盧朝輝，馬義飛，余志武，宋力

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

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既有鐵路橋梁開(kāi)行大軸重重載列車適應(yīng)性研究

盧朝輝1,2，馬義飛1,2，余志武1,2，宋力1,2

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

既有鐵路開(kāi)行大軸重重載列車是我國(guó)貨運(yùn)鐵路的重要發(fā)展方向。但是，既有鐵路開(kāi)行大軸重重載列車，將加劇既有鐵路橋梁的疲勞損傷并縮短其使用壽命，因此，開(kāi)展既有鐵路橋梁對(duì)大軸重重載列車的適應(yīng)性研究具有重要意義。首先基于“模擬疲勞荷載法”通過(guò)Matlab軟件編程計(jì)算了21,23,25,27,30和33t軸重列車作用下，既有鐵路6～56m跨徑橋梁的荷載譜。然后，基于各跨徑橋梁的荷載譜，就大軸重重載列車運(yùn)行條件下，既有鐵路橋梁的靜力適應(yīng)性和疲勞適應(yīng)性進(jìn)行分析。最后，以既有鐵路8m低高度鋼筋混凝土板梁橋?yàn)槔?，采用?guó)內(nèi)外具有代表性的鋼筋疲勞S-N曲線對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上，提出了適用于我國(guó)既有鐵路橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)的建議公式。研究成果可為我國(guó)既有鐵路開(kāi)行大軸重重載列車提供技術(shù)支撐。

大軸重列車；既有鐵路橋梁；適應(yīng)性分析；靜力設(shè)備；疲勞壽命

重載鐵路因具有送輸能力大，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著等特點(diǎn)在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展[1-2]。我國(guó)重載鐵路發(fā)展起步較晚，目前，我國(guó)重載列車軸重主要集中在21～25t，然而與世界重載運(yùn)輸發(fā)達(dá)國(guó)家相比我國(guó)重載列車軸重相對(duì)較低(見(jiàn)表1)，為了適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求和縮小與重載運(yùn)輸發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，既有鐵路開(kāi)行27,30和33t等大軸重重載列車成為我國(guó)重載鐵路發(fā)展的必然趨勢(shì)。既有鐵路開(kāi)行大軸重重載列車后，將使既有鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)和荷載作用頻次大幅增加，嚴(yán)重威脅橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用和鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩\(yùn)營(yíng)[3～5]。因此，開(kāi)展大軸重重載列車作用下既有鐵路橋梁的適應(yīng)性研究具有重要意義。

表1　國(guó)內(nèi)外重載運(yùn)輸現(xiàn)狀

有關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)重載列車適應(yīng)性的研究已有很多。崔鑫等[6]針對(duì)大秦線25t軸重列車運(yùn)營(yíng)狀況，對(duì)大秦線8m鋼筋混凝土橋梁的疲勞損傷和使用壽命進(jìn)行了分析；孔德艷以朔黃鐵路為工程背景，從靜力學(xué)的角度分析了朔黃鐵路跨度24和32m簡(jiǎn)支T梁在列車軸重為25，28，30和33t情況下的剛度、強(qiáng)度、抗裂性以及橋面板局部承壓等性能；余志武等[8]就重載列車作用下普通鐵路上32m跨徑橋梁的疲勞性能進(jìn)行了研究；李進(jìn)洲等[9]通過(guò)6片1/6縮尺模型梁疲勞試驗(yàn)，研究了重載鐵路橋梁疲勞變形和裂縫擴(kuò)展規(guī)律；戴公連等[10]通過(guò)對(duì)幾種活載模式作用下24m跨徑簡(jiǎn)支梁的受力特性分析，提出了適用于30t軸重重載列車的24m簡(jiǎn)支T梁和箱梁的結(jié)構(gòu)形式。

大軸重重載列車運(yùn)行條件下，既有鐵路橋梁結(jié)構(gòu)將面臨靜力承載力和疲勞損傷雙重挑戰(zhàn)。然而，目前針對(duì)這方面開(kāi)展的研究還不夠全面和深入。本文根據(jù)我國(guó)21～33t軸重列車特點(diǎn)，從靜力儲(chǔ)備、疲勞損傷及疲勞壽命預(yù)測(cè)3個(gè)方面就我國(guó)既有鐵路開(kāi)行大軸重重載列車后，既有鐵路橋梁的適應(yīng)性問(wèn)題進(jìn)行了研究。

