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
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1、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
2、 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
3、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
4、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
5、 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、 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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、 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
13、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
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