铁路钢桥疲劳研究进展.pdf

铁道建筑2015年第10期Railway Engineering文章编号:1003-1995(2015)10-0019-07铁路钢桥疲劳硏究进展刘晓光2(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京100081)摘要:近年来,我国铁路的运输格局发生了较大变化:一方面,建成了大量的高速铁路,铁路钢桥跨度不断增大,同时出现了大量新型构造细节;另一方面,既有铁路将逐步以货运为主,钢桥面临着轴重增加和运量增大的挑战。此外,我国将新建轴重30t级专用重載铁路,在轴重显著增加的情况下,钢桥构造细节的疲劳问题也更为严峻。疲劳一直是钢桥研究领域中一项重要的课题,在新的运输形势下,新型构造细节的疲劳设计以及既有钢桥的疲劳评估,均成为目前铁路钢桥研究中需要更加重视的课题之一。本文从铗路钢桥疲劳设计方法、设计荷载、性能试验和寿命评估等角度出发,对铁路钢桥疲劳研究现状进行了分析,提出了需要进一步研究的关键技术问题关键词:铁路钢桥疲劳设计荷载疲劳性能疲劳寿命评佔中图分类号:U441:.4文献标识码:ADOI:10.3969/j.1isa.1003-1995.2015.10.04纵观世界钢桥的发展历史,从1779年英国的第一近年来高速铁路不断建成,既有铁路逐步以货运为主,座铁桥到1874年的第一座钢桥,再到1880年的第一列车轴重将由23t逐渐增加至27t,相应运营次数、年座铁路钢桥,钢(铁)桥已经有200多年的历史。运量都会增加,有些钢桥已经出现了一些因疲劳问题疸着钢材制造加工技术的不断进步,钢材的强度引发的裂纹。轴重增加至27t后,因运营荷载效应不断提高,性能不断优化,我国钢桥所用钢材也经历了与设计荷载接近,将导致桥梁结构应对病害的安全储由Q235q到Q345q,Q370q再到Q420q的过程。近年备降低,大运量的长期运营也会加剧结构状态劣化,既来出现了高强钢、耐候钢、Z向钢等类型的钢材,使钢有钢桥的疲劳性能是否能满足安全性要求,需要予以桥的建造技术有了进一步的提升,也为钢桥跨度的增重视。另外,随着经济的发展,对能源的需求日益增加提供了便利。在钢桥的连接方面,经历了销钉连接、长,我国将新建轴重30t级的专用重载铁路,钢桥原有铆接、栓(高强螺栓)焊混合和全焊的发展过程,现代的构造是否具备足够的疲劳强度也值得探讨。钢桥工厂制造全部采用焊接,工地拼装多采用焊接为综上,在铁路钢桥的疲劳硏究中,既需要针对新建主栓接为辅的连接方式2。在钢桥的结构形式方面,钢桥中不断出现的新型构造细节的疲劳性能进行研对于中小跨度桥梁,以板梁桥、桁梁桥为主,当跨度增究,又需要针对既有钢桥的疲劳寿命进行研究。本文加时,斜拉桥和悬索桥以其优越的跨越能力,替代了桁试图从铁路钢桥疲劳设计方法、设计荷载、性能试验和梁桥。随着桥上搭载线路的增加,钢桥主桁结构由双寿命评估等角度出发,对铁路钢桥疲劳硏究现状进行主桁演变为三主桁,桥面系由纵横梁明桥面变为板桁分析,提出需要进一步研究的关键技术问题。组合、箱桁组合结构。与此同时,铁路钢桥也由传统的拼装节点过渡为整体节点,进而发展至整桁片甚至整疲劳设计方法及规范的制定节段焊接。这些变化带来了大量材料、结构和工艺等1.1疲劳设计方法方面的创新和突破,主要体现在新建高速铁路大跨度疲劳设计方法主要包括无限寿命设计、安全寿命桥梁中。设计、损伤容限设计、疲劳可靠性设计和通过疲劳试验我国既有铁路钢桥部分建于解放前,当时的设计、设计等“?。