既有铁路混凝土桥运营重载列车后疲劳损伤分析及寿命评估.pdf

4 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 文章 编号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 4 ) 0 6 - 0 0 0 4 0 6 既有铁路混凝土桥运营重载列车后 疲劳损伤分析及寿命评估 王 丽 ， 郭 莹 ， 张玉玲 ( 1 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所 ， 北 京1 0 0 0 8 1 ； 2 中国铁 路总公司 运输局工务部 ， 北京1 0 0 8 4 4 ) 摘 要 ： 针 对我 国铁 路 对 重 载 运 输 的 需 求 ， 制 定 了 重 载 疲 劳 列 车 的 机 车 、 车 辆 模 式 ， 采 用 有 限 元 软 件 S T A A D P R O进 行建 模分 析 ， 得 到 重载 疲 劳列 车 经 过桥 梁 时跨 中 的 弯矩 时程 曲 线 ； 采 用 自编 雨 流程 序 ， 得 到 了弯矩谱 。提 出 了基 于荷栽 的 简化疲 劳损 伤分 析 方法 ， 对跨 度 为 11 0 0 m 的桥 梁在 2 6 5 t 轴重 重 载列车作用下疲劳损伤度的增加及疲劳寿命的折减进行 了计算。以4 m和 8 m普通钢筋混凝 土桥 梁为 例 ， 对其 疲 劳寿命 进 行评 估 ， 根 据 Mi n e r 线 性 累积 损 伤 法 则 ， 得 到 这 2种跨 度 桥 梁运 营 重 载 列 车后 的 疲 劳寿命 。 关键词： 混凝土桥 重载列车 疲劳损伤 寿命评估 中图分类 号 ： U 4 4 1 4文 献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 4 0 6 0 2 2 0世纪 5 0年 代 以来 ， 重 载 铁路 因其 运 能 大 、 效率 高 、 运输 成本 低而受 到 世界各 国的广泛 重视 。近年来 ， 由于各种 现代 高新 技术 在铁 路 上 广 泛 应 用 ， 铁 路 重 载 运输技术及装备水平不断提高 ， 重载列车 的牵引重量 也有 了很 大提 高 。我 国 2 0 1 3年铁 路 政 策 规 定 ： “ 新 建重 载铁 路货 车 轴 重 不小 于 3 0 t ， 列 车 牵 引 重 量 为 万 吨级 及 以上 ； 客货 共线 铁路货 车 轴重 研究 推 广 2 5 t ， 研 究发展至 2 7 t 。 ” 本文针对铁路货车轴重提高至 2 6 5 t 的情 况 ， 对既 有线 混凝 土 桥 梁 进 行疲 劳损 伤 分 析 及 寿 命评 估 。 1 既有线重载疲劳列车编组 基于当前 的典型疲劳列车 ， 通过替换重载货车 的办法 ， 确定 了不 同年运 量 条 件 下 2 6 5 t 轴 重 重 载 疲 劳列 车参数 。重 载疲 劳列 车 采 用 的 机 车 、 车辆 模 式 见 图 1 ， 编组 及运 营次 数见 表 1 。 2疲劳损伤 影响分析 2 1理论基 础 大量试验研究表 明， 应力幅水平 与其作用下 常幅疲劳试验得 出的疲劳失效循环次数 的关系为 N =A ( 1 ) 式 中 ： A， m 为 常数 。 收 稿 日期 ： 2 0 1 3 1 1 ， 2 0； 修 回 日期 ： 2 0 1 3 1 2 - 2 5 作者简介 ： 王丽( 1 9 8 1 一 ) ， 女， 山西宁武人， 助理研究员 ， 硕士 。 3 0t 3 0t 3 0t 2 6 5t 2 65t 2 6 5t 3 0t 3 0t 3 0t 2 6 5t 2 6 5t 2 6 5t f a 】a机车模式 2 6 5 t 2 6 5t 2 6 5t 2 6 5t 1 4 6 8 l 8 3 7 3 8 1 8 3 1 4 6 8 l 3 9 7 6 图 1 重载疲劳列车 的机 车 、 车辆模式 ( 单 位 ： I n ) 依据 Mi n e r 线性累积损伤法则 ， 损伤度 D为 D= = n ( 2 ) 式中： D为 A t r 作用下分别循环 I 次后 的损伤度， 当 D 1时 ， 发 生 疲 劳 破 坏 ； n 为 应 力 幅 的循 环 次数 。 