铁路正交异性钢桥面板疲劳应力分析与寿命评估

Ｅ￣ｍａｉｌ:ｃａｏｘｉｎｇｅｒ＠ ｓｊｔｕ.ｅｄｕ.ｃｎ
Ｅ￣ｍａｉｌ:ｃｈｅｎｇ＿ｂｉｎ＠ ｓｊｔｕ.ｅｄｕ.ｃｎ
) ꎬ男ꎬ副教授ꎬ博士ꎮ
图 １㊀ 南京大胜关长江大桥主桥构造
２０
铁㊀ 道㊀ 建㊀ 筑
第 ５７ 卷
２ ４００ ｍｍꎻ小横梁腹板厚１８ ｍｍꎬ高 １ ３７６ ｍｍꎮ
高 ２６０ ｍｍꎬ顶部宽 ３００ ｍｍꎮ 大横梁腹板厚 １８ ｍｍꎬ高
[１０]
ꎻ 断裂力学法是基于裂纹的
高ꎬ通常采用外推法来计算其局部结构应力ꎬ如下 σ ｈｓ ＝ １������ ５σ １ － ０������ ５σ ２ (１) １������ ５ｔ 处且垂直于焊趾方向的应力ꎬｔ 为钢板厚度ꎮ
ꎮ 受切口效应的影响ꎬ 焊趾附近的应力梯度很
式中:σ ｈｓ 为热点应力ꎻ σ １ ꎬ σ ２ 分别为距离焊趾 ０������ ５ｔ 和 应ꎬ因此热点应力法只需要较少数量的甚至仅需 １ 条 Ｓ －Ｎ 曲线ꎮ ＡＡＳＨＴＯ 规定: 热点应力法主要采用名义 应力法 Ｓ －Ｎ 曲线中的 Ｃ 类曲线ꎬ某些特殊的节点部位 采用 Ａ 类曲线 [１１] ꎮ 钢桥面板的抗疲劳设计ꎬ 而 ＡＡＳＨＴＯ 规范系统地对正 交异性钢桥面板的抗疲劳设计进行了规定ꎬ 因此本文 鉴于我国铁路㊁公路桥梁规范中未涉及正交异性 由于应力集中系数考虑了整体几何形状的影响效
１㊀ 铁路正交异性钢桥面板构造
劳应力及疲劳寿命评估开展研究分析ꎮ
㊀ ㊀ 南京大胜关长江大桥的主桥是 ６ 跨连续钢桁架拱
收稿日期:２科学基金(１４ＺＲ１４２２８００) 基金项目: 十三五 国家重点研发计划 ( ２０１６ＹＦＢ１２００６０２￣２８) ꎻ 上海市 第一作者:曹星儿(１９９５ 通信作者:程斌(１９７９ ) ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎮ
研究ꎬ通常应先得到桥面的疲劳荷载谱ꎬ采用雨流法或 泄水池法对应力历程进行分析ꎬ 以求得各应力幅值及 目前ꎬ在高速铁路桥梁的疲劳荷载谱研究并不充分的 情况下ꎬ也可釆用设计活载进行近似分析ꎬ计算结果偏 于安全ꎮ 荷载ꎬ用于对桥梁整体结构进行分析ꎬ验算设计荷载作 用下结构的强度和刚度是否满足要求ꎮ 而疲劳研究针 对局部构造细节ꎬ按照惯例应采用车辆荷载ꎬ 但 ＺＫ 荷 载无法反映本文桥梁列车的实际运营情况ꎮ 因此ꎬ 根 据南京大胜关桥实际运营的 ＣＲＨ３８０Ａ 型动车的参数 进行分析ꎬ得到一个新的高速标准疲劳列车ꎬ可为今后 ２������ ３������ １㊀ 铁路疲劳列车模型 的疲劳研究提供参考ꎮ 以南京大胜关长江大桥主要运行的 ＣＲＨ３８０Ａ 型 我国高速铁路设计规范中的 ＺＫ 活荷载属于车道 其相应的次数ꎬ 进而对钢桥面板疲劳性能进行分析ꎮ
２０１７ 年 １１ 月
第 ５７ 卷 第 １１ 期
Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
铁㊀ 道㊀ 建㊀ 筑
Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１７
Ｖｏｌ.５７ Ｎｏ.１１
文章编号:１００３￣１９９５( ２０１７) １１￣００１９￣０７
铁路正交异性钢桥面板疲劳应力分析与寿命评估
(１. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院ꎬ上海㊀ ２００２４０ꎻ２. 中交公路规划设计院有限公司ꎬ北京㊀ １０００８８)
