鐵路客貨分線后橋梁的疲勞損傷分析及壽命評(píng)估

王麗，張玉玲，崔鑫，榮振環(huán)

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

鐵路客貨分線后橋梁的疲勞損傷分析及壽命評(píng)估

王麗，張玉玲，崔鑫，榮振環(huán)

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著客運(yùn)專線的建設(shè)和完善，實(shí)施客貨分線，即將客運(yùn)流量全部轉(zhuǎn)移到客運(yùn)專線上，既有線集中承擔(dān)貨物運(yùn)輸已成為鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)。本文以膠濟(jì)線為研究對(duì)象，針對(duì)該線路客貨分線后橋梁的疲勞損傷及壽命進(jìn)行評(píng)估。在現(xiàn)有典型疲勞列車的基礎(chǔ)上制定了分線后的疲勞列車，采用大型計(jì)算軟件STAAD/PRO計(jì)算得到了疲勞列車的跨中彎矩歷程，采用自編雨流統(tǒng)計(jì)程序得到彎矩譜，依據(jù)Miner線性累積損傷原理，進(jìn)行橋梁的損傷分析及壽命評(píng)估，得到了分線后橋梁的累積損傷度、剩余壽命和壽命折減程度。

客貨分線 橋梁 疲勞損傷 疲勞壽命

針對(duì)我國(guó)主要鐵路干線在客貨共線模式下，運(yùn)能十分緊張，客運(yùn)快速和貨運(yùn)重載難以兼顧，無法滿足客貨運(yùn)輸?shù)男枨?，影響運(yùn)輸質(zhì)量的提高。2004年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的我國(guó)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，提出實(shí)施客貨分線。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)已實(shí)行客貨分線的膠濟(jì)線，對(duì)其橋梁狀況及列車運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行調(diào)研，制定了分線前后的疲勞列車。根據(jù)Miner線性累積損傷原理，分別采用ECCS(歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì))規(guī)范和國(guó)內(nèi)疲勞試驗(yàn)制定的疲勞曲線，對(duì)線上圖號(hào)為叁標(biāo)橋1023、1024和專橋1013的普通鋼筋混凝土梁，進(jìn)行疲勞損傷分析及壽命評(píng)估。

1 線路運(yùn)輸狀況調(diào)研

膠濟(jì)線1988—2007的年運(yùn)量曲線見圖1。從圖中可以看出，貨運(yùn)年運(yùn)量整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，尤其從2005年以后，年運(yùn)量顯著增加。依據(jù)圖中趨勢(shì)線推算，2009年年運(yùn)量可達(dá)5 754萬t、2014年達(dá)6 439萬t、2019年達(dá)7 124萬t、2024年達(dá)7 810萬t［1］。

2 分線前后典型疲勞列車的制定

2.1 分線前典型疲勞列車的制定

依據(jù)2003年的調(diào)研資料，制定該線疲勞列車時(shí)，疲勞車輛模式仍沿用《疲勞荷載研究——全國(guó)疲勞車輛與疲勞列車制定》報(bào)告中的6C，6P，5G，6N，貨運(yùn)機(jī)車和客運(yùn)機(jī)車為DF4型，客車軸重為15.4 t，見表1。

圖1 膠濟(jì)線年運(yùn)量趨勢(shì)

2.2 分線后典型疲勞列車的制定

依據(jù)2009年的調(diào)研資料，分線后23 t軸重的C70型敞車已投入運(yùn)營(yíng)。各種車型的載重量、節(jié)數(shù)較分線前有所增加。疲勞車輛模式在沿用6C，6P，5G，6N基礎(chǔ)上增加7C，7P，貨運(yùn)機(jī)車仍為DF4型。分線后疲勞列車組成及運(yùn)營(yíng)情況見表2。

2.3 遠(yuǎn)期疲勞列車的預(yù)測(cè)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，軸重23 t的C70型敞車和軸重25 t的P70型棚車取代原有敞車和棚車是我國(guó)鐵路發(fā)展的必然趨勢(shì)。故制定遠(yuǎn)期的疲勞列車組成時(shí)，假定從2014年開始，每5年C70和P70取代原有車輛的25%，直至2024年該線上所有6C，6P都被7C，7P所取代。然后依據(jù)圖1中年運(yùn)量趨勢(shì)線，對(duì)日運(yùn)營(yíng)次數(shù)進(jìn)行修正。遠(yuǎn)期疲勞列車組成預(yù)測(cè)見表3至表5。

