而且钢的类型，截面和几何细部并不重要。
测试数据的循环周期在各个级别的应力变化范围内都有一个对数正态分布。
应力变化范围意味着在设计钢细部构件时的疲劳时，只有活荷载和冲击荷载需要考虑。
观测到的这些发现可以运用到每一根梁和细部检验中。
最小应力和最大应力之比R在循环寿命关系中不影响应力变化范围。
在应力变化范围循环寿命内，焊接残余应力的存在是比值R不是一个重要因素很大的原因。
图六中的测量值核实了疲劳裂纹扩展的初级阶段的焊趾处大残余拉应力的存在，并且绝大多数疲劳寿命在焊接结构处重现。
到1986年每一个设计种类所有可供使用的实验测试数据的应力变化范围循环寿命的下界在图七中描绘出来。
从图七中可以看到在1965年假设疲劳极限发生2000000次循环时仅适用于基底金属（A类型）。
后来的每一中类型提供了应力变化类型的下界限制，在2000000和20000000次出现循环寿命随着类型从B到E’。
恒幅测试数据的的疲劳极限下界是裂纹增长的临界值，C,E,C’类型已经证实可以达到1000000次循环。
溢出曲线S-N在应力变化范围和寿命上有一个指数曲线关系，出自
这里的
对每一种细部类型都是一个常数值，
是设计应力变化范围，这个关系式由目前AASHTO提供。
3.可变荷载
这很好的展示出桥梁结构承受随机可变荷载，引起了广阔的偏应力变化范围。
图八描述了一个桥纵梁盖板传统的应力变化范围直方图。
计算积累损伤最广泛的计算方法是Miner假设。
应力循环破坏变量与每一级应力变化范围出现的相对频率成比例。
在1971年到1993年着手的一些研究评估积累损伤标准的适用性，比如Miner准则。
这些研究表明米勒的线性破坏假设提出了一个对恒定循环数据涉及随机变量应力周期的方法。
一个有效应力范围可以用米勒的线性疲劳损坏关系式
发展，连同提供指数关系
。
这里的
是应力范围
的出现频率。
参考文献【11】中做长寿命的焊接网附件的测试如图9，这些随机变量测试提供了把应力范围转换到等价有效应力范围的好方法。
4.自1994年以来的疲劳设计
1994年，AASHTO在美国道路上利用了随机变量的货车荷载来确定有效疲劳代表所有的货车大于20千磅（90KN）的货车。
图十表示1970年和1987年车辆荷载的总数。
计算一个有效的车辆总重量用等式
（2）提供的方程关系式。
图十一表示从1994年AASHTO用到了导致卡车疲劳的结论。
疲劳货车影响提供了桥梁承受的可变荷载谱15%的有效荷载。
如果循环频率很大，变量谱中的最大应力范围不能超过疲劳货车产生应力的两倍。
如图十二中的第三种情况。
大多数桥梁细部增加两倍的用途是基于许多运行超过50年的桥梁应力变化范围测量表明它们真实的活荷载应力变化范围谱是小于从最大荷载处预测的最大应力的一半或三分之一的事实的。
因此，把这些观测值调整为变量谱如图十三。
因此，AASHO疲劳极限状态初始值的有效最大应力荷载范围是
或
（108kips480KN）。
正交各向异性桥面单轴荷载加强于双轴需要
（162kips720KN）。
5.诱导变形破裂和二次应力
20世纪70年代，观测到1950年到1980年建设的桥梁的网状破裂。
这些网状破裂出现是由于在WWII之后采用了不焊接断面和大量的抗拉凸缘的规范。
这是基于20世纪30年代欧洲早期焊接桥梁的经验。
结果，横板和交叉架的横向连接板的三维反应导致了非常小的位移，而且在这些网状破裂处产生了非常高的应力变化循环。
网状法兰连接的纵向焊点和附在网状连接板上的横向焊点的裂缝一般为10mm到50mm，图十四展示了一个在横向连接板焊接末端和沿着法兰焊接网趾处变形诱发裂纹的典型例子。
变形诱发二次应力导致疲劳裂纹出现在每一个类型的桥梁结构中。
这就包括简单和持续的板梁桥跨度，如图十四所示，箱状结构和系杆拱（图十五），桁架系统和许多其他结构。
通常这些裂纹可以通过在顶端钻洞遏制。
一般它们需要校正工作，提供刚性连接，阻止裂缝间的变形，来制止更深层次的梁腹板的变形。
另一个方法是减轻增加裂缝有效数量大小之间的连接。
AASHTO的规范需要积极缩小网络之间的差距，因此失真致开裂要被最小化。
在过去的十年断裂开发的几座桥梁中，没有任何检测疲劳裂纹扩展的结果，高三轴应力在网络差距非常小（小于6ram）。
图16所示的裂缝。
图16示出突然发生在大桥上的裂缝在横向连接板和横向节点板有很小或可忽略不计的网络之间的差距。
这些突然的脆性断裂导致的克制，强调从焊缝收缩和静荷载应力和几何条件，导致裂纹像从交叉扣板及横向连接板。
非常小的网络差距创造了三轴应力状态并没有让屈服发生，导致内应力超过屈服点实际安全强度的空隙。
这导致了低工作温度下发生断裂。
网页裂纹发生的性质导致的一个不可视察的细节。
6.总结
本文提供了一个在美国疲劳的发展设计规定的历史概述，在世界各地的规范已通过。
这些包括改进的具体实践的规定基于广泛的研究和案例研究被开发。
由于新的指导方针和改良材料的实施，限制了疲劳开裂和脆化断裂。
交通荷载作用下桥梁钢板的疲劳是影响到老化的交通基础设施服务表现最重要的问题。
若不及时干预，这些裂缝可能导致脆性断裂钢材少于足够的韧性。
在美国历史上，疲劳裂纹的焊接桥梁钢板发生在盖板和类似附件的详细信息，以及在网格失真的间隙。
该附件的详情是疲劳的临界值是最严重的，其特征是在焊趾裂纹生长。
失真位移控制时，可以通过增加连接的灵活性可以减小应力。
如果扭曲是有限的，孔可能会钻出或者包芯裂纹尖端处的传播。
三轴应力发展小型的网格差距过于约束可以导致没有任何事先疲劳裂纹增长的脆性断裂。
当在变量应力谱累积的应力范围超过了0.05％以上的总应力分布周期，耐疲劳性CAFL附件由下式给出的线性倾斜部分的S-N曲线下方的CAFL延长。
CAFL之外的应力循环次数累积超标时可以假定无限的生命被限制为总和的0.01％。
大多数结构中足够早的货车以证明他们无限的疲劳寿命，特别甲板元件的设计。
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