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摘 要：为了提高市政钢结构桥梁的建设质量，首先分析了钢结构桥梁疲劳分类方法及其抗疲劳性能的影响因素，随后从质量优先、成本控制、适应环境等方向分析了钢结构桥梁的抗疲劳设计原则，并探讨了无限寿命设计法、安全寿命设计法、损伤容限设计法在钢结构桥梁抗疲劳设计中的应用。
关键词：钢结构;市政桥梁;抗疲劳;设计方法
0 引言
城镇化进程的推进和经济水平的快速发展，使得市政工程的建设规模日益扩大，同时桥梁建设数量也越来越多。传统的市政桥梁多采用钢筋混凝土为主要原材料，造价高，施工复杂。随着施工工艺的改进和相关部门对工程节能环保的要求日益提高，钢结构作为一种新的结构形式在市政桥梁中开始应用。钢结构桥梁具有重量轻，跨径大等优点，但是在运营期间，受到车辆荷载、材料劣化、外部环境等因素的影响，容易发生疲劳破坏，且随着桥梁运营时间的增加，发生疲劳破坏的可能性越大[1]。但是，设计人员在开展钢结构桥梁抗疲劳设计时，往往以工程类比法为主，选择的方案较为保守，可能存在一定程度的资源浪费。因此，研究钢结构桥梁抗疲劳设计方法和设计要点具有十分重要的工程意义。
1 钢结构桥梁疲劳分类及抗疲劳性能影响因素
1.1 钢结构桥梁疲劳分类
市政钢结构桥梁疲劳分类方法眾多，目前还没有统一的分类标准，笔者查阅相关资料，并结合多年工程经验总结了以下分类方法，如表1所示：
1.2 钢结构桥梁抗疲劳性能影响因素
市政钢结构桥梁在运营期间，受到反复行车荷载及各种外界因素的影响，其使用性能可能会出现一定程度的衰减，从而不满足规范要求。但是由于影响钢结构桥梁的因素过多，没有必要将所有因素全部考虑进来，否则会在很大程度上增加工作量，也是没必要的。选取的市政钢结构桥梁抗疲劳性能影响因素应具有普遍性、关联性、不确定性等[2]。
普遍性：所有钢结构桥梁抗疲劳性能均与材料特性、施工技术、所处的外界环境等密切相关;
关联性：钢结构桥梁抗疲劳性能的各影响因素并不是完全独立的，而是相互影响的统一整体，甚至某个因素的发生也会导致桥梁抗疲劳失效;
不确定性：由于钢结构桥梁抗疲劳性能受施工技术和外部环境影响较大，难以计算出所有不利事件的发生概率，有时只可定性评估其抗疲劳性能。
市政钢结构桥梁抗疲劳性能具体影响因素如下：
1.2.1 材料性质
钢结构材料的物理力学性能是影响桥梁抗疲劳性能的关键因素之一。在钢结构桥梁的原材料进场之前，不能只依靠生产厂家提供的合格证明来评定其质量，必须对其外观和物理力学性能进行检测方能用于钢结构桥梁。比如钢结构材料表面应力较大，钢结构表面容易出现裂纹。随着钢结构桥梁运营时间的增加，细小的裂纹会车辆荷载的作用下不断扩展，改变构件的内部结构，从而降低桥梁的抗疲劳性能。
1.2.2 内部因素和外部因素
影响市政钢结构桥梁抗疲劳性能的因素可分为内部因素和外部因素两类[3]，前者包括焊接技术、构造形式、应力分布、施工方案等，后者包括自然环境、昼夜温差、外部行车荷载及各种堆载等。
2 钢结构桥梁抗疲劳性能设计原则和设计方法
2.1 钢结构桥梁抗疲劳设计原则
2.1.1 质量优先原则
对于市政钢结构桥梁而言，质量是最重要的评价指标，质量优先原则是钢结构桥梁抗疲劳设计的最核心原则。质量优先原则一方面体现在材料的选择上，即选择材料性能好的材料，不能为了节约工程造价而选择劣质产品，如钢结构焊接时要用韧性较高的焊条;另一方面，质量优先提现在钢结构桥梁的施工组织设计，要严格控制工期，尽量减少各个环节施工误差，避免整修及返工作业。
2.1.2 成本控制原则
在开展市政钢结构桥梁抗疲劳设计时，造价也是需要考虑的关键因素。桥梁的抗疲劳设计方案不仅要进行技术性对比，还要进行经济性对比，以确保以合适的投入获取最大的经济效益，如钢结构应当在满足成本效益前提下使用疲劳等级高构件。此外，钢结构桥梁在运营养护阶段的抗疲劳性能会出现一定程度的劣化，其成本控制还要考虑构件的可更换性，以确保桥梁钢构建损坏时方便拆换，不影响桥梁的正常使用。
