王麗，張玉玲，崔鑫，榮振環(huán)

(中國鐵道科學(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估

王麗，張玉玲，崔鑫，榮振環(huán)

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著客運專線的建設(shè)和完善，實施客貨分線，即將客運流量全部轉(zhuǎn)移到客運專線上，既有線集中承擔(dān)貨物運輸已成為鐵路運輸?shù)陌l(fā)展趨勢。本文以膠濟線為研究對象，針對該線路客貨分線后橋梁的疲勞損傷及壽命進行評估。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，采用大型計算軟件STAAD/PRO計算得到了疲勞列車的跨中彎矩歷程，采用自編雨流統(tǒng)計程序得到彎矩譜，依據(jù)Miner線性累積損傷原理，進行橋梁的損傷分析及壽命評估，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

針對我國主要鐵路干線在客貨共線模式下，運能十分緊張，客運快速和貨運重載難以兼顧，無法滿足客貨運輸?shù)男枨?，影響運輸質(zhì)量的提高。2004年國務(wù)院批準(zhǔn)的我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，提出實施客貨分線。本文針對國內(nèi)已實行客貨分線的膠濟線，對其橋梁狀況及列車運營情況進行調(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)規(guī)范和國內(nèi)疲勞試驗制定的疲勞曲線，對線上圖號為叁標(biāo)橋1023、1024和專橋1013的普通鋼筋混凝土梁，進行疲勞損傷分析及壽命評估。

1 線路運輸狀況調(diào)研

膠濟線1988—2007的年運量曲線見圖1。從圖中可以看出，貨運年運量整體呈增長趨勢，尤其從2005年以后，年運量顯著增加。依據(jù)圖中趨勢線推算，2009年年運量可達5 754萬t、2014年達6 439萬t、2019年達7 124萬t、2024年達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，疲勞車輛模式仍沿用《疲勞荷載研究——全國疲勞車輛與疲勞列車制定》報告中的6C，6P，5G，6N，貨運機車和客運機車為DF4型，客車軸重為15.4 t，見表1。

圖1 膠濟線年運量趨勢

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型敞車已投入運營。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，貨運機車仍為DF4型。分線后疲勞列車組成及運營情況見表2。

2.3 遠期疲勞列車的預(yù)測

隨著經(jīng)濟的發(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鐵路發(fā)展的必然趨勢。故制定遠期的疲勞列車組成時，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中年運量趨勢線，對日運營次數(shù)進行修正。遠期疲勞列車組成預(yù)測見表3至表5。

表1 分線前疲勞列車組成及運營表(2003年統(tǒng)計數(shù)據(jù))

表2 分線后疲勞列車組成及運營表(2009年統(tǒng)計數(shù)據(jù))

表3 分線后年運量6 434萬t疲勞列車組成及運營表(2014年—2018年)

表4 分線后年運量7 124萬t疲勞列車組成及運營表(2019年—2023年)

表5 分線后疲勞列車組成及運營表(2024年—)

3 橋梁疲勞損傷分析及壽命評估

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小于梁跨中下排主筋的疲勞損傷，可以認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］。本文主要針對普通混凝土梁的最下排鋼筋進行疲勞損傷度分析和壽命評估。

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。對結(jié)構(gòu)構(gòu)件或試件進行大量的常幅疲勞試驗，將疲勞試驗數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，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，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行疲勞損傷計算

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，發(fā)生疲勞破壞。

3.2 鋼筋疲勞抗力曲線

目前我國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接焊鋼筋。

3.2.1 ECCS規(guī)范［5］

歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(ECCS)指定5×106次循環(huán)的疲勞強度為恒幅疲勞極限，指定108次的疲勞強度為截止限，小于截止限的應(yīng)力幅均可略去不計，應(yīng)力幅大于截止限但小于恒幅疲勞極限時的S—N曲線斜率m= 5，大于恒幅疲勞極限時S—N曲線的斜率m=3。

1)鋼筋母材

2)鋼筋對接焊

3.2.2 鐵科院試驗

1)鋼筋母材鐵科院于1996年和1999年進行了鋼筋的疲勞試驗，將兩次試驗結(jié)果的19個樣本進行回歸分析，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)鋼筋對接焊對鐵科院做的16Mn和20MnSi對接焊鋼筋的疲勞試驗共141個樣本進行分析，得到了鋼筋對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)計算軟件STAAD/PRO計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營次數(shù)得到一年的彎矩譜，計算得到最下排鋼筋的應(yīng)力譜，在由彎矩計算得到應(yīng)力時，考慮了動力系數(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估

根據(jù)上述計算方法，對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行計算，結(jié)果見表6。

3.3.2 分線后的累積損傷分析及壽命評估

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)進行計算。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)范計算的圖號為專橋1013的3.4 m梁壽命折減達90%，對于小跨度橋梁的疲勞應(yīng)予以足夠的重視。

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

4)膠濟線上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。這是由于分線后列車的日運營次數(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，本文的計算是在假設(shè)梁體及鋼筋沒有外界破壞的情況下進行的，若鋼筋已發(fā)生銹蝕，則疲勞壽命會急劇縮短，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，需另行計算。

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

［2］孫國安，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)計規(guī)定及相關(guān)問題探討［J］.長安大學(xué)學(xué)報(建筑與環(huán)境科學(xué)版)，2004，21(3):19-28.

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