假设在当前典型疲劳列车作用下损伤度为 D， 在 重载疲劳列车作用下损伤度为 D ， 相应的疲劳寿命分 别 为 l ， ， y 2 ， 则 可 得 出在 2种 不 同 疲 劳 列 车作 用 下 的 疲劳损伤之 比为 ： f 3) D 2 hi2Ao - i2 疲劳 寿命 比与 疲劳 损伤 比成 反 比 2 0 1 4年第 6期 王 丽等 ： 既有铁路混凝土桥运营重载列车后疲劳损伤分析及 寿命评 估 5 普通货物列车 3 2 煤列车 油列车 普通货物列车 3 27 6 煤列车 油列车 普通货物列车 7 6一l 2 煤列车 油列车 普通货物列车 l 2 1 7 煤列车 油列车 0 2 0 2 0 1 3 2 3 4 4 l 3 1 2 1 7 7 8 4 3 5 0 5 6 6 5 6 l 5 7 0 2 7 2 0 3 4 0 2 9 4 0 4 9 0 3 9 2 0 49 2 9 2 8 8 0 48 3 7 6 1 2 Y l I Dl Y 2 1 D2 ( 4) 由于为同一结构同一构造 ， 式( 3 ) 可用式( 5 ) 代替 ： ： 垡 ( 5 ) D z n ： 三 n p 一 式中： 为桥梁 的跨 中弯矩 ； p P 为标准荷载 效应 比频谱。 相应 地 ， 疲 劳 寿命之 比为 ： f 6 y 2 nl pml 2 2 计算结果及分析 依据式( 6 ) 得到在重载列车作用下， 各种跨度桥 梁的疲劳损伤及寿命折减情况 ， 见表 2 。可见 ， 以当前 运营列车作用下发生的累积损伤 为基础 ， 2 6 5 t 轴重 重 载列 车 的累积损 伤将 为 当前列 车 的 1 43 7倍 ， 运 营重载列车疲劳寿命为当前疲劳寿命的 2 7 7 1 。 3疲劳寿命评估 据统计 ， 我国混凝 土梁 占桥梁总数 的 9 2 ( 以孔 计 ) ， 其 中以普通钢筋混凝土梁居多 _ 5 。基于 |s 一 曲 线( 应力一次数 曲线 ) ， 对年 运量等 级较 大的线路 上 4 m和 8 m普通钢筋 昆 凝土直线梁 ( 叁标桥 1 0 2 3 ) 进行 疲劳寿命评估。 3 1疲 劳寿命 评估 基本 原 理 如 图 2所 示 ， 基于 S N曲线 进行 结 构 疲 劳 寿命 评 估的步骤 ： 确定关键构造细节 ； 通过理论计算或者 现场实测取得构造的应力时程曲线 ； 采用合适 的应 力循环计数方法 ， 将应力历程转换为应力谱 ； 进行疲 劳试 验 或 根 据 已有 的 规 范 、 文 献 取 得 构 造 的 S 一 曲 线 ； 根 据 疲 劳 累 积 损 伤 理 论 计 算 得 到 构 造 的 疲 劳 寿命 。 现 场测试 理 论计算 荷载， 应力历程 l l 疲劳试验 1 1 相关规范、文献 巫 寸 l应力谱 I l 疲劳累积 损伤理论 构造 疲劳寿命 图 2基于 s 一 曲线进行疲劳寿命评估的步骤 3 2疲劳 应 力幅 的计算 普通 钢筋 混凝 土最 下排 钢筋 最大 静应 力 为 M h a 、 一A Z。 式 中： 为跨 中弯矩 ； A 为受拉钢筋面积； Z为内力偶 臂 ； h为梁截面高度 ； 为中性轴距上缘距离 ； a 为最 下排钢筋距下缘距离 ； h 。 为截面有效高度。 