重载铁路钢桁梁桥疲劳寿命预测方法及应用研究

2022-09-05王亚伟王丽

铁道建筑 2022年8期

王亚伟王丽

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；

2.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081

随着社会经济的发展和交通运输需求的日益增长，既有重载铁路线上运营列车的轴重和运量不断提高，使得既有重载线路的钢桥出现了疲劳问题。王丽［1］分析了新型构造细节对于重载运输的适应性，并对疲劳强度不满足重载运输条件的构造提出了相应的改进措施。朱志辉等［2］基于车桥耦合振动理论，研究了重载铁路简支钢桁梁桥局部疲劳可靠度问题，发现桥梁局部疲劳损伤主要由列车轴重引起，且随轴重的增加而增大；疲劳损伤与列车速度相关性不强。李慧乐等［3］通过建立车桥动力系统模型对列车过桥耦合振动进行分析，发现轨道不平顺会显著加剧桥梁的疲劳损伤程度。虽然已有学者对重载铁路钢桥的疲劳问题进行了研究［4］，但基于实际运营列车的轴重和运量的重载铁路钢桥疲劳寿命预测评估研究较少。

本文以朔黄铁路一座主跨64 m跨度的单线下承式钢桁梁桥为研究对象，基于运营列车的编组和重量对桥上不同类型杆件的疲劳寿命进行评估，掌握不同类型杆件的疲劳损伤情况，为既有重载线路上钢桥的疲劳评估和安全运营提供参考依据。

1 工程概况

朔黄铁路肃宁—黄骅港段内的243A跨南运河特大桥为64 m单线钢桁梁，于2004年9月开通运营。该桥为64 m栓焊下承式钢桁梁，共8个节间。每个节间长8 m，桁高11 m。在长期大轴重、大运量的运营条件下，该桥于2013年开始陆续产生病害，包括：支座位置连接角钢和隔梁出现裂纹，纵梁竖向加劲肋端部出现裂纹，见图1（a）、图1（b）；2020年10月，在纵梁上联结系节点板位置发现两处裂纹，见图1（c）、图1（d）。

图1 243A桥单线钢桁梁裂纹位置

2 列车荷载及运营状况

2.1 列车荷载

朔黄铁路自开通以来，运营列车包括C64K、C70以及C80货车，牵引机车主要为神华八轴机车。列车编组形式如表1所示。

表1 朔黄铁路列车编组形式

2.2 运营次数及年代

中国铁道科学研究院集团有限公司分别于2012年10月、2021年3月对朔黄铁路243A桥进行了静动载试验。根据动载试验记录可知，2012年10月平均一昼夜有96列过路车，其中C64K为53列、C70为18列、C80为25列；2021年3月平均一昼夜有95列过路车，C64K为18列（0.5万t有15列、1万t有3列），C70为32列（0.5万t有18列、1万t有14列），C80为45列（0.5万t有23列、1万t有22列）。朔黄铁路于2009年开始运营万吨列车，因此按照2012年万吨列车占比为2021年万吨列车占比的一半略少进行推算，得到2012年万吨列车的数量为16 788，2021年万吨列车的数量为20 619，见表2。

表2 朔黄铁路实测一昼夜运营列车数量

2.3 年运量

朔黄铁路2000—2020年的年运量见表3。其中2005、2012、2013年数据缺失，2021年数据还未统计。因此，对2000—2020年的年运量数据进行线性拟合，拟合公式为

表3 朔黄铁路2000—2020年的年运量

式中：y为年运量；x为运营年代（2000年为第一年）。

拟合公式的方差为0.988，推算得到2005、2012、2013、2021年的年运量分别为8 565、20 110、21 759、34 953万t。

3 疲劳寿命评估

3.1 评估杆件与构造细节

根据空间计算和实测数据，选择疲劳应力幅较大的下弦杆E3E4、斜杆A1E2、端吊杆A1E1，以及端纵梁和次横梁进行疲劳寿命评估，见图2。

图2 疲劳评估杆件（单位：m）

主桁杆件中的构造细节主要包括腹板与翼缘纵向角焊缝、腹板空孔、高强度螺栓连接构造。根据TB 10002.2—2017《铁路桥梁钢结构设计规范》［5］可知，空孔构造疲劳强度高于纵向角焊缝构造和高强度螺栓连接构造，因此主要针对高强螺栓连接构造和纵向角焊缝构造进行疲劳寿命评估。纵梁有三种关键构造，包括纵向角焊缝构造、跨中下翼缘与横联的高强度螺栓连接构造，跨中加劲肋与腹板焊接端部构造。横梁有两种构造，包括纵横梁连接处横梁下翼缘的高强度螺栓连接构造和纵向角焊缝构造。另外，根据2021年3月的桥梁测试结果可知，第四节间纵梁跨中上联结系节点板的应力幅较大，因此对该位置也进行疲劳寿命评估，构造细节为母材［参见图1（c）］。

3.2 计算参数

3.2.1 应力幅系数修正

1）次应力系数。理想的桁架杆件只承受轴力的作用。由于节点板的存在，实际桁架在节点处并非平面假定计算中的铰接，而是刚性连接。因此，杆件发生弯曲会产生附加内力，附加内力所产生的应力称为次应力，次应力在杆端最大。杆端应力与杆中应力的比值称为次应力系数。铁运函〔2004〕120号《铁路桥梁检定规范》［6］中规定，对于桁架梁杆件的次应力系数，下弦杆和斜杆可取1.2；吊杆应按横向框架分析确定，根据TB 10002.2—2017中“横梁面内闭合框架在横梁受竖向荷载时的节点弯矩”计算。