目前,各国桥梁规范主要采用无限寿命材料和施工等方面的技术水平有一定的局限性,加之设计和安全寿命设计方法进行疲劳设计。损伤容限设计是断裂力学理论在工程设计中成功应用的一种设计收稿日期:2015-08-31;修回日期:2015-09-10方法,各国航空设计、压力容器和焊接结构的设计已开基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2013G010-A)始使用这种方法。随着可靠性理论的不断发展完善作者简介:刘晓光(1961-),男,研究员,博士。疲劳可靠性设计法也逐渐应用于钢桥的疲劳设计中。铁道建筑October 20151)无限寿命设计法计允许构件产生裂纹并扩展,但要确保在检査周期内无限寿命设计的目标是检算部位在长期反复荷载裂纹不致扩展到引起结构破坏的地步,与安全寿命设作用下,不产生疲劳裂纹或即使已经产生疲劳裂纹,但计法的思想一致,区别在于采用的计算方法不同,安全不会继续扩展,判断条件是最大应力幅G。小于疲寿命设计法是基于S-N曲线,损伤容限设计法是基于劳极限ore断裂力学。在工程应用中,一般根据工程结构的使用期限,确4)疲劳可靠性设计法定合适的循环次数N,规定构件承受W次应力循环前述三种疲劳设计方法都是基于应力、疲劳强度而不破坏的最大应力为“条件疲劳极限”或“条件持久或者裂纹长度、裂纹扩展模型等,相关参数都是确定极限”。欧洲规范 Eurocode3和我国的铁路桥梁检的。然而,实际上这些参数都属于不确定的数值,而是定规范(2004)刚规定,510次循环的疲劳强度按照一定概率分布的函数。疲劳可靠性设计时,不但o。为等幅疲劳极限,采用o。作为疲劳应力幅评判需要知道各参数的平均值,还要知道相应的概率分布标准,即最大应力幅m。o。时,便不会导致疲类型。通过分布类型获得分布曲线,就可以得到强度劳。我国铁路桥梁钢结构设计规范(TB10002.,2超过应力的概率,即构件的可靠度。应用概率统计理2005)和美国 AREMA(2010)?则规定了2x10次论,就可以在给定的可靠指标下进行结构疲劳可靠性循环的疲劳强度为评判标准设计。可以看出,各国对于疲劳强度评判标准,并不统5)依据试验设计一,美国和我国将210次循环的疲劳强度作为评判对于新型构造细节,规范对其S-N曲线没有规标准,是基于当时的运输状态,认为桥梁寿命期内的最定,事先应开展疲劳试验,根据疲劳试验结果进行设大应力循环次数不会超过210次。事实上,按照目计。疲劳试验的试件可以采用足尺节段模型,或者选前我国的运营状态,已不止2x10次,尤其是影响线择局部关键构造细节进行设计。为了能够准确再现实较短的桥面系杆件,在整个寿命期内,运营次数已远远际结构的疲劳破坏,材料、细节尺寸和制造方法应与实超过2x10次。鉴于此,我国提出了损伤修正系数,桥相符。即在考虑实际车辆基础上,将疲劳应力幅换算至2x101.2疲劳设计规范的制定次,仍以210次疲劳强度作为检算标准。1931年,德国设计规范制定了钢桥焊缝的疲劳检2)安全寿命设计法算方法。1936年,美国出版发行了公路和铁路焊接安全寿命设计的目标是结构在指定使用期内不发桥梁规范,1947年在大量钢桥焊接构造疲劳试验数生疲劳破坏,检算应力幅可以超过疲劳极限。安全寿据的支撑下,制定了公路铁路焊接桥粱技术规范命设计方法也是根据构造细节的S-N曲线进行设计,之后,西德、前苏联、美国等国都对焊接钢桥开展了疲与无限寿命设计法不同,安全寿命设计方法使用的是劳研究,并制定了相关设计规范。1970年以后,美国S-N曲线的左支,即考虑循