0 O 7 O O 2 3 2 O 2 l O 3 2 0 1 3 9 O 3 l 卵 钉 7 O O 鼹 2 3 2 0 2 1 O 3 O 1 8 O I I l 5 I l I 3 1， 1 O 卯 2 2 2 0 l 2 7 0 9 3 B 4 3 3 3 拍 2 勰 0 鲫 0 能 舳 舳 0 犍 舳 0 铝 m 一 n 一 n n 一 ： 6 铁道建筑 J u n e ， 2 0 1 4 综 合考 虑结 构疲 劳 的运 营 动 力 系 数 、 构 造 系数 等 的影响得到静应力幅后 ， 疲劳计算应力幅为 A o - = ( 1+ ) mo - a l 2 3 4 5 ( 8) 式 中 ： 为静 应力 幅 ； 1+ 为 动力 系数 ； 为采 用 平面分析的结构校验系数 ， 即构造系数 ； 为考虑偏 心、 超载和装载偏心引起 的应力增大系数 ， 取 1 0 5 ； 为双线桥应力系数 ， 取 1 1 6 ； 为桁梁杆件次应力系 数 ； D 为非 焊接构 件或 连接 应 力 比系数 。 本次计算主要考虑运营动力系数 、 构造系数、 及偏 心或超载系数。对 于动力 系数 ， 依据文献 6 研究成 果 ， 当货 车 车辆 以 1 0 0 k m h通 过桥 跨时 1+ = 1 1 5 ( 9) 对 钢 筋 混 凝 土 梁 的 构 造 系 数 ， 文 献 7 规 定 为 0 5 5 0 6 5 。根据铁科院铁建所对部分干线混凝土梁 的实际测定 ， 钢筋的应力构造系数 当跨度 8 m时， 平均为 0 4 0 9 。本次计算采用 动力 系数 1 1 5 ， 构造系 数 0 5 。 3 3 一 曲线 的确 定 由于混 凝 土 梁 的疲 劳 寿 命 主 要 由 最 下 排 主筋 控 制 ， 且 跨度 1 2 m 的 混 凝 土 梁 内 钢 筋 没 有 对 接 焊 接 头 ， 所 以钢 筋 的疲 劳 抗 力 曲线 采 用 钢 筋 母 材 的 s一 曲线 。 文献 5 指定 51 0 。 次循环的疲劳强度为恒幅疲 劳 极 限 ， 指定 1 0 次 的疲 劳 强度 为截 止 限 ， 小 于截 止 限 的应力幅值均可略去不计 ， 应力 幅值大于截止限但小 于恒幅疲劳极限时的 s 一 曲线斜率 m =5 ， 大 于恒幅 疲 劳 极 限 时 m ：3 。应 力 幅 A c r 与 应 力 幅循 环次 数 的表 达式 为 l g N =1 2 3 0 6 73l g Ao l g N =1 6 0 45 151 g Ao - 51 0 ( 1 0) 51 0。N 1 0 51 0 。次 循 环 的 疲 劳 强 度 即恒 幅 疲 劳 极 限 为 。 、 =7 4 MP a ； 1 0 次 循 环 的疲 劳 强 度 即 截 止 限 为 o ( 1 。 8 1=4 0 MPa 。 3 4 疲 劳寿 命评 估 依据 2 6 5 t 轴重重载列 车的编组及 日运营次数 ， 采用 S T A A D P R O计算软件计算得到列车作用下跨 中 钢 筋 的应力 时程 曲线 。根 据雨 流计 数 法统 计得 到重 载 列车作用下年疲劳应力频谱 ， 假设从 2 0 1 5年开始引入 重 载列 车 ， 当前 疲劳 列车 的累积损 伤在 1 9 7 5 2 0 1 4年 4 0年间发 生 ， 依据 E C C S的疲 劳 曲 线 和计 算 方 法 进 行 疲劳寿命评估 ， 计算的年疲劳应力频谱见表 3表 6 。 2 0 1 4年第 6期 王 丽等 ： 既有铁路混凝 土桥运营重载列车后疲劳损伤分析及 寿命评 估 7 表 3 当前疲劳列车作用下跨度 4 m 混凝土梁年疲劳应力频谱 表 4 当前疲 劳列车作用下跨度 8 m 混凝土梁年疲 劳应力频谱 8 铁道建筑 J u n e ， 2 0 1 4 表 5 2 6 5 t 轴重重载作用 下跨度 4 m 混凝土梁年疲劳应力频谱 2 0 1 4年第 6期 王 丽等 ： 既有铁路混凝土桥运营重载列车后疲劳损伤分析 及寿命评 估 9 在 当前疲劳列车作用下 ， 1 9 7 52 0 1 4年跨度 4 m 混凝土梁的损伤度 D 由 为 0 0 4 0 9 4 ， 跨度 8 m混凝土 梁的损 伤度 D 。 。 为 0 0 5 6 4 3 2 。 在 2 6 5 t 轴重重载疲劳列车作用下 ， 跨度 4 m混 1 5 凝土梁的年损伤度D = Ib i = 0 0 3 8 2 9 5 ， 剩余疲 2 劳寿命 Y 4=( 1一D 幽 ) D 。