2）实测应力修正系数。本次评估拟采用有限元模型对运营列车的应力历程进行计算，通过有限元模型计算得到的杆件应力历程为静应力历程，未考虑动力系数的影响。由于有限元模型与实际桥梁无法完全一致，存在一定的差异。因此采用与动载试验列车（1×DF4+10×C80空+6×C80重+1×DF4）相同轴重、相同编组的列车进行计算，将计算得到的应力历程数据与5、85 km/h下的实测数据进行比较，得到实测应力修正系数，见表4。实测应力修正系数中考虑了动力系数以及理论模型与实桥差异的影响。可知，吊杆的实测应力修正系数最大值为1.50，斜杆、次横梁和纵梁的实测应力修正系数较小。

表4 应力幅理论值和实测值对比

3）线路偏心、超载和装载偏心引起的应力增大系数。根据铁运函〔2004〕120号规定，线路偏心、超载和装载偏心引起的应力增大系数可取1.05。

3.2.2 疲劳S-N曲线

本桥主要考察关键疲劳构造细节有高强度螺栓连接构造、加劲肋与腹板焊缝和纵向角焊缝构造。TB 10002.2—2017中高强度螺栓毛截面的S-N曲线为

加劲肋与腹板连接焊缝端部的S-N曲线为

纵向角焊缝的S-N曲线为

母材的S-N曲线为

式中：N为循环次数；σ为应力幅；σ0（2×106）为循环次数2×106的疲劳容许应力幅。

欧洲规范［7］规定，对于一般构造细节，5×106次循环的疲劳强度ΔσD为等幅疲劳极限。等幅疲劳极限是用于评判疲劳应力幅的一个指标，当应力循环为等幅循环时，只要应力幅小于该值便不会导致疲劳损伤。对于应力幅小于等幅疲劳极限的情况，参照欧洲规范评估。

3.2.3 年运量系数修正

由于年运量每年都不同，在运营车型、轴重、编组等保持不变的情况下，年运量影响的是应力循环次数，对应力幅值没有影响。不同年运量下的损伤度可根据年运量修正系数进行修正。在已知某年年运量r的损伤度为Dr的情况下，当年运量为s时损伤度Ds为

式中，s/r为年运量修正系数。

将本次寿命评估分为三个阶段，第一个阶段为2004—2012年，第二个阶段为2013—2021年，第三个阶段为2022年及以后。第一个阶段采用2012年的损伤度作为基准，然后考虑其他年份年运量与2012年的差异，对损伤度进行修正，得到当年的损伤度，进而得到2004—2012年的总损伤度。第二个阶段采用2021年的损伤度作为基准，然后考虑其他年份年运量与2021年的差异，对损伤度进行修正，得到当年的损伤度，进而得到2013—2021年的总损伤度。第三个阶段自2022年算起，假定年运量自2021年起保持不变，当累积损伤度达到1时，认为寿命终止。

此外，本次评估按实测一昼夜不同类型列车运营次数进行损伤度计算，由于一年中每日的运营列车有所差异，因此按一昼夜的损伤度推算至一年时还应考虑年运量的差异，并对损伤度进行修正。

3.3 不同杆件疲劳寿命评估

本次疲劳寿命评估的流程如下：

1）采用有限元软件建立全桥有限元模型，将前述不同类型列车荷载按每米一步通过桥梁，得到评估杆件的应力历程；纵梁跨中上联结系节点板采用实测应力历程。

2）采用雨流计数法对应力历程进行分析，得到不同杆件在不同类型列车作用下通过一次时的应力频谱。

3）依据2012年和2021年动载试验的统计数据，得到一昼夜不同类型列车的运营次数，进而得到不同杆件一天的应力频谱。

4）采用应力幅修正系数对应力幅进行修正，结合构造细节的S-N曲线，得到构造细节在不同应力幅下的破坏次数，计算一天的损伤度。考虑年运量修正系数，得到2012年和2021年的损伤度D。

5）考虑年运量修正系数，分别计算三个阶段的损伤度和理论剩余疲劳寿命。

选择钢桁梁桥疲劳应力幅较大的杆件，包括下弦杆E3E4、端吊杆A1E1、端纵梁和第四节间纵梁跨中上联结系节点板，采用有限元软件计算得到评估杆件的应力历程。1万t C80列车作用下杆件应力历程见图3。4个杆件影响线长度分别为64、16、8、8 m。

图3 列车过桥一次构件中产生的应力历程

由图3可知，不同长度影响线杆件在列车作用下的受力不同。对于全桥影响线杆件来说，列车过一次桥即产生一次大的应力循环，而对于影响线较短的局部杆件来说，列车过一次桥会产生多次应力循环。因此，影响线较短的局部杆件可能会存在较高的疲劳累积损伤和疲劳问题。

采用基于S-N曲线的疲劳寿命评估方法，对朔黄铁路243A桥64 m单线钢桁梁的主要杆件剩余疲劳寿命进行评估，见表5。可知：按照目前的运营方式，自2022年起，下弦杆、斜杆和次横梁的理论剩余疲劳寿命均在50年以上；吊杆高强度螺栓连接构造的理论剩余疲劳寿命为35年；纵梁跨中下翼缘高强度螺栓连接构造的理论剩余疲劳寿命已截止，其他构造的理论剩余寿命均不足10年。疲劳寿命最短的杆件为纵梁，截至2021年端纵梁跨中下翼缘高强度螺栓连接构造的损伤度已经达到了1；自2022年起，纵梁腹板竖向加劲肋端部构造的理论剩余疲劳寿命不足1年，纵梁跨中上联结系节点板的理论剩余疲劳寿命为8年，纵梁跨中上联结系节点板的应力循环特征与纵梁相同，虽然为母材，但其理论剩余疲劳寿命仍然较短。