H型吊杆疲劳寿命评估

H型吊杆疲劳寿命评估

孙雨洋

华北水利水电大学 河南 郑州 450045

引言：随着我国经济社会的发展和桥梁科学技术的进步，大跨度钢拱桥得到飞速发展。作为钢拱桥的关键构件，H型刚性吊杆的稳定性对钢拱桥的安全运行发挥着至关重要的作用，因其长细比大、阻尼低的特点，在风荷载作用下易产生大幅振动。风致扭转振动作用下H型刚性吊杆的疲劳问题受众多因素影响，且现有振动控制目标不够精确，疲劳评估方法有待完善。因此，开展H型刚性吊杆的疲劳评估研究并建立优化设计流程具有重要的现实指导意义。

1. 疲劳概念

国际标准化组织（ISO）在1964年发表的《金属疲劳试验的一般原理》报告中对疲劳的定义为[1,2]：“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能称为疲劳”。经足够的应力或应变循环作用后，损伤累积可使结构或构件材料产生裂纹，并使裂纹扩展，直至小片脱落或断裂的过程，称为疲劳破坏[3,4,5]。构件因发生疲劳损伤而使其丧失正常工作性能的现象称为疲劳失效。构件抵抗疲劳失效的能力称为疲劳强度[6,7]。

2.吊杆疲劳寿命评估

根据结构疲劳设计的现行规范，对吊杆进行了系统的疲劳验算，对于高强螺栓的连接作用，采用连接单元进行模拟，从而能够精准模拟出节点板处的应力状态[8,9,10]。考虑到涡激共振特性，吊杆的结构应力循环被假定为常幅应力循环。进一步通过对吊杆施加不同大小的扭转角度，在建立扭转角度与疲劳极限之间的定量联系。

按照规范对某大跨度钢拱桥的吊杆进行疲劳寿命计算，节点板处与吊杆其余部分疲劳细节不同，节点板处疲劳细节为90MPa，常幅疲劳极限为66MPa；跨中处疲劳细节为160MPa，常幅疲劳极限为118MPa。对该大跨度钢拱桥号吊杆半杆模型施加不同大小的扭转角度，分别提取节点板处与吊杆的最大主应力，并按照中国《公路钢结构桥梁设计规范》中的相关要求进行疲劳寿命计算，具体结果见下表。

当该大跨度钢拱桥1号吊杆的风致振动扭转角度在±6.2°以内时，吊杆各处的应力幅均小于中国《公路钢结构桥梁设计规范》所规定的常幅疲劳极限。即在这个角度范围内，吊杆不会发生疲劳破坏，可以确保吊杆的结构安全性。

依据中国《公路钢结构桥梁设计规范》中对于疲劳设计的相关规定，对7种不同长度的吊杆进行疲劳寿命评估。对节点板处与跨中处应力最大处分别进行疲劳寿命计算，以两者中的较小值作为该长度杆件的扭转幅值控制目标，不同长度杆件的评估结果见表3-7。

表3-7 不同长度吊杆扭转幅值控制目标

Table 3-7 Control targets of torsion amplitude of different length boom

3.结论：

(1）按照规范对1号吊杆进行疲劳寿命评估，结果显示，扭转幅值在±6.2°以内时，吊杆不会发生疲劳破坏。

(2)对不同长度吊杆进行疲劳寿命评估，短吊杆跨中处更容易发生疲劳破坏，长吊杆节点板处更容易发生疲劳破坏，该桥6.6m-40.2m吊杆扭转幅值控制目标分别为±0.37°-±6.20。

参考文献：

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