1　 大軸重重載列車作用下既有鐵路橋梁結(jié)構(gòu)荷載譜理論計(jì)算

既有鐵路大軸重重載列車的逐步開(kāi)行，使得既有鐵路橋梁在高應(yīng)力和高頻率荷載作用下更易于發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞一般為脆性破壞，破壞前沒(méi)有明顯征兆，因此為了保證鐵路運(yùn)輸安全，了解既有鐵路橋梁在大軸重重載列車作用下的受力特性及疲勞壽命顯得尤為重要。確定既有鐵路橋梁在列車荷載作用下的受力特性及疲勞壽命，首先需要了解既有鐵路橋梁的荷載效應(yīng)隨時(shí)間的變化歷程，即荷載譜。獲得荷載譜的方法通常有“實(shí)測(cè)法”和“模擬疲勞荷載法”?！皩?shí)測(cè)法”是以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為主，以理論分析和調(diào)查統(tǒng)計(jì)為輔的方法，這種方法工作量大，得到的荷載效應(yīng)譜針對(duì)性強(qiáng)，通用性較差。“模擬疲勞荷載法”是以調(diào)查統(tǒng)計(jì)、理論分析為主，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為輔，根據(jù)既有鐵路橋梁上的列車荷載，采用適當(dāng)?shù)暮奢d模型來(lái)表達(dá)，該方法具有通用性強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工作量較小的特點(diǎn)。

車惠民等[11]研究表明基于“模擬疲勞荷載法”采用典型列車模型建立鐵路橋梁結(jié)構(gòu)效應(yīng)譜的方法既簡(jiǎn)單可靠又靈活實(shí)用，具有一定的參考意義，因此本文采用“模擬疲勞荷載法”，以我國(guó)鐵路目前及以后即將開(kāi)行的實(shí)際貨車軸式圖作為列車荷載理論模型，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算了不同軸重列車運(yùn)行條件下各跨徑橋梁的荷載效應(yīng)譜。具體計(jì)算步驟為：1) 通過(guò)調(diào)查確定目前及以后我國(guó)鐵路貨運(yùn)列車軸重主要為21，23，25，27，30和33t，并以各軸重貨車實(shí)際軸式圖(圖1)作為列車荷載理論模型(圖2)；2) 確定各軸重貨車設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，主要為各軸重貨車所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度、軸距及定距，如表2所示；3) 將由各軸重貨車單獨(dú)編組而成的一段列車作為移動(dòng)荷載通過(guò)各跨徑橋梁，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)影響線的方法計(jì)算出移動(dòng)列車荷載作用下各跨徑橋梁跨中截面荷載效應(yīng)隨移動(dòng)列車荷載作用的時(shí)間歷程曲線(未考慮牽引機(jī)車的作用)。以上計(jì)算結(jié)果的可靠性取決于移動(dòng)列車荷載計(jì)算步長(zhǎng)的選定，計(jì)算步長(zhǎng)越小計(jì)算結(jié)果越符合實(shí)際，計(jì)算數(shù)據(jù)的可靠性也越大。通過(guò)對(duì)計(jì)算過(guò)程的規(guī)律分析，本文采用Matlab軟件編程計(jì)算實(shí)現(xiàn)了以上計(jì)算過(guò)程，計(jì)算中移動(dòng)列車荷載的計(jì)算步長(zhǎng)設(shè)為1cm，即列車荷載每向前移動(dòng)1cm程序自動(dòng)計(jì)算一次橋梁結(jié)構(gòu)跨中截面的荷載效應(yīng)。因此，本文采用理論方法計(jì)算出的荷載譜能夠較準(zhǔn)確的反映列車荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際荷載效應(yīng)隨時(shí)間變化過(guò)程。

通?？梢杂脴蛄航Y(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)—列車運(yùn)行里程曲線來(lái)反映其荷載譜的變化規(guī)律，因此為了能夠說(shuō)明問(wèn)題和簡(jiǎn)便起見(jiàn)，不考慮牽引機(jī)車，以5節(jié)貨車編組情況為例，采用“模擬疲勞荷載法”計(jì)算出不同軸重列車作用下既有鐵路各跨徑橋梁的荷載效應(yīng)—列車運(yùn)行里程曲線如圖3所示(限于篇幅，只列車了部分曲線)。