表1 分線前疲勞列車組成及運(yùn)營(yíng)表(2003年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))

表2 分線后疲勞列車組成及運(yùn)營(yíng)表(2009年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))

表3 分線后年運(yùn)量6 434萬t疲勞列車組成及運(yùn)營(yíng)表(2014年—2018年)

表4 分線后年運(yùn)量7 124萬t疲勞列車組成及運(yùn)營(yíng)表(2019年—2023年)

表5 分線后疲勞列車組成及運(yùn)營(yíng)表(2024年—)

3 橋梁疲勞損傷分析及壽命評(píng)估

以往的研究表明，混凝土橋梁跨中上翼緣混凝土的疲勞損傷遠(yuǎn)小于梁跨中下排主筋的疲勞損傷，可以認(rèn)為混凝土橋梁的疲勞壽命由下排主筋控制。鋼筋混凝土橋梁鋼筋應(yīng)力水平和混凝土應(yīng)力幅均比預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁大，疲勞問題比預(yù)應(yīng)力橋梁突出［2-3］。本文主要針對(duì)普通混凝土梁的最下排鋼筋進(jìn)行疲勞損傷度分析和壽命評(píng)估。

3.1 理論基礎(chǔ)

結(jié)構(gòu)的疲勞抗力性能是以疲勞抗力曲線的形式表現(xiàn)的。對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或試件進(jìn)行大量的常幅疲勞試驗(yàn)，將疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，可得到不同保證率的疲勞抗力曲線，即S—N曲線，用表達(dá)式表示如下［4］

式中，ΔσR為應(yīng)力幅;N為應(yīng)力幅循環(huán)次數(shù);C和m為常數(shù)。

假定在應(yīng)力幅水平為Δσi時(shí)，經(jīng)過Ni次循環(huán)發(fā)生疲勞破壞，則由(1)式可得

式中A為常數(shù)。

橋梁在實(shí)際列車作用下得到的應(yīng)力譜是變幅的，而S—N曲線是在等幅應(yīng)力下得到的，應(yīng)用Miner線性累積損傷法則進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算

式中，ni為應(yīng)力幅Δσi作用下的循環(huán)次數(shù);Ni為應(yīng)力幅Δσi作用下常幅疲勞試驗(yàn)得出的疲勞失效循環(huán)次數(shù);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。

3.2 鋼筋疲勞抗力曲線

目前我國(guó)鐵路混凝土橋梁使用的鋼筋主要有如下兩種:16Mn鋼筋和20MnSi鋼筋。4～10 m跨度的鋼筋沒有對(duì)接焊接頭，所以鋼筋的疲勞抗力曲線應(yīng)選用鋼筋母材的S—N曲線;12～20 m跨度的鋼筋混凝土橋梁一般采用對(duì)接焊鋼筋。

3.2.1 ECCS規(guī)范［5］

歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)(ECCS)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)力幅均可略去不計(jì)，應(yīng)力幅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)S—N曲線的斜率m=3。

1)鋼筋母材

2)鋼筋對(duì)接焊

3.2.2 鐵科院試驗(yàn)

1)鋼筋母材鐵科院于1996年和1999年進(jìn)行了鋼筋的疲勞試驗(yàn)，將兩次試驗(yàn)結(jié)果的19個(gè)樣本進(jìn)行回歸分析，得到了鋼筋的疲勞抗力曲線［6］

相關(guān)系數(shù)為－0.793，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.525。

2)鋼筋對(duì)接焊對(duì)鐵科院做的16Mn和20MnSi對(duì)接焊鋼筋的疲勞試驗(yàn)共141個(gè)樣本進(jìn)行分析，得到了鋼筋對(duì)接焊的疲勞抗力曲線［6］

相關(guān)系數(shù)為－0.718，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.334。

3.3 損傷度分析及壽命評(píng)估

根據(jù)本文2中制定的疲勞列車的編組，采用大型結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件STAAD/PRO計(jì)算得到典型疲勞列車通過橋梁一次產(chǎn)生的彎矩歷程，然后由雨流法和日運(yùn)營(yíng)次數(shù)得到一年的彎矩譜，計(jì)算得到最下排鋼筋的應(yīng)力譜，在由彎矩計(jì)算得到應(yīng)力時(shí)，考慮了動(dòng)力系數(shù)、構(gòu)造系數(shù)和偏載系數(shù)(曲線梁)的影響，最后根據(jù)鋼筋的疲勞抗力曲線，即可得到鋼筋一年的損傷度。