2.1.3 适应环境原则
市政钢结构桥梁的工程应用区域日益广泛，由于不同地区气象、温度、水文地质等条件差别较差，设计理念也并不完全相同，但必须确保桥梁抗疲劳性能设计时与当地的环境相适应[4]。比如严寒区域的钢结构桥梁必须考虑动态负载耦合、冷脆性带等因素的干扰，应选择韧性好的钢材。
2.2 钢结构桥梁抗疲劳设计方法
2.2.1 无限寿命设计
无限寿命设计是市政钢结构桥梁抗疲劳设计中较简单的方法，但设计方式构建较笨重。该方法假定桥梁结构处于交变应力状态，并考虑了桥梁结构应力系统的动态变化。钢结构桥梁的抗疲劳设计应按照最大应力幅进行，并确保设计疲劳应力小于钢结构的疲劳极限值。同时，为了充分发挥桥梁钢结构材料的使用性能，应当对桥梁在运营期间的不稳定因素及时调整，从而使桥梁整体应力系统平衡。
2.2.2 安全寿命设计
市政钢结构桥梁进行安全寿命设计的目标就是确保桥梁在运营期限内能正常使用，但又不发生疲劳破坏。钢结构桥梁的安全寿命设计依据为S-N曲线（如图1所示）或应变—疲劳曲线，前者适用于高周疲劳高周疲劳中，后者属于局部应力应变法的范畴，也适用于低周疲劳。
基于S-N曲线对钢结构桥梁进行耐久性设计的具体流程如下：确定疲劳荷载（如车辆荷载、施工荷载等）→构造应力方程→构造应力谱→就算损伤度或等效疲劳应力，如不满足规范要求，需修改钢结构桥梁的设计，重新计算。
2.2.3 损伤容限设计 市政钢结构桥梁的损伤容限设计是以断裂力学为理论基础，其关键是得到钢结构表层的裂纹扩展规律。计算时也将初始裂纹简化为椭圆形，并认为裂纹向更深的方向拓展，扩展速率计算公式如下：
式中：—一次应力循环后裂纹扩展量;—一次应力循环;A、m—计算系数，与材料性质有关。
随后应对桥梁钢结构进行检测，以估算裂纹剩余寿命，探测裂纹的内容主要包括裂纹位置和裂纹的最小检测长度。
3 钢结构桥梁抗疲劳性能设计要点分析
3.1 标准疲劳荷载
市政钢结构桥梁上的通行车辆大小、数量是处于动态变化的，在计算钢结构桥梁时无法采用固定的车辆荷载值，需要对其进行等效疲劳损伤折算，即将桥梁桥梁运营期间的交通量折算成一致标准疲劳车[5]。一般情况下，标准疲劳车载荷=1.1×标准轴重载荷。
3.2 疲劳应力幅
对市政钢结构桥梁疲劳应力幅影响较大的因素有汽车冲击效应和车辆荷载。疲劳应力幅的计算方法：车道荷载和汽车冲击作用乘以偏载系数或横向分布，相关系数应当在开展大量试验的基础上计算得到。
3.3 构件要求和验算位置
构件要求：桥梁钢结构进行抗疲劳设计时应尽量满足一下要求：①钢结构焊缝合理选用，并进行焊后处理;②承受弯曲或拉伸构件设计时可采用过渡性构件;③复杂构件需开展辅助设计。
验算位置：市政钢结构桥梁没有必要全部位置均进行疲劳验算，只针对一些特殊位置（如钢结构节点、焊缝等位置）验算即可。
4 结语
在分析市政钢结构桥梁疲劳分类和抗疲劳性能影响因素的前提下，探讨了钢结构桥梁的设计原则、设计方法、设计要点等，主要得到了以下几个方面的结论：
（1）市政钢结构桥梁疲劳可按失效周次、应力状态、荷载变化情况等分类，同时其抗疲劳性能影响因素主要有材料性质、焊接技术、构造形式、施工方案、外界环境等。
（2）钢结构桥梁抗疲劳性能设计应坚持质量优先、成本控制、适应环境的原则。
（3）钢结构桥梁抗疲劳性能设计方法包括无限寿命设计、安全寿命设计、损伤容限设计。
（4）市政钢结构桥梁在进行抗疲劳设计时应将运营期间的车辆荷载转换成标准疲劳荷载，并确定好构件的基本要求和验算位置。
参考文献：
[1]姜鹏.桥梁钢结构抗疲劳设计分析[J].建筑技术开发，2017，44（12）：115-116.
[2]梁维全.疲劳荷载模型Ⅲ下的公路钢结构桥梁疲劳性能分析[J].城市道桥与防洪，2016（7）：129-132+16.
[3]孫冬生.针对钢结构桥梁抗疲劳设计分析[J].城市地理，2016（6）：159.