圖1　我國(guó)鐵路實(shí)際貨車軸式圖Fig.1 Train axle diagram of freight railway in China

圖2　列車荷載理論模型圖Fig.2 Theoretical model of train load

貨車軸重(t)212325273033貨車長(zhǎng)度/m13.43813.72612.00013.97613.72614.645

從圖3可以看出：1) 同一編組列車運(yùn)行條件下，隨著橋梁跨徑的增大，列車對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的有效疲勞作用次數(shù)有所減小，但減小程度微??；2) 對(duì)于跨徑小于貨車第2、3軸軸距的橋梁，其荷載效應(yīng)—里程曲線在峰值處呈“駝峰”狀，“駝峰”的出現(xiàn)額外增加了小應(yīng)力幅值的循環(huán)荷載作用；3) 當(dāng)橋梁跨徑為貨車長(zhǎng)度的偶數(shù)倍時(shí)，橋梁的荷載效應(yīng)—列車運(yùn)行里程曲線為一條直線，即這種情況下，列車對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生疲勞荷載作用(編組為25t軸重的列車通過(guò)24m和48m跨徑橋梁的情況)。

2　既有鐵路橋梁對(duì)開(kāi)行大軸重重載列車靜力適應(yīng)性分析

以不同軸重列車運(yùn)行條件下，既有鐵路各跨徑橋梁荷載譜的峰值荷載作為列車引起橋梁結(jié)構(gòu)的最大荷載效應(yīng)，與采用“中—活載”計(jì)算的設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，可得到不同軸重列車運(yùn)行條件下，既有鐵路各跨徑橋梁的靜力儲(chǔ)備。

“中—活載”作用下各跨徑梁橋跨中截面最大彎矩的計(jì)算依據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)手冊(cè)》，按照式(1)進(jìn)行計(jì)算。

M=(1+μ)kw

(1)

式中：M為橋梁的跨中彎矩；1+μ為動(dòng)力沖擊系數(shù)，按1+μ= 1+12/(30+L)計(jì)算；L為簡(jiǎn)支橋梁的計(jì)算跨徑；k為“中—活載”的換算均布荷載，可通過(guò)查《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)得到。

不同軸重列車運(yùn)行條件下各跨徑橋梁的靜力儲(chǔ)備如圖4所示，其中，縱坐標(biāo)軸上“正、負(fù)”分別表示低于以及超出設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的百分比，“0”表示列車引起的荷載效應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)等效。

(a) 6 m跨徑橋梁；(b) 8 m跨徑橋梁；(c) 12 m跨徑橋梁(d) 16 m跨徑橋梁；(e) 24 m跨徑橋梁；(f) 32 m跨徑橋梁圖3　不同軸重列車作用下各跨徑橋梁荷載效應(yīng)—里程歷程曲線Fig.3 Load effect-mileage curves for railway bridges with different spans under different train axle loads

圖4　各跨徑橋梁靜力儲(chǔ)備圖Fig.4 Static reserves of railway bridges with different spans

圖4表明，不同跨徑橋梁對(duì)各軸重列車豎向承載力適應(yīng)性不同。其中，30和33t軸重列車對(duì)6～12m跨徑橋梁靜力承載力影響最為顯著，30和33t軸重列車分別作用下，6～12m跨徑橋梁靜力儲(chǔ)備分別為-1.87%～-2.36%和-11.12%～-11.62%，靜力儲(chǔ)備平均值較25t軸重列車降低了17.1%和26.1%。各軸重列車對(duì)20m及以上跨徑橋梁靜力性能影響一般，25～33t軸重列車作用下，20～40m跨徑橋梁的靜力儲(chǔ)備都大于0，其中，24m跨徑橋梁的靜力儲(chǔ)備分別為21.4%，25.4%，15.9%和10.3%，較其它跨徑橋梁高，說(shuō)明24m跨徑橋梁對(duì)大軸重重載列車豎向承載力適應(yīng)性較好。

結(jié)合圖4并考慮到既有鐵路20m跨徑以下橋梁大多采用雙線布置，因此，既有線開(kāi)行大軸重重載列車后，既有采用“中—活載”設(shè)計(jì)橋梁的靜力儲(chǔ)備在設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)以上并接近設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)，通過(guò)對(duì)既有鐵路橋梁的擴(kuò)能改造，既有鐵路6～56m跨徑簡(jiǎn)支橋梁在靜力承載力方面可以滿足大軸重重載列車運(yùn)行要求。

