大跨度钢桥中的疲劳与稳定问题(强士中)

第第二二届届亚亚洲洲桥桥梁梁峰峰会会强士中强士中教授教授任伟平任伟平博士博士大跨度钢桥的疲劳与稳定问题大跨度钢桥的疲劳与稳定问题大跨度钢桥的疲劳与稳定问题内容提纲内容提纲大大跨跨度度钢钢桥桥疲疲劳劳与与稳稳定定问问题题钢桥疲劳事故钢桥疲劳事故1钢桥稳定事故钢桥稳定事故2大跨度钢桥疲劳研究热点及工程实例大跨度钢桥疲劳研究热点及工程实例3大跨度钢桥稳定研究及工程实例大跨度钢桥稳定研究及工程实例4结论结论5ÎÎ大跨度钢桥迅速发展大跨度钢桥迅速发展统计表明，我国已建成各类桥梁统计表明，我国已建成各类桥梁3232万多座，其中特大型桥梁有七百多万多座，其中特大型桥梁有七百多座，这些桥梁中大部分为钢桥。下表给出了国内代表性的大跨度钢桥。座，这些桥梁中大部分为钢桥。下表给出了国内代表性的大跨度钢桥。桥桥名名跨度跨度（（mm））建成年代建成年代特点特点重庆朝天门长江大桥重庆朝天门长江大桥55255220082008世界最大跨径世界最大跨径钢桁拱桥钢桁拱桥南京长江三桥南京长江三桥64864820052005我国首座大跨我国首座大跨钢塔斜拉桥钢塔斜拉桥苏通长江大桥苏通长江大桥1088108820072007世界最大跨径世界最大跨径斜拉桥斜拉桥舟山西堠门大桥舟山西堠门大桥1650165020092009我国最大跨径我国最大跨径悬索桥悬索桥武汉天兴洲长江大桥武汉天兴洲长江大桥50450420092009世界最大跨径公世界最大跨径公铁两用斜拉桥铁两用斜拉桥ÎÎ钢桥疲劳问题突出钢桥疲劳问题突出桥梁钢结构的疲劳问题正变的日趋严重：运营车辆总重加大（特别是超桥梁钢结构的疲劳问题正变的日趋严重：运营车辆总重加大（特别是超载）；交通量增加；新的结构细节出现（疲劳性能未知）载）；交通量增加；新的结构细节出现（疲劳性能未知）;;桥梁寿命的增加。桥梁寿命的增加。上世纪上世纪6060年代以来，许多钢桥都出现了各种形式的疲劳裂纹，因疲劳断年代以来，许多钢桥都出现了各种形式的疲劳裂纹，因疲劳断裂而酿成的灾难性事故也时有发生。根据美国土木工程学会疲劳与断裂分委裂而酿成的灾难性事故也时有发生。根据美国土木工程学会疲劳与断裂分委会的调查结果，会的调查结果，8080～～9090％％的钢结构破坏均和疲劳有关，疲劳已成为桥梁钢结的钢结构破坏均和疲劳有关，疲劳已成为桥梁钢结构失效的主要形式之一。下面列举几个钢桥疲劳破坏的典型案例：构失效的主要形式之一。下面列举几个钢桥疲劳破坏的典型案例：（（11））19671967年年1212月月1515日美国的日美国的PointPleasantPointPleasant桥因眼杆钉孔处两条腐蚀疲劳裂桥因眼杆钉孔处两条腐蚀疲劳裂纹的脆断突然整桥倒塌，造成纹的脆断突然整桥倒塌，造成4646人丧生，人丧生，3737辆车坠落河中。从此才引起了辆车坠落河中。从此才引起了研究人员对钢桥疲劳问题的重视。研究人员对钢桥疲劳问题的重视。PointPleasant桥倒塌前后PointPleasantPointPleasant桥倒塌前后桥倒塌前后（（22））19941994年年1010月月2121日早，韩国汉城的圣水大桥中央悬挂跨因疲劳破坏突然日早，韩国汉城的圣水大桥中央悬挂跨因疲劳破坏突然断裂，其中断裂，其中15m15m掉入江中，造成六辆汽车掉入汉江，导致掉入江中，造成六辆汽车掉入汉江，导致3232人死亡，人死亡，1717人重人重伤的重大事故，；伤的重大事故，；（（33））20012001年年1111月月77日清晨，我国宜宾金沙江桥的日清晨，我国宜宾金沙江桥的44对短吊杆由于腐蚀疲劳突对短吊杆由于腐蚀疲劳突然断裂，局部桥面坠落江中；然断裂，局部桥面坠落江中；韩国圣水河大桥倒塌前后韩国圣水河大桥倒塌前后韩国圣水河大桥倒塌前后（（44））20072007年年88月月11日，美国日，美国3535号州际公路上的密西西比河大桥因腐蚀疲劳号州际公路上的密西西比河大桥因腐蚀疲劳而瞬时倒塌（上承式钢桁拱结合梁桥）。