[4]徐广明.基于全寿命理念的钢结构桥梁抗疲劳设计[J].中国建筑金属结构，2013（16）：9.
[5]刘帮俊.桥梁钢结构疲劳全寿命设计研究[D].长安大学，2006.
关键词：钢结构;市政桥梁;抗疲劳;设计方法
0 引言
城镇化进程的推进和经济水平的快速发展，使得市政工程的建设规模日益扩大，同时桥梁建设数量也越来越多。传统的市政桥梁多采用钢筋混凝土为主要原材料，造价高，施工复杂。随着施工工艺的改进和相关部门对工程节能环保的要求日益提高，钢结构作为一种新的结构形式在市政桥梁中开始应用。钢结构桥梁具有重量轻，跨径大等优点，但是在运营期间，受到车辆荷载、材料劣化、外部环境等因素的影响，容易发生疲劳破坏，且随着桥梁运营时间的增加，发生疲劳破坏的可能性越大[1]。但是，设计人员在开展钢结构桥梁抗疲劳设计时，往往以工程类比法为主，选择的方案较为保守，可能存在一定程度的资源浪费。因此，研究钢结构桥梁抗疲劳设计方法和设计要点具有十分重要的工程意义。
1 钢结构桥梁疲劳分类及抗疲劳性能影响因素
1.1 钢结构桥梁疲劳分类
市政钢结构桥梁疲劳分类方法眾多，目前还没有统一的分类标准，笔者查阅相关资料，并结合多年工程经验总结了以下分类方法，如表1所示：
1.2 钢结构桥梁抗疲劳性能影响因素
市政钢结构桥梁在运营期间，受到反复行车荷载及各种外界因素的影响，其使用性能可能会出现一定程度的衰减，从而不满足规范要求。但是由于影响钢结构桥梁的因素过多，没有必要将所有因素全部考虑进来，否则会在很大程度上增加工作量，也是没必要的。选取的市政钢结构桥梁抗疲劳性能影响因素应具有普遍性、关联性、不确定性等[2]。
普遍性：所有钢结构桥梁抗疲劳性能均与材料特性、施工技术、所处的外界环境等密切相关;
关联性：钢结构桥梁抗疲劳性能的各影响因素并不是完全独立的，而是相互影响的统一整体，甚至某个因素的发生也会导致桥梁抗疲劳失效;
不确定性：由于钢结构桥梁抗疲劳性能受施工技术和外部环境影响较大，难以计算出所有不利事件的发生概率，有时只可定性评估其抗疲劳性能。
市政钢结构桥梁抗疲劳性能具体影响因素如下：
1.2.1 材料性质
钢结构材料的物理力学性能是影响桥梁抗疲劳性能的关键因素之一。在钢结构桥梁的原材料进场之前，不能只依靠生产厂家提供的合格证明来评定其质量，必须对其外观和物理力学性能进行检测方能用于钢结构桥梁。比如钢结构材料表面应力较大，钢结构表面容易出现裂纹。随着钢结构桥梁运营时间的增加，细小的裂纹会车辆荷载的作用下不断扩展，改变构件的内部结构，从而降低桥梁的抗疲劳性能。
1.2.2 内部因素和外部因素
影响市政钢结构桥梁抗疲劳性能的因素可分为内部因素和外部因素两类[3]，前者包括焊接技术、构造形式、应力分布、施工方案等，后者包括自然环境、昼夜温差、外部行车荷载及各种堆载等。
2 钢结构桥梁抗疲劳性能设计原则和设计方法
2.1 钢结构桥梁抗疲劳设计原则
2.1.1 质量优先原则
对于市政钢结构桥梁而言，质量是最重要的评价指标，质量优先原则是钢结构桥梁抗疲劳设计的最核心原则。质量优先原则一方面体现在材料的选择上，即选择材料性能好的材料，不能为了节约工程造价而选择劣质产品，如钢结构焊接时要用韧性较高的焊条;另一方面，质量优先提现在钢结构桥梁的施工组织设计，要严格控制工期，尽量减少各个环节施工误差，避免整修及返工作业。
2.1.2 成本控制原则
在开展市政钢结构桥梁抗疲劳设计时，造价也是需要考虑的关键因素。桥梁的抗疲劳设计方案不仅要进行技术性对比，还要进行经济性对比，以确保以合适的投入获取最大的经济效益，如钢结构应当在满足成本效益前提下使用疲劳等级高构件。此外，钢结构桥梁在运营养护阶段的抗疲劳性能会出现一定程度的劣化，其成本控制还要考虑构件的可更换性，以确保桥梁钢构建损坏时方便拆换，不影响桥梁的正常使用。
2.1.3 适应环境原则