3.3.1 分線前累積損傷分析及壽命評(píng)估

根據(jù)上述計(jì)算方法，對(duì)分線前普通混凝土梁已經(jīng)發(fā)生的累積損傷度及假設(shè)不分線橋梁的疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表6。

3.3.2 分線后的累積損傷分析及壽命評(píng)估

根據(jù)已經(jīng)發(fā)生的累積損傷度，鋼筋的剩余疲勞壽命可按式(8)進(jìn)行計(jì)算。分線后混凝土梁內(nèi)鋼筋100年所產(chǎn)生的累積損傷度和疲勞壽命見表7。

式中，Y為鋼筋的剩余疲勞壽命;Dy為已經(jīng)產(chǎn)生的累積損傷度;Di為分線后一年的累積損傷度。

表7 分線后普通鋼筋混凝土梁內(nèi)鋼筋100年累積損傷度及疲勞壽命折減情況

4 結(jié)論

經(jīng)過上述分析，可得出如下結(jié)論。

1)膠濟(jì)線客貨分線后普通混凝土橋梁的100年疲勞累積損傷度均小于0.4，疲勞壽命均大于100年。

2)膠濟(jì)線上跨度為6～20 m的普通混凝土梁中，10 m梁的壽命折減最大，約48%～61%。另外，按照ECCS規(guī)范計(jì)算的圖號(hào)為專橋1013的3.4 m梁壽命折減達(dá)90%，對(duì)于小跨度橋梁的疲勞應(yīng)予以足夠的重視。

3)膠濟(jì)線上圖號(hào)為叁標(biāo)橋1023、1024，跨度為6～20 m的普通混凝土梁中，分線后12 m梁由于其鋼筋為對(duì)接焊，壽命最短，約233～385年。圖號(hào)為專橋1013，跨度為3.4～16.0 m的梁中，3.4 m梁的壽命最短，為134～306年。在同等計(jì)算條件下，跨度越小，損傷越大，疲勞壽命也越短。

4)膠濟(jì)線上16～20 m跨度的普通混凝土梁，疲勞壽命折減很小，約2%～8%，甚至略有延長(zhǎng)。這是由于分線后列車的日運(yùn)營(yíng)次數(shù)有所減少(見表3至表6)，另外分線后雖然較大軸重車輛所占比例有所增加，但是對(duì)于較大跨度橋梁產(chǎn)生的荷載頻譜(尤其是較大值)相差不大。

5)需要說明的是，本文的計(jì)算是在假設(shè)梁體及鋼筋沒有外界破壞的情況下進(jìn)行的，若鋼筋已發(fā)生銹蝕，則疲勞壽命會(huì)急劇縮短，且破壞前沒有預(yù)兆。所以如果梁體或鋼筋已經(jīng)發(fā)生破損，需另行計(jì)算。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部統(tǒng)計(jì)中心.全國(guó)鐵路統(tǒng)計(jì)資料匯編(1988—2008)［Z］.北京:中華人民共和國(guó)鐵道部，2009.

［2］孫國(guó)安，李之榕.重載列車(25 t軸重)作用下既有線混凝土橋梁的疲勞壽命評(píng)估［J］.鐵道建筑，1997(10):2-7.

［3］黃華，劉鳴.混凝土構(gòu)件疲勞設(shè)計(jì)規(guī)定及相關(guān)問題探討［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(建筑與環(huán)境科學(xué)版)，2004，21(3):19-28.

［4］張玉玲.25噸軸重對(duì)橋梁影響的研究［D］.北京:中國(guó)鐵道科學(xué)院研究院(TY字第1113號(hào))，1997.

［5］陳夏新，李之榕.25噸軸重作用下既有中—活載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.

［6］曾志斌.普通混凝土梁用鋼筋的疲勞S—N曲線研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，1999，32(5):10-14.

U441+.4

A

1003-1995(2011)02-0001-06

2010-09-15;

2010-11-08

王麗(1981—)，女，山西寧武人，助理研究員，工學(xué)碩士。

(責(zé)任審編 趙其文)