3　既有鐵路橋梁對(duì)開(kāi)行大軸重重載列車疲勞適應(yīng)性分析

既有鐵路開(kāi)行大軸重重載列車后，列車對(duì)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的荷載作用幅值和作用頻次將大幅提高。分別以25t軸重編組1萬(wàn)噸列車和30t軸重編組2萬(wàn)t列車通過(guò)既有鐵路8m低高度鋼筋混凝土板梁橋(標(biāo)準(zhǔn)圖號(hào)為叁標(biāo)橋1 024)的情況為例，通過(guò)計(jì)算，25t軸重編組1萬(wàn)t列車通過(guò)8m低高度鋼筋混凝土板梁橋一次產(chǎn)生的荷載幅值和循環(huán)作用次數(shù)分別為73.45MPa和98次，當(dāng)開(kāi)行30t軸重編組2萬(wàn)t列車后，荷載幅值和循環(huán)作用次數(shù)分別提高至122.4MPa和165次，荷載幅值和疲勞作用次數(shù)分別大約提高了67%和68%。不同軸重列車運(yùn)行條件下，既有鐵路各跨徑橋梁荷載幅變化如圖5所示，隨著列車軸重的提高，各跨徑橋梁的荷載幅曲線大體呈逐步增高的變化趨勢(shì)。30t軸重列車作用下4，6，8，10，12，16和20m跨徑橋梁荷的載幅值分別為385.8，912.3，1 474.4，1 836.9，2 150.4，2 091.8和1 294.6MPa，各跨徑橋梁荷載幅值較25t軸重列車作用情況分別提高了17.1%，17.2%，45.5%，39.9%，63.2%，106.4%和293%。由此可見(jiàn)，既有鐵路開(kāi)行大軸重重載列車后，將對(duì)既有鐵路橋梁的疲勞性能產(chǎn)生巨大的不利影響，將導(dǎo)致既有鐵路橋梁過(guò)早的疲勞破壞。

試驗(yàn)研究[12-13]表明混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞破壞始于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)普通鋼筋的疲勞脆性斷裂，因此，既有鐵路橋梁的疲勞壽命可用橋梁內(nèi)普通鋼筋的疲勞壽命來(lái)反映。鋼筋的疲勞壽命通常用以應(yīng)力幅為參數(shù)的S-N曲線來(lái)描述[14]，其在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中的表達(dá)式為：

lgN=A-Blgσ

(2)

式中：N為疲勞失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)；A和B為與材料性能、試件尺寸、形狀有關(guān)的常數(shù)；σ為外荷載作用下鋼筋的應(yīng)力幅。

根據(jù)式(2)，則25t軸重列車作用下各跨徑橋梁的疲勞壽命可表示為N25=10A/σ25B，27t及以上軸重列車作用下各跨徑橋梁的疲勞壽命可表示為Ni=10A/σiB(i表示列車軸重)。

對(duì)于同一跨徑橋梁，其抗彎截面系數(shù)一樣，因此不同軸重列車作用下，其疲勞壽命存在如下關(guān)系：

Ni/N25=(ΔM25/ΔMi)B

(3)

式中：B值可根據(jù)文獻(xiàn)[6]取為4.850 7；ΔMi為不同軸重列車作用下，橋梁結(jié)構(gòu)跨中截面的彎矩幅。

基于以上分析與計(jì)算，令25t軸重列車作用下各跨徑橋梁的疲勞壽命為1，則開(kāi)行27t及以上軸重列車后，各跨徑橋梁相對(duì)疲勞壽命變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6表明：貨車軸重提高后，既有鐵路6～20m跨徑橋梁疲勞壽命呈指數(shù)型降低，且橋梁跨徑越大，其疲勞壽命降低幅度越大。27，30和33t軸重列車分別作用下，既有鐵路6～20m跨徑鋼筋混凝土橋梁的平均疲勞壽命分別為25t軸重列車運(yùn)行條件下的87%，20%和12%，其中，27t軸重列車作用下，16～20m跨徑鋼筋混凝土橋梁疲勞壽命較25t軸重列車降低了79.42%～99.62%；30和33t軸重列車作用下, 8～20m跨徑鋼筋混凝土橋梁疲勞壽命較25t軸重列車降低了83.8%～99.8%和89.2%～100.0%。

圖5　既有鐵路各跨徑鋼筋混凝土簡(jiǎn)支橋梁荷載幅變化曲線Fig.5 Variation curves of load amplitude of simply-supported RC concrete railway bridge with different spans

圖6　各跨徑橋梁相對(duì)疲勞壽命變化曲線Fig.6 Variation curves of relative fatigue life for existing railway bridges with different spans

