既有鐵路混凝土橋運(yùn)營(yíng)重載列車后疲勞損傷分析及壽命評(píng)估

王 麗，郭 瑩，張玉玲

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.中國(guó)鐵路總公司 運(yùn)輸局工務(wù)部，北京 100844)

20世紀(jì)50年代以來(lái)，重載鐵路因其運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低而受到世界各國(guó)的廣泛重視。近年來(lái)，由于各種現(xiàn)代高新技術(shù)在鐵路上廣泛應(yīng)用，鐵路重載運(yùn)輸技術(shù)及裝備水平不斷提高，重載列車的牽引重量也有了很大提高。我國(guó)2013年鐵路政策規(guī)定[1]:“新建重載鐵路貨車軸重不小于30 t，列車牽引重量為萬(wàn)噸級(jí)及以上;客貨共線鐵路貨車軸重研究推廣25 t，研究發(fā)展至27 t?！北疚尼槍?duì)鐵路貨車軸重提高至26.5 t的情況，對(duì)既有線混凝土橋梁進(jìn)行疲勞損傷分析及壽命評(píng)估。

1 既有線重載疲勞列車編組

基于當(dāng)前的典型疲勞列車[2]，通過(guò)替換重載貨車的辦法，確定了不同年運(yùn)量條件下26.5 t軸重重載疲勞列車參數(shù)。重載疲勞列車采用的機(jī)車、車輛模式見(jiàn)圖1，編組及運(yùn)營(yíng)次數(shù)見(jiàn)表1。

2 疲勞損傷影響分析

2.1 理論基礎(chǔ)

大量試驗(yàn)研究表明，應(yīng)力幅水平Δσi與其作用下常幅疲勞試驗(yàn)得出的疲勞失效循環(huán)次數(shù)Ni的關(guān)系為

式中:A，m為常數(shù)。

圖1 重載疲勞列車的機(jī)車、車輛模式(單位:m)

依據(jù)Miner線性累積損傷法則，損傷度D為

式中:D為Δσi作用下分別循環(huán)ni次后的損傷度，當(dāng)D≥1時(shí)，發(fā)生疲勞破壞[3-4];ni為應(yīng)力幅 Δσi的循環(huán)次數(shù)。

假設(shè)在當(dāng)前典型疲勞列車作用下?lián)p傷度為D1，在重載疲勞列車作用下?lián)p傷度為D2，相應(yīng)的疲勞壽命分別為Y1，Y2，則可得出在2種不同疲勞列車作用下的疲勞損傷之比為

疲勞壽命比與疲勞損傷比成反比

表1 26.5 t軸重重載疲勞列車組成及運(yùn)營(yíng)次數(shù)

由于為同一結(jié)構(gòu)同一構(gòu)造，式(3)可用式(5)代替

式中:Mi1，Mi2為橋梁的跨中彎矩;p1i，p2i為標(biāo)準(zhǔn)荷載效應(yīng)比頻譜。

相應(yīng)地，疲勞壽命之比為

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

依據(jù)式(6)得到在重載列車作用下，各種跨度橋梁的疲勞損傷及壽命折減情況，見(jiàn)表2。可見(jiàn)，以當(dāng)前運(yùn)營(yíng)列車作用下發(fā)生的累積損傷為基礎(chǔ)，26.5 t軸重重載列車的累積損傷將為當(dāng)前列車的1.4～3.7倍，運(yùn)營(yíng)重載列車疲勞壽命為當(dāng)前疲勞壽命的27%～71%。

3 疲勞壽命評(píng)估

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)混凝土梁占橋梁總數(shù)的92%(以孔計(jì))，其中以普通鋼筋混凝土梁居多[5]。基于S－N曲線(應(yīng)力—次數(shù)曲線)，對(duì)年運(yùn)量等級(jí)較大的線路上4 m和8 m普通鋼筋混凝土直線梁(叁標(biāo)橋1023)進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估。

