摘要:吊杆是把橋面系的恆載與活載傳遞到拱肋的關鍵受力構件，它的使用正常與否，關係到橋樑的整體壽命和安全。隨著經濟的發展，一方面越來越多的橋樑設計成了公軌兩用橋樑，另一方面交通流量急劇增加，由於公軌兩用橋樑結構較輕，跨度大，在輕軌列車和很多汽車同時通過大跨度橋樑時，橋樑可能產生較大的振動，吊杆的應力變化幅度將會很大，進行疲勞分析是十分必要的。
關鍵詞:橋樑；疲勞；吊杆；共軌兩用橋
一、橋樑吊杆的破損現狀
自1858年第一座帶吊杆的系杆拱橋建成以來，世界上這類橋型發展迅猛，在中國情況更是如此。1960年蘭州至新疆鐵路昌吉橋(主跨56m)建成後，我國修建了大量的帶吊杆拱橋。據不完全統計，迄今為止，我國已建成帶吊杆的中、下承式拱橋達70餘座，僅四川和重慶地區就達30多座。隨著鋼結構的廣泛使用，這種趨勢將持續下去，上海盧浦大橋、拉薩柳梧大橋的建設就是最好的佐證。
中、下承式拱橋吊杆是把橋面系的恆載與活載傳遞到拱肋的關鍵受力構件，它的使用正常與否，關係到橋樑的整體壽命和安全。然而，由於受當前設計理論，科學技術和工業水平發展程序的制約，橋樑吊杆吊具的設計、製造、防護、安裝、服役、維護、健康診斷、拆換乃至設計壽命的確定、使用一段時間後剩餘壽命的預測等等，皆無明確、統一的規範。在大量的中、下承式拱橋和斜拉橋的吊杆設計、營運、維護、拆換、修復過程中，主要依據設計者的主觀判斷，缺乏公認的準則，以致吊杆失效造成的橋樑損壞和事故時有發生。
1967年12月15日，美國西佛吉利亞州的PoiniPleasant大橋在沒有任何徵兆的情況下突然倒塌，造成橋上31輛汽車墜落，46人死亡。該橋是一主跨為213.4m的懸索橋，其大纜是眼杆鏈，眼杆材料是經過熱處理的碳鋼，事故原因正是眼杆在孔眼處斷裂。斷裂發生的主要原因是眼杆孔眼處發生應力腐蝕(拉應力使晶間出現裂紋，裂紋憑毛細管作用，將空氣中的HZS和鹽類吸入，使腐蝕加劇)和腐蝕疲勞(裂紋因多次承受拉應力而穿過晶粒);但孔眼位於隱蔽位置，其裂紋無法檢查也是導致這次事故的一個原因。從此美國將這一類橋樑封閉不用，也不許新建橋樑再用這一橋式;帕斯克.肯捏威科橋僅通車7年即被迫換索;1903年，紐約威廉斯堡橋建成後，分別於1921、1924、1963年對主纜和吊杆進行過全面修補;美國Pasco-Kennewick橋，建成僅3-5年，拉索失效拆換，原計劃壽命為25年;
德國漢堡KohlbrandEstuary橋通車幾年即被迫全部更換斜纜，其費用相當於建橋總費用的一半，造成相當大的經濟損失。
1994年10月21日，韓國漢城的聖水橋突然斷裂。該橋是一懸臂靜定鋼析樑，主跨120m，兩端伸出的懸臂各長36m，懸掛跨跨度為48m.懸掛跨兩端的吊杆截面呈工字形，翼緣板厚度為18mm，為了讓吊杆上端採用銷釘連線，應將翼緣板與52mm厚的豎板進行對接焊(銷釘孔是在豎板內設定)。按照正常的工藝規則，在施焊前應該在翼緣板和豎板都開坡口，兩面施焊且必須熔透，然後再進行機加工，使表面平順。可是，由於該橋建造時對焊接工藝的要求不嚴，施焊前沒有開坡口。而該對接焊又是被節點板所蓋住，裂縫很難被檢查出來，這便是斷裂事故突然發生的原因。該橋在1979年10月建成通車，發生事故時僅僅使用了15年。
著名的委內瑞拉Maracaibo橋，使用16年後，斜纜失效，全部換索，耗資達5000萬美元。
中國廣州海印大橋建成6年後，斜拉索斷裂導致全部換索;濟南黃河公路橋使用13年後，20%索麵嚴重鏽蝕，不得不換掉272根舊索，安裝248根新索，歷時62天;虎門大橋剛剛建成便發現索有鏽蝕;紅水河鐵路橋使用20年後，因鏽蝕嚴重，不得不全部換索。
2001年11月7日清晨，宜賓金沙江橋連續橋面兩端的短吊杆先後斷裂，區域性橋面墜落江中。該橋為中承式拱橋，採用飄浮式連續橋面，橋面兩端設伸縮縫，由於短吊杆離伸縮縫的距離太近，當橋面在斷縫處發生反覆的縱向位移時，短吊杆反覆發生剪下變形，產生較大的應力幅值，導致其發生疲勞斷裂。其次，設計時應使潛在的疲勞裂紋開裂處易於被發現，但該橋的開裂點卻封閉在硫磺粘結料中，裂紋不易被發現，而且由於封閉設計的不合理，造成雨水常年積於其中，再加上大氣的腐蝕性介質又加速了這一開裂過程。該橋是在1990年7月1日正式通車，事故發生時僅僅使用了11年半。