4　既有鐵路橋梁疲勞壽命預(yù)測(cè)適用公式分析

對(duì)既有鐵路橋梁進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估及預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)是采用Miner線性累積損傷法則確定其損傷度：

(4)

式中：ni為應(yīng)力幅σi作用下的循環(huán)次數(shù)； Ni為應(yīng)力幅σi作用下的疲勞失效循環(huán)次數(shù)，D是應(yīng)力幅σi分別循環(huán)作用ni次后的損傷度。σi和ni通常通過(guò)目標(biāo)橋梁結(jié)構(gòu)的典型荷載譜獲得，Ni通常通過(guò)鋼筋的疲勞S-N曲線計(jì)算得到。

目前鋼筋的疲勞S-N曲線都是通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼筋進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，然后將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到。由于影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼筋疲勞試驗(yàn)結(jié)果的因素很多，如試驗(yàn)鋼筋的批次、規(guī)格、爐號(hào)，試件的澆筑及養(yǎng)護(hù)質(zhì)量以及試驗(yàn)采用的儀器設(shè)備等，因此目前國(guó)內(nèi)外通過(guò)試驗(yàn)得到的鋼筋疲勞S-N曲線類型眾多，且不同S-N曲線的計(jì)算結(jié)果之間存在較大差異。由此可見(jiàn)，既有鐵路開(kāi)行大軸重重載列車后，對(duì)既有鐵路橋梁進(jìn)行準(zhǔn)確的疲勞壽命評(píng)估和剩余疲勞壽命預(yù)測(cè)的關(guān)鍵在于選擇合適的鋼筋疲勞S-N曲線。

以既有鐵路8m低高度鋼筋混凝土板梁橋?yàn)槔捎帽?所示預(yù)測(cè)運(yùn)量列車編組和具有代表性的鋼筋疲勞S-N曲線(表4)，分別計(jì)算其在不同編組列車運(yùn)行條件下的損傷度和疲勞壽命。

表3　預(yù)測(cè)運(yùn)量列車編組

基于本文第1部分的計(jì)算方法，即可計(jì)算出既有鐵路8m低高度鋼筋混凝土板梁橋在不同編組列車運(yùn)行條件下的荷載譜，然后將荷載譜通過(guò)雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到不同編組列車運(yùn)行條件下，既有鐵路8m低高度鋼筋混凝土板梁橋的典型荷載譜。列車編組及典型荷載譜見(jiàn)表5。

表4　國(guó)內(nèi)外普通鋼筋S-N曲線

表5　既有鐵路8m低高度鋼筋混凝土板梁橋典型荷載譜

注：表5中“33t-2WT”表示軸重為33t，編組2萬(wàn)t的列車，其它類似。

既有鐵路橋梁在服役過(guò)程中會(huì)由于環(huán)境、溫度和荷載的共同作用產(chǎn)生不同程度損傷，特別是對(duì)于既有的一些鋼筋混凝土橋梁，由于其在設(shè)計(jì)階段就允許梁體在正常使用階段存在微小裂縫，微小裂縫的存在使得這類橋梁的損傷更為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為梁體表面混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象比較嚴(yán)重、碳化深度較深，梁內(nèi)主筋存在不同程度銹蝕等。損傷的存在使得列車運(yùn)營(yíng)過(guò)程中梁內(nèi)鋼筋的實(shí)際應(yīng)力幅大于理論計(jì)算值。因此，在疲勞損傷計(jì)算時(shí)，除了對(duì)采用文獻(xiàn)[6]和JSCE中公式計(jì)算21t軸重列車引起的疲勞損傷時(shí)未考慮循環(huán)作用次數(shù)的折減外，其余計(jì)算均將荷載譜中的循環(huán)次數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)[16]規(guī)定予以折減。

將通過(guò)表4和表5得到的ni,σi和Ni值代入式(4)，得到各編組列車通過(guò)既有鐵路8m低高度鋼筋混凝土板梁橋一次，引起橋梁結(jié)構(gòu)的損傷度變化如圖7所示。