3.1 疲勞壽命評(píng)估基本原理

如圖2所示，基于S－N曲線進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估的步驟:①確定關(guān)鍵構(gòu)造細(xì)節(jié);②通過(guò)理論計(jì)算或者現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)取得構(gòu)造的應(yīng)力時(shí)程曲線;③采用合適的應(yīng)力循環(huán)計(jì)數(shù)方法，將應(yīng)力歷程轉(zhuǎn)換為應(yīng)力譜;④進(jìn)行疲勞試驗(yàn)或根據(jù)已有的規(guī)范、文獻(xiàn)取得構(gòu)造的S－N曲線;⑤根據(jù)疲勞累積損傷理論計(jì)算得到構(gòu)造的疲勞壽命。

圖2 基于S－N曲線進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估的步驟

3.2 疲勞應(yīng)力幅的計(jì)算

普通鋼筋混凝土最下排鋼筋最大靜應(yīng)力σ為

式中:M為跨中彎矩;Ag為受拉鋼筋面積;Z為內(nèi)力偶臂;h為梁截面高度;x為中性軸距上緣距離;a'為最下排鋼筋距下緣距離;h0為截面有效高度。

表2 26.5 t軸重重載疲勞列車作用下結(jié)構(gòu)疲勞損傷分析

綜合考慮結(jié)構(gòu)疲勞的運(yùn)營(yíng)動(dòng)力系數(shù)、構(gòu)造系數(shù)等的影響得到靜應(yīng)力幅后，疲勞計(jì)算應(yīng)力幅為[5]

式中:Δσai為靜應(yīng)力幅;1+μi為動(dòng)力系數(shù);φ1為采用平面分析的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)，即構(gòu)造系數(shù);φ2為考慮偏心、超載和裝載偏心引起的應(yīng)力增大系數(shù)，取1.05;φ3為雙線橋應(yīng)力系數(shù)，取1.16;φ4為桁梁桿件次應(yīng)力系數(shù);φ5為非焊接構(gòu)件或連接應(yīng)力比系數(shù)。

本次計(jì)算主要考慮運(yùn)營(yíng)動(dòng)力系數(shù)、構(gòu)造系數(shù)、及偏心或超載系數(shù)。對(duì)于動(dòng)力系數(shù)，依據(jù)文獻(xiàn)[6]研究成果，當(dāng)貨車車輛以v≤100 km/h通過(guò)橋跨時(shí)

對(duì)鋼筋混凝土梁的構(gòu)造系數(shù)，文獻(xiàn)[7]規(guī)定為0.55～0.65。根據(jù)鐵科院鐵建所對(duì)部分干線混凝土梁的實(shí)際測(cè)定[8]，鋼筋的應(yīng)力構(gòu)造系數(shù)當(dāng)跨度≤8 m時(shí)，平均為0.409。本次計(jì)算采用動(dòng)力系數(shù)1.15，構(gòu)造系數(shù)0.5。

3.3 S－N曲線的確定

由于混凝土梁的疲勞壽命主要由最下排主筋控制，且跨度＜12 m的混凝土梁內(nèi)鋼筋沒(méi)有對(duì)接焊接頭，所以鋼筋的疲勞抗力曲線采用鋼筋母材的S－N曲線。

文獻(xiàn)[5]指定5×106次循環(huán)的疲勞強(qiáng)度為恒幅疲勞極限，指定108次的疲勞強(qiáng)度為截止限，小于截止限的應(yīng)力幅值均可略去不計(jì)，應(yīng)力幅值大于截止限但小于恒幅疲勞極限時(shí)的S－N曲線斜率m=5，大于恒幅疲勞極限時(shí)m=3。應(yīng)力幅Δσ與應(yīng)力幅循環(huán)次數(shù)N的表達(dá)式為

5×106次循環(huán)的疲勞強(qiáng)度即恒幅疲勞極限為σ0(5×106)=74 MPa;108次循環(huán)的疲勞強(qiáng)度即截止限為σ0(108)=40 MPa。