而瞬时倒塌（上承式钢桁拱结合梁桥）。从这些重大事故来看，目前世界各国的钢桥建设和管理者都面临着如何从这些重大事故来看，目前世界各国的钢桥建设和管理者都面临着如何更好解决钢桥疲劳问题的巨大挑战。更好解决钢桥疲劳问题的巨大挑战。20062006年由里海大学的年由里海大学的FisherFisher教授发教授发起，起，在美国费城召开了第一届钢结构疲劳国际会议。今年将举办第二次国际在美国费城召开了第一届钢结构疲劳国际会议。今年将举办第二次国际会议，目的就是通过国际合作来更好的解决钢桥所面临的日趋严重的疲劳问会议，目的就是通过国际合作来更好的解决钢桥所面临的日趋严重的疲劳问题。题。ÎÎ钢桥稳定问题突出钢桥稳定问题突出稳定是桥梁钢结构的另一个重要研究课题。稳定是桥梁钢结构的另一个重要研究课题。下面是两起因压杆失稳而导致桥梁塌坍的严重事故。下面是两起因压杆失稳而导致桥梁塌坍的严重事故。（（11）俄罗斯的克夫达）俄罗斯的克夫达((KebfaKebfa))敞开式桥，于敞开式桥，于18751875年因上年因上弦压杆侧向失稳而引起全桥破坏。弦压杆侧向失稳而引起全桥破坏。俄罗斯克夫达敞开式桥失稳破坏俄罗斯克夫达敞开式桥失稳破坏俄罗斯克夫达敞开式桥失稳破坏ÎÎ钢桥稳定问题突出钢桥稳定问题突出（（22）加拿大魁北克）加拿大魁北克(Quebec)(Quebec)钢桁架桥。该桥钢桁架桥。该桥19071907年年88月月2929日清晨在日清晨在施工过程中因下弦失稳，导致悬臂跨坠入河中，当时桥上工作的施工过程中因下弦失稳，导致悬臂跨坠入河中，当时桥上工作的8686人中只人中只有有1111人幸免于难。人幸免于难。原因：悬臂伸出的由四部分分肢组成的格构式组合截面的南侧一下弦压原因：悬臂伸出的由四部分分肢组成的格构式组合截面的南侧一下弦压杆因所设置的角钢缀条过于柔细，在主跨悬臂已悬拼至接近完成时，挠度杆因所设置的角钢缀条过于柔细，在主跨悬臂已悬拼至接近完成时，挠度的发展已经无法控制，分肢屈曲在先，随之弦杆整体失稳的发展已经无法控制，分肢屈曲在先，随之弦杆整体失稳。。加拿大魁北克(Quebec)钢桁架桥加拿大魁北克加拿大魁北克(Quebec)(Quebec)钢桁架桥钢桁架桥ÎÎ四座大型钢箱梁严重事故四座大型钢箱梁严重事故19691969年年1111月～月～19711971年年1111月间，在欧洲不同地方相继发生了四起重大月间，在欧洲不同地方相继发生了四起重大钢箱梁失稳事故。钢箱梁失稳事故。11、奥地利维也纳多瑙河、奥地利维也纳多瑙河44号桥号桥奥地利维也纳多瑙河奥地利维也纳多瑙河44号桥号桥(TheFourthDanubeBridge(TheFourthDanubeBridge），），19691969年年1111月月66日箱梁下翼缘由于施工时的恒载效应和温度效应叠加，所受压应力日箱梁下翼缘由于施工时的恒载效应和温度效应叠加，所受压应力过大，局部失稳，使梁损坏。过大，局部失稳，使梁损坏。22、英国米尔福德港桥、英国米尔福德港桥英国米尔福德港桥（英国米尔福德港桥（MilfordHavenBridgeMilfordHavenBridge）为连续箱梁桥，）为连续箱梁桥，19701970年年66月月22日边跨（跨度为日边跨（跨度为75.8m75.8m）在采用全伸臂安装过程中，当伸臂长度为）在采用全伸臂安装过程中，当伸臂长度为59.6m59.6m、用小车将前方梁段运往臂的前端时，伸臂根部位置处的支承横隔、用小车将前方梁段运往臂的前端时，伸臂根部位置处的支承横隔板突然发生失稳，伸臂立即转动、下落，臂端撞击地面，臂的根则抵住桥板突然发生失稳，伸臂立即转动、下落，臂端撞击地面，臂的根则抵住桥墩顶端，使墩身因受弯而开裂。墩顶端，使墩身因受弯而开裂。该桥的箱梁截面呈梯形，在恒载作用之下，斜腹板对横隔板也有水平该桥的箱梁截面呈梯形，在恒载作用之下，斜腹板对横隔板也有水平压力，由于当时没有认识到此问题，导致横隔板在压力下失稳，这就引发压力，由于当时没有认识到此问题，导致横隔板在压力下失稳，这就引发了这一事故。