采用表3所示的預(yù)測(cè)運(yùn)量列車編組，最終計(jì)算得各編組列車作用下橋梁的疲勞壽命如圖8所示。

觀察圖8可以發(fā)現(xiàn)，采用不同鋼筋S-N曲線計(jì)算的結(jié)果之間存在較大差異，既有鐵路8m低高度鋼筋混凝土板梁橋的實(shí)際使用情況表明文獻(xiàn)[6]中S-N曲線的計(jì)算結(jié)果較為合理且具有一定的參考價(jià)值(由于我國(guó)既有鐵路橋梁在實(shí)際使用過(guò)程中由于環(huán)境作用耐久性會(huì)逐漸下降，因此本文采用理論方法計(jì)算的疲勞壽命偏于保守)，因此，在對(duì)我國(guó)既有鐵路橋梁進(jìn)行疲勞損傷評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)時(shí)本文建議采用文獻(xiàn)[6]中的公式。

圖7　橋梁損傷度變化曲線Fig.7 Variation curves of damage of bridge

圖8　橋梁疲勞壽命變化曲線Fig.8 Variation curves of fatigue life of bridge

5　結(jié)論

1) 既有線開(kāi)行大軸重列車后，既有采用“中—活載”設(shè)計(jì)的6～56m跨徑簡(jiǎn)支橋梁通過(guò)擴(kuò)能改造，在靜力承載力方面可以滿足大軸重重載列車運(yùn)行要求。

2) 大軸重重載列車對(duì)既有鐵路橋梁疲勞性能影響巨大，表現(xiàn)為既有鐵路6～20m跨徑橋梁的疲勞壽命呈指數(shù)型下降。其中，27t軸重列車作用下，16～20m跨徑橋梁疲勞壽命較25t軸重列車作用情況降低了79.42%～99.62%；30t和33t軸重列車作用下, 8～20m跨徑橋梁疲勞壽命較25t軸重列車作用情況降低了83.8%～99.8%和89.2%～100.0%。

3) 既有鐵路24m跨徑橋梁對(duì)不同軸重列車在靜力承載力和疲勞損傷方面均具有較好的適應(yīng)性。

4) 對(duì)既有鐵路8m低高度鋼筋混凝土板梁橋的疲勞壽命預(yù)測(cè)分析表明，采用文獻(xiàn)[6]中鋼筋疲勞S-N曲線計(jì)算出的結(jié)果較為合理且具有一定的參考價(jià)值，因此，在對(duì)我國(guó)既有鐵路橋梁進(jìn)行疲勞損傷分析及壽命預(yù)測(cè)時(shí)本文推薦使用文獻(xiàn)[6]給出的S-N曲線。

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The adaptability study on the operation of heavy-haul trains on existing railway bridges

LU Zhaohui1,2, MA Yifei1,2, YU Zhiwu1,2, SONG Li1,2

(1.SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China;2.NationalEngineeringLaboratoryforHighRailwayConstruction,Changsha410075,China)

Theoperationofheavy-haultrainsonexistingrailwaysbecomesthedevelopmenttrendofrailwayfreighttransportationinourcountry.However,theloadeffectandfrequencyoftheexistingrailwaybridgeswillbeaddedduetotheoperationofheavy-haultrains,andtherefore,itissignificanttoconductadaptabilitystudyontheoperationofheavy-haultrainsonexistingrailwaybridges.Inthepresentpaper:Firstly,theloadspectrumcurvesforexistingrailwaybridgeswithspansrangingfrom6to56metersunderdifferenttrainaxleloadsincluding21, 23, 25, 27, 30and33t,wereobtainedbynumericalcomputationusingMatlabsoftware;Basedontheseinvestigations,theadaptabilitystudyincludingstaticreservesandfatiguelifeoftheexistingrailwaybridgeswereconducted;Furthermore,thefatiguelifeoflow-heightreinforcedconcretebridgewith8m-spanwaspredictedusingtheexistingS-Nmodelsofreinforcingsteel,andfinally,anempiricalformulaforpredictingthefatiguelifeoftheexistingrailwaybridgeswassuggestedwiththeconsiderationofengineeringpractice.Thefindingsofthispapercanprovidetechnicalsupportfortheoperationofheavy-haultrainsonexistingrailway.

heavy-haultrain;existingrailwaybridges;adaptabilitystudy;staticreserves;fatiguelife

2015-11-23

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目 (2013BAG20B00); 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1134209; 51422814;U1434204)；長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT1296);中南大學(xué)“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)計(jì)劃”項(xiàng)目(2015CXS014)

盧朝輝(1976-)，男，湖南永州人，博士，教授，從事結(jié)構(gòu)可靠度及耐久性研究；E-mail:luzhaohui@csu.edu.cn

TU37

A

1672-7029(2016)07-1294-09