3.4 疲勞壽命評(píng)估

依據(jù)26.5 t軸重重載列車的編組及日運(yùn)營(yíng)次數(shù)，采用STAAD/PRO計(jì)算軟件計(jì)算得到列車作用下跨中鋼筋的應(yīng)力時(shí)程曲線。根據(jù)雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)得到重載列車作用下年疲勞應(yīng)力頻譜，假設(shè)從2015年開始引入重載列車，當(dāng)前疲勞列車的累積損傷在1975～2014年40年間發(fā)生，依據(jù)ECCS的疲勞曲線和計(jì)算方法進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估，計(jì)算的年疲勞應(yīng)力頻譜見(jiàn)表3～表6。

表3 當(dāng)前疲勞列車作用下跨度4 m混凝土梁年疲勞應(yīng)力頻譜

表4 當(dāng)前疲勞列車作用下跨度8 m混凝土梁年疲勞應(yīng)力頻譜

表5 26.5 t軸重重載作用下跨度4 m混凝土梁年疲勞應(yīng)力頻譜

表6 26.5 t軸重重載作用下跨度8 m混凝土梁年疲勞應(yīng)力頻譜

在當(dāng)前疲勞列車作用下，1975～2014年跨度4 m混凝土梁的損傷度D4dq為0.040 94，跨度8 m混凝土梁的損傷度D8dq為0.056 432。

在26.5 t軸重重載疲勞列車作用下，跨度4 m混凝土梁的年損傷度，剩余疲勞壽命Y4=(1－D4dq)/D41=25年，壽命至2039年。

在26.5 t軸重重載疲勞列車作用下，跨度8 m混凝土梁的年損傷度，剩余疲勞壽命Y8=(1－D8dq)/D81=64年，壽命至2078年。

4 結(jié)論

1)在現(xiàn)有橋梁設(shè)計(jì)資料無(wú)法取得的情況下，通過(guò)疲勞荷載計(jì)算得到疲勞損傷度的增加及疲勞壽命折減幅度的計(jì)算方法，對(duì)26.5 t軸重列車作用下跨度1～100 m混凝土橋疲勞壽命的折減情況進(jìn)行計(jì)算，以當(dāng)前運(yùn)營(yíng)列車作用下發(fā)生的累積損傷為基礎(chǔ)，26.5 t軸重重載列車的累積損傷將為當(dāng)前列車的1.4～3.7倍，運(yùn)營(yíng)重載列車疲勞壽命為當(dāng)前疲勞壽命的27%～71%。

2)由于小跨度橋梁的疲勞問(wèn)題較為突出，對(duì)跨度4 m和8 m混凝土梁在運(yùn)營(yíng)26.5 t軸重重載列車后的疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算。假定從2015年開始運(yùn)營(yíng)26.5 t軸重重載列車，跨度4 m和8 m混凝土梁的剩余疲勞壽命分別為25年和64年，壽命分別至2 039和2 078年。

3)本文的結(jié)果是基于理論計(jì)算得到的，在正式運(yùn)營(yíng)重載貨車之前需要針對(duì)具體橋梁開展相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，以確保運(yùn)輸安全。

[1]中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路主要技術(shù)政策[Z].北京:鐵道部辦公廳，2013.

[2]崔鑫，張玉玲.采用新活載標(biāo)準(zhǔn)鐵路鋼橋設(shè)計(jì)參數(shù)及規(guī)定的研究[R].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2008.

[3]王麗，張玉玲.隨機(jī)變幅疲勞荷載作用下鋼橋節(jié)點(diǎn)板交叉焊縫疲勞性能試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑，2013(11):1-4.

[4]崔鑫，張玉玲.大秦線8 m鋼筋混凝土梁疲勞損傷分析及壽命評(píng)估[J].鐵道建筑，2008(1):20-23.

[5]張玉玲.25 t軸重對(duì)橋梁影響的研究[R].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，1997.

[6]陳新中.簡(jiǎn)支的鋼筋混凝土梁和鋼梁動(dòng)力系數(shù)的研究[R].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，1990.

[7]中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵運(yùn)函[2004]120號(hào) 鐵路橋梁檢定規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2004.

[8]陳夏新，李之榕.25 t軸重作用下既有中小跨度混凝土橋梁疲勞壽命評(píng)估[R].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，1996.