二、橋樑吊杆的疲勞破壞機理
所謂疲勞，通常指在交變荷載的反覆作用下，結構在低於名義應力情況下斷裂破壞的現象。
一般地說，疲勞破壞經歷三個階段:裂紋的形成、裂紋的緩慢發展和最後的迅速斷裂。鋼結構主要是最後兩個階段，因為結構內總會有內在的細小缺陷，這些缺陷促使裂紋的形成。
疲勞破壞的產生必須是應力反覆、拉應力及塑性應變三者同時存在。3者缺一均不能形成疲勞破壞。滿足這三個條件，應力平均值即使在抗拉強度或屈服點以下也可能產生疲勞破壞。
腐蝕介質與迴圈應力互動作用，大大降低了材料和構件的疲勞強度。腐蝕介質和靜應力共同作用產生的腐蝕破壞稱為應力腐蝕;腐蝕介質與迴圈應力先後作用產生的.疲勞破壞稱為預腐蝕疲勞;腐蝕介質與迴圈應力同時作用產生的腐蝕破壞現象稱為腐蝕疲勞。應力腐蝕是一種由於緩慢的裂紋擴充套件而導致的破壞過程，它與疲勞破壞過程很相似，但這時只有靜應力，而無迴圈應力，所以又稱為靜疲勞。預腐蝕疲勞是腐蝕介質與迴圈應力未同時作用，它只是兩種過程的機械組合。而腐蝕疲勞則是一種腐蝕介質和迴圈應力聯合作用、互相促進的破壞過程。在腐蝕疲勞時，迴圈應力增強介質的腐蝕作用，而腐蝕介質又加快了迴圈應力下的疲勞破壞，因而二者共同作用更加有害。
對於腐蝕疲勞，按照腐蝕介質的狀態和性質，又可分為氣相疲勞和水介質疲勞。嚴格講來，只有在真空中的疲勞才是純疲勞。空氣本身就是腐蝕介質，材料在空氣中短壽命時，上述4種情況的疲勞強度相差很小;而長壽命時則有很大差別，按疲勞強度由高到低的順序為:真空疲勞、空氣疲勞、預腐蝕疲勞和腐蝕疲勞。長壽命時的腐蝕疲勞強度隨試樣材料和腐蝕介質的不同，可以是空氣疲勞強度的10%～100%，碳鋼和中低合金鋼在腐蝕介質中疲勞極限降低1/3～8/9，而不鏽鋼僅降低10%。
系杆拱橋的吊杆破損是疲勞和腐蝕共同作用的結果，在反覆高應力的作用下，吊杆的疲勞為腐蝕創造條件，加速腐蝕的進行;反過來，腐蝕會降低吊杆的抗疲勞能力，使得吊杆更加容易發生疲勞破損。因此，在橋樑設計時，不僅僅要使吊杆滿足強度要求，而且要使吊杆具有足夠的抗疲勞能力。
三、疲勞分析方法的研究現狀
隨著交通運輸的不斷髮展以及橋樑跨度不斷增加，交通流量以及車型不斷變化，同時焊接及低合金結構逐步被引用於橋樑中，致使橋樑的疲勞問題日漸突出，吸引了約來越多的學者對此開展了研究。
陳兵，趙雷等在對拉薩柳梧大橋吊杆進行疲勞壽命研究時，採用童樂為等建立的城市橋樑荷載譜，通過每類車輛對吊杆的影響線載入獲取吊杆的應力歷程，再由每類車型出現的概率和總的交通量得到吊杆的應力譜，最後通過已有的S-N曲線和Palmgren一Miner準則得到吊杆的剩餘壽命。
黃華鋼採用Matlab程式，利用童樂為等建立的城市橋樑荷載譜筋及BS540O荷載譜模擬了隨機車流，通過隨機車流對某20m跨簡支T樑載入對該混凝土樑橋的動力效能進行了分析，並對該樑的混凝土及鋼筋進行了疲勞壽命評估。
王春生在對鉚接鋼橋進行剩餘壽命與使用安全評估時，首先通過實橋進行交通流量進行調查獲取了該橋的車輛荷載譜，通過該荷載譜模擬了通過橋樑的隨機車流，最後鉚接鋼橋進行剩餘壽命和安全評估。
鄭曉燕在對吳堡黃河大橋杆件進行分析時，首先依據交通部門提供的資料建立了荷載譜，基於蒙特卡洛原理模擬了通過橋樑的隨機車流，將車流在構件影響線上載入獲得應力歷程，採用雨流法得到杆件的應力譜，最後通過選取S-N曲線對杆件進行了剩餘壽命評估。
綜上所述，同時考慮鐵路荷載和公路荷載，當前對公軌兩用大橋在列車和汽車同時作用下吊杆的疲勞問題的研究還很少。而且隨機車流也未考慮車道分佈的影響。因此有必要展開大跨度橋樑同時在輕軌及汽車作用下吊杆的疲勞分析。
參考文獻：
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