了这一事故。33、澳大利亚墨尔本西门桥（、澳大利亚墨尔本西门桥（TheWestGateBridgeTheWestGateBridge））19701970年年1010月月1515日，澳大利亚墨尔本西门桥在架设拼拢整孔左右两半日，澳大利亚墨尔本西门桥在架设拼拢整孔左右两半（截面）钢箱梁时，跨中上翼板突然失稳（截面）钢箱梁时，跨中上翼板突然失稳（（图片图片）），，112m112m的整跨倒塌，的整跨倒塌，导致导致3535人死亡，人死亡，1818人受伤。人受伤。事故直接原因：不应在跨中有正弯矩的情况下拆除该处的接头高强栓；间接原因：施工方案实施困难。在1970年，钢箱梁是一种新型结构；关于钢板件的承载力理论尚未形成。44、德国科布伦茨桥（、德国科布伦茨桥（TheRhineBridgeTheRhineBridge））1971年11月10日，德国科布伦茨桥的伸臂伸出（桥墩之外）长度达104.5m，在吊机起吊下一个安装梁段时，梁的伸臂突然在其离墩55m处(因是连续梁的反弯点，截面最弱）发生折角，使臂端落水。桥上的吊机随之下落，当时是下午2时15分，事故历时仅几秒钟。ÎÎ四座大型钢箱梁严重事故四座大型钢箱梁严重事故工程事故带来的损失是令人痛心的，也是难以弥补的，但是对工程事工程事故带来的损失是令人痛心的，也是难以弥补的，但是对工程事故的产生原因进行深入分析，又能使人们受益匪浅，从而促使科技进步。故的产生原因进行深入分析，又能使人们受益匪浅，从而促使科技进步。这些事故发生之后，英国曾对板件承载力理论进行了深入研究。对有这些事故发生之后，英国曾对板件承载力理论进行了深入研究。对有初始缺陷的板件，能将其破坏历程及最大承载力，用数值方法计算出来。初始缺陷的板件，能将其破坏历程及最大承载力，用数值方法计算出来。上述桥梁事故都发生在施工阶段，在血的教训中，人们得到了很多启发，上述桥梁事故都发生在施工阶段，在血的教训中，人们得到了很多启发，这对以后的设计是有益的。这对以后的设计是有益的。ÎÎ设计规范在稳定问题上的不足设计规范在稳定问题上的不足钢桥规范只适用于给定的钢材种类和结构构造，不能指导新型截面构造钢桥规范只适用于给定的钢材种类和结构构造，不能指导新型截面构造设计，也无法考虑初始缺陷的影响。桥梁规范在稳定性计算方面的不足，设计，也无法考虑初始缺陷的影响。桥梁规范在稳定性计算方面的不足，需要完善。需要完善。大大跨跨度度钢钢桥桥疲疲劳劳与与稳稳定定问问题题焊接钢桥疲劳问题分析焊接钢桥疲劳问题分析工字梁盖板端部工字梁盖板端部平纵联节点板连接平纵联节点板连接横梁与主梁弦杆连接横梁与主梁弦杆连接竖向加劲肋焊接端部竖向加劲肋焊接端部斜拉桥索梁锚固区斜拉桥索梁锚固区正交异性钢桥面板正交异性钢桥面板管结构焊接节点管结构焊接节点典型开裂细节典型开裂细节典型开裂细节较大初始缺陷较大初始缺陷面外变形面外变形疲劳机理疲劳机理疲劳机理疲劳设计与制造工艺疲劳设计与制造工艺及时检查与修复措施及时检查与修复措施止裂方法止裂方法止裂方法大大跨跨度度钢钢桥桥疲疲劳劳与与稳稳定定问问题题大大跨跨度度钢钢桥桥疲疲劳劳与与稳稳定定问问题题大大跨跨度度钢钢桥桥疲疲劳劳与与稳稳定定问问题题大大跨跨度度钢钢桥桥疲疲劳劳与与稳稳定定问问题题大大跨跨度度钢钢桥桥疲疲劳劳与与稳稳定定问问题题疲劳主要研究工作疲疲劳劳主主要要研研究究工工作作大大跨跨度度钢钢桥桥疲疲劳劳与与稳稳定定问问题题结构疲劳分析流程结构疲劳分析流程钢桥进行疲劳寿命评估，主要采用两种方法：一种是基于S-N曲线和Mine线性累积损伤法则的分析方法，也称为应力－寿命分析方法；另一种是基于线弹性断裂力学（LEFM）的分析方法。大大跨跨度度钢钢桥桥疲疲劳劳与与稳稳定定问问题题横梁与主桁节点连接细节疲劳性能试验研究（一）横梁与主桁节点连接细节疲劳性能试验研究（一）重庆朝天门长江大桥为世界最大的公轨两用中承式钢桁连续系杆重庆朝天门长江大桥为世界最大的公轨两