２㊀ 正交异性钢桥面板寿命评估方法
２������ １㊀ 疲劳分析理论
主要有构造分类法㊁ 热点应力法㊁ 断裂力学法 ３ 大类ꎬ 构造分类法采用名义应力幅进行疲劳验算ꎻ 热点应力 法是对节点焊趾处的表面应力进行评估ꎬ 以分析潜在 疲劳焊接点的局部应力
[９]
从工程应用角度出发ꎬ 钢桥疲劳分析和评定方法
扩展与断裂来预测结构的剩余疲劳寿命ꎮ 本文采用热 点应力法ꎮ 焊趾处的局部应力包括了该构造细节所有 的应力集中ꎬ 但不包括局部焊缝形状造成的应 力 集 中
对典型构造细节的疲劳应力进行计算分析ꎬ得到此类桥面结构的疲劳易损区ꎮ 结合桥梁实际使用情况ꎬ
桥 [８] ꎬ主桥构造如图 １ 所示ꎬ１ / ２ 立面见图 １( ａ) ꎮ 该 桥的钢桁梁与钢桁拱都是由相同间距 ( ２ ˑ １５ ｍ) 的空 ２ 根大横梁之间布置 ３ 根小横梁ꎮ 南京大胜关长江大 １( ｃ) 分别给出了典型的横断面和典型大样ꎮ 单条线 路的轨道下布置了 ２ 个倒 Ｔ 形纵梁ꎬ 横梁腹板与 Ｕ 肋 和倒 Ｔ 形纵梁的相交处均采取了开孔的措施ꎮ 盖板 ４７２ ｍｍꎬ翼缘厚 １２ ｍｍꎬ 宽 ２４０ ｍｍꎮ Ｕ 肋的厚 ６ ｍｍꎬ 的厚度 为 １６ ｍｍꎮ 倒 Ｔ 形 纵 梁 的 腹 板 厚 １２ ｍｍꎬ 高 间 ３ 排主桁架构成ꎬ主桁的节点处布置 １ 根大横梁ꎬ每 桥是典型的铁路正交异性钢桥面板结构ꎬ 图 １ ( ｂ) ꎬ
曹星儿１ ꎬ程㊀ 斌１ ꎬ滕念管１ ꎬ曹一山２
摘㊀ 要㊀ 以南京大胜关长江大桥为对象ꎬ建立铁路正交异性钢桥面板结构有限元模型ꎬ基于热点应力法 基于美国公路桥梁设计规范( ＡＡＳＨＴＯ 规范) 对桥面板典型焊接细节的疲劳寿命开展计算与评估ꎬ 结果 表明ꎬ疲劳Ⅰ与疲劳Ⅱ极限状态下 ５ 类疲劳易损构造细节的疲劳应力幅计算值均小于容许值ꎬ疲劳寿命 满足设计要求ꎮ 关键词㊀ 铁路桥梁ꎻ正交异性钢桥面板ꎻ疲劳应力ꎻ热点应力ꎻ疲劳寿命ꎻ疲劳评估 ㊀ ㊀ 铁路正交异性钢桥面板由盖板㊁ 纵肋㊁ 轨下 Ｔ 形 纵梁以及横梁组成ꎬ 由于其面内刚度在相互垂直的方 向不相同ꎬ造成受力行为的正交异性ꎬ故称为正交异性 钢桥面板 ( Ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ Ｓｔｅｅｌ ＤｅｃｋꎬＯＳＤ) ꎮ 正交异性钢 桥面板具有自重轻㊁ 刚度大㊁ 承载力高㊁ 适用范围广的 特点ꎬ并能作为主梁的一部分参与共同受力ꎬ因而在桥 梁工程中得到了广泛的应用ꎮ 由于构造应力复杂ꎬ 焊 ＯＳＤ 结构的疲劳开裂成为影响此类桥梁正常使用的 主要原因ꎮ 国内外很多学者对此进行了一系列的研 究ꎮ 文献[１] 对带有开口纵肋的铁路正交异性钢桥面 板的疲劳特性进行了试验研究ꎻ文献[２] 对 Ｐａｄｅｒｎｏ 铁 路桥开展了疲劳可靠性分析以获取结构剩余疲劳寿 命ꎻ文献[３￣４] 对 ＯＳＤ 疲劳裂纹的形成和扩展进行了 研究ꎻ文献[５￣７] 对 ＯＳＤ 疲劳性能㊁疲劳验算等相关问 题进行了研究ꎮ 桥面板的有限元模型ꎬ 对铁路正交异性钢桥面板的疲 本文以南京大胜关长江大桥为工程实例ꎬ 建立钢 接缺陷难以控制ꎬ 且直接承受车辆动力作用等原因ꎬ 中图分类号㊀ Ｕ４４１ ＋.４㊀ ㊀ 文献标识码㊀ Ａ㊀ ㊀ ＤＯＩ:１０.３９６９ / ｊ.ｉｓｓｎ.１００３￣１９９５.２０１７.１１.０４