=2 5年， 寿命至 2 0 3 9年。 在 2 6 5 t 轴重重载疲劳列车作用下 ， 跨度 8 m混 15 n 凝土梁的年损伤度D = = 0 0 1 4 6 9 4 ， 剩余疲 i = 1 2 劳寿命 Y 8=( 1一D ) D ：6 4年 ， 寿命至 2 0 7 8年。 4 结 论 1 ) 在 现有 桥梁 设 计 资料 无法 取 得 的情 况下 ， 通 过 疲劳 荷载 计算得 到疲 劳损 伤度 的增 加及 疲劳 寿命 折减 幅度 的计 算方 法 ， 对 2 6 5 t 轴 重 列 车 作 用 下 跨 度 1 1 0 0 m混凝土桥疲 劳寿命 的折减情况进行计算 ， 以当 前运营列车作用下发生 的累积损伤为基础 ， 2 6 5 t 轴 重重载列车的累积损伤将为当前列车的 1 4 3 7倍 ， 运营重 载列 车疲 劳寿命 为 当前疲 劳寿命 的 2 7 71 。 2 ) 由于小跨 度 桥 梁 的疲 劳 问题 较 为 突 出 ， 对跨 度 4 m 和 8 m混凝 土梁 在运 营 2 6 5 t 轴 重重 载列 车 后 的 疲 劳寿 命 进 行计 算 。假 定 从 2 0 1 5年 开始 运 营 2 6 5 t 轴重重载列车， 跨度 4 m和 8 m混凝土梁的剩余疲劳寿 命分别为 2 5年和 6 4年， 寿命分别至2 0 3 9 和2 0 7 8年。 3 ) 本文 的结 果是 基 于 理论 计 算 得 到 的 ， 在 正 式 运 营重 载货车 之前 需要 针对 具体 桥 梁开展 相关 的现场试 验 研究 ， 以确保 运输 安全 。 参 考 文 献 1 中华人 民共和 国铁道 部 铁路 主要技 术政 策 Z 北 京 ： 铁 道部 办公 厅 ， 2 0 1 3 2 崔鑫 ， 张玉玲 采用新活载标准铁路钢桥设计参数及 规定的 研究 R 北 京 ： 中 国铁 道 科 学 研究 院铁 道 建 筑 研 究所 ， 2 00 8 3 王丽 ， 张玉玲 随机变幅疲劳荷载作用 下钢 桥节点板交叉焊 缝疲劳性能试验研究 J 铁道建筑 ， 2 0 1 3 ( 1 1 ) ： 1 4 4 崔鑫 ， 张玉玲 大秦线 8 m钢筋混凝土梁疲劳损伤分析及 寿 命评估 J 铁道建筑 ， 2 0 0 8 ( 1 ) ： 2 O 一 2 3 5 张玉玲 2 5 t 轴 重对桥 梁影 响 的研究 R 北 京 ： 中 国铁道 科学研究 院铁道建筑研究所 ， 1 9 9 7 6 陈新 中 简支 的钢筋混凝 土梁和钢梁动 力系数 的研 究 R 北京 ： 中国铁道 科学研究院铁道建筑研究所 ， 1 9 9 0 7 中华人 民共和 国铁道 部 铁运 函 2 0 0 4 1 2 0号 铁 路桥梁 检定规范 s 北京 ： 中国铁道出版社 ， 2 0 0 4 8 陈夏新 ， 李 之榕 2 5 t 轴重作用下既有 中小跨度 混凝土桥 梁 疲劳寿命评估 R 北 京 ： 中国铁道科 学研究 院铁道建筑研 究 所 ， 1 9 9 6 Fa t i g ue d a ma g e a n a l y s i s a n d l i f e e v a l ua t i o n o f e x i s t i n g r a i l wa y c o n c r e t e br i dg e a f t e r o p e r a t i o n o f h e a v y ha u l t r a i n s W ANG L i ， GUO Yi n g ， ZHANG Yu l i n g ( 1 R a i l w a y E n g i n e e r i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h i n a A c a d e m y o f R a i l w a y S c i e n c e s ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a ； 2 T r a n s p o r t a t i o n B u r e a u， C h i n a Ra i l w a y C o r p o r a t i o n， B e i j i n g 1 0 0 8 4 4， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ac c o r d i n g t o t h e r e q u i r e me n t s o f h e a v y h a u l t r a n s p o r t i n Ch i n a， t h i s p a p e r f o r mu l a t e d t h e l o c o mo t i v e， v e h i c l e mo d e l f o r o v e r l o a d i n g f a t i g u e t r a i n， ma d e mo d e l i n g a n a l y s i s wi t h t h e fin i t e e l e me n t s o f t wa r e S TAADPRO ， g o t t h e mo me n t c u r v e o f mi d d l e s p a n wh e n t h e h e a v y h a u l f a t i g u e t r a i n p a s s e s t h r o u g h b r i d g e， o b t a i n e d t h e mo me n t s p e c t r u m wi t h t h e r a i n flo w c o u n t i n g me t h o d Th i s p a p e r a l s o p r o p o s e d t h e s i mp l i fie d f a t i g u e d a ma g e a n a l y s i s me t h o d b a s e d o n t h e l o a d， c a l c u l a t e d t h e i n c r e a s e o f f a t i g u e d a ma g e d e g r e e a n d d e c r e a s e o f f a t i g u e l i f e o f b r i d g e s wi t h 1 1 0 0 m s p a n s u n d e r 2 6 5 t a x l e h e a v y h a u l t r a i n， e v a l u a t e d t h e f a t i g u e l i f e o f t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e b r i d g e s wi t h 4 m a n d 8 m s p a n r e s p e c t i v e l y， a n d c o n c l u d e d t h e f a t i g u e l i f e o f t h e s e t wo s p a n b r i d g e s wi t h h e a v y h a u l t r a i n o p e r a t i o n a c c o r d i n g t h e Mi n e r l i n e a r c u mu l a t i v e d a ma g e r u l e Ke y wo r d s： Co n c r e t e b r i d g e； He a v y h a u l t r a i n； F a t i g u e d a ma g e； L i f e e v a l u a t i o n ( 责任 审编李付军)