市政钢结构桥梁的工程应用区域日益广泛，由于不同地区气象、温度、水文地质等条件差别较差，设计理念也并不完全相同，但必须确保桥梁抗疲劳性能设计时与当地的环境相适应[4]。比如严寒区域的钢结构桥梁必须考虑动态负载耦合、冷脆性带等因素的干扰，应选择韧性好的钢材。
2.2 钢结构桥梁抗疲劳设计方法
2.2.1 无限寿命设计
无限寿命设计是市政钢结构桥梁抗疲劳设计中较简单的方法，但设计方式构建较笨重。该方法假定桥梁结构处于交变应力状态，并考虑了桥梁结构应力系统的动态变化。钢结构桥梁的抗疲劳设计应按照最大应力幅进行，并确保设计疲劳应力小于钢结构的疲劳极限值。同时，为了充分发挥桥梁钢结构材料的使用性能，应当对桥梁在运营期间的不稳定因素及时调整，从而使桥梁整体应力系统平衡。
2.2.2 安全寿命设计
市政钢结构桥梁进行安全寿命设计的目标就是确保桥梁在运营期限内能正常使用，但又不发生疲劳破坏。钢结构桥梁的安全寿命设计依据为S-N曲线（如图1所示）或应变—疲劳曲线，前者适用于高周疲劳高周疲劳中，后者属于局部应力应变法的范畴，也适用于低周疲劳。
基于S-N曲线对钢结构桥梁进行耐久性设计的具体流程如下：确定疲劳荷载（如车辆荷载、施工荷载等）→构造应力方程→构造应力谱→就算损伤度或等效疲劳应力，如不满足规范要求，需修改钢结构桥梁的设计，重新计算。
2.2.3 损伤容限设计 市政钢结构桥梁的损伤容限设计是以断裂力学为理论基础，其关键是得到钢结构表层的裂纹扩展规律。计算时也将初始裂纹简化为椭圆形，并认为裂纹向更深的方向拓展，扩展速率计算公式如下：
式中：—一次应力循环后裂纹扩展量;—一次应力循环;A、m—计算系数，与材料性质有关。
随后应对桥梁钢结构进行检测，以估算裂纹剩余寿命，探测裂纹的内容主要包括裂纹位置和裂纹的最小检测长度。
3 钢结构桥梁抗疲劳性能设计要点分析
3.1 标准疲劳荷载
市政钢结构桥梁上的通行车辆大小、数量是处于动态变化的，在计算钢结构桥梁时无法采用固定的车辆荷载值，需要对其进行等效疲劳损伤折算，即将桥梁桥梁运营期间的交通量折算成一致标准疲劳车[5]。一般情况下，标准疲劳车载荷=1.1×标准轴重载荷。
3.2 疲劳应力幅
对市政钢结构桥梁疲劳应力幅影响较大的因素有汽车冲击效应和车辆荷载。疲劳应力幅的计算方法：车道荷载和汽车冲击作用乘以偏载系数或横向分布，相关系数应当在开展大量试验的基础上计算得到。
3.3 构件要求和验算位置
构件要求：桥梁钢结构进行抗疲劳设计时应尽量满足一下要求：①钢结构焊缝合理选用，并进行焊后处理;②承受弯曲或拉伸构件设计时可采用过渡性构件;③复杂构件需开展辅助设计。
验算位置：市政钢结构桥梁没有必要全部位置均进行疲劳验算，只针对一些特殊位置（如钢结构节点、焊缝等位置）验算即可。
4 结语
在分析市政钢结构桥梁疲劳分类和抗疲劳性能影响因素的前提下，探讨了钢结构桥梁的设计原则、设计方法、设计要点等，主要得到了以下几个方面的结论：
（1）市政钢结构桥梁疲劳可按失效周次、应力状态、荷载变化情况等分类，同时其抗疲劳性能影响因素主要有材料性质、焊接技术、构造形式、施工方案、外界环境等。
（2）钢结构桥梁抗疲劳性能设计应坚持质量优先、成本控制、适应环境的原则。
（3）钢结构桥梁抗疲劳性能设计方法包括无限寿命设计、安全寿命设计、损伤容限设计。
（4）市政钢结构桥梁在进行抗疲劳设计时应将运营期间的车辆荷载转换成标准疲劳荷载，并确定好构件的基本要求和验算位置。
参考文献：
[1]姜鹏.桥梁钢结构抗疲劳设计分析[J].建筑技术开发，2017，44（12）：115-116.
[2]梁维全.疲劳荷载模型Ⅲ下的公路钢结构桥梁疲劳性能分析[J].城市道桥与防洪，2016（7）：129-132+16.
[3]孫冬生.针对钢结构桥梁抗疲劳设计分析[J].城市地理，2016（6）：159.
[4]徐广明.基于全寿命理念的钢结构桥梁抗疲劳设计[J].中国建筑金属结构，2013（16）：9.
[5]刘帮俊.桥梁钢结构疲劳全寿命设计研究[D].长安大学，2006.