鐵路正交異性鋼橋面疲勞驗(yàn)算

胡雨蛟 周 聰 顧 萍 周雙寧

(同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海200092)

1 引言

正交異性鋼橋面具有自重輕、強(qiáng)度高、經(jīng)濟(jì)性好及施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，但由于構(gòu)件與受力的復(fù)雜性，其疲勞問(wèn)題尤為突出。荷蘭1990年建成的第二座Van Brienenoord橋，通車(chē)短短7年就在橋面上發(fā)現(xiàn)許多裂紋，影響了行車(chē)安全，為此 De Jong等學(xué)者展開(kāi)了系統(tǒng)的調(diào)查和研究[1]。日本每年檢查阪神高速公路橋梁，至2007年在采用正交異性鋼橋面的1347跨橋梁中，有142跨出現(xiàn)了疲勞裂紋，且有逐年明顯增加的趨勢(shì)[2]。顯然，疲勞問(wèn)題的存在嚴(yán)重影響了鋼橋的正常使用，因此迫切需要對(duì)正交異性鋼橋面疲勞進(jìn)行研究和評(píng)估。

目前正交異性鋼橋面疲勞強(qiáng)度的分析方法主要是基于名義應(yīng)力分析方法，該方法是以S-N曲線和Miner累積損傷理論為基礎(chǔ)的一種疲勞分析方法。美國(guó) AASHTO[3]、歐洲 Eurocode3[4]等規(guī)范通過(guò)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了一系列典型焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)造細(xì)節(jié)的S-N曲線，將其作為疲勞強(qiáng)度的評(píng)定依據(jù)。

我國(guó)橋梁規(guī)范目前還沒(méi)有針對(duì)正交異性鋼橋面的疲勞強(qiáng)度規(guī)定，本文采用有限元分析方法，通過(guò)對(duì)鋼橋面的有限元結(jié)構(gòu)分析和在移動(dòng)列車(chē)荷載下的時(shí)程應(yīng)力計(jì)算，確定了鋼橋面的疲勞驗(yàn)算點(diǎn)和最大應(yīng)力幅，參照歐美相關(guān)規(guī)范的疲勞設(shè)計(jì)曲線，對(duì)某實(shí)橋正交異性鋼橋面的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)算，探討了正交異性鋼橋面的疲勞評(píng)估方法。

2 工程介紹

本橋?yàn)槿?114.75+229.5+114.75)m 鐵路鋼桁梁柔性拱橋，橋面采用正交異性鋼橋面，兩片主桁中心距為15 m，桁高15 m，拱肋采用圓曲線，矢高(上弦以上)45 m，矢跨比為1/4.5，見(jiàn)圖1。邊跨9個(gè)節(jié)間，中跨18個(gè)節(jié)間，其節(jié)間長(zhǎng)度12.75 m，每個(gè)節(jié)間再布置3根小橫梁，橋梁橫截面見(jiàn)圖2。

圖1 橋梁概況圖(單位:m)Fig.1 Bridge overview diagram(Unit:m)

圖2 橫梁截面圖(單位:mm)Fig.2 Transverse beam section(Unit:mm)

3 有限元模型

正交異性鋼橋面的疲勞關(guān)注構(gòu)造細(xì)節(jié)處的應(yīng)力分析受現(xiàn)有計(jì)算技術(shù)的限制，如采用全橋計(jì)算模型會(huì)難以實(shí)現(xiàn)局部構(gòu)造細(xì)節(jié)的精細(xì)模擬，為解決該問(wèn)題，同濟(jì)大學(xué)周聰?shù)萚5]提出了節(jié)段模型方法，并通過(guò)有限元分析論證了局部節(jié)段模型直接用于正交異性鋼橋面疲勞驗(yàn)算的可行性。

因此本文取一個(gè)節(jié)間的鋼橋面(縱向五橫梁四段，見(jiàn)圖3)作為計(jì)算模型，橫向取全橋?qū)挘趦蓚?cè)主桁與豎桿連接處約束其豎向位移并約束一側(cè)的橫向位移，對(duì)于橫橋向邊，約束其縱向位移及繞橫向和豎向轉(zhuǎn)動(dòng)。分析采用大型有限元軟件ANSYS，橋面板、縱肋及橫梁均采用板殼單元(shell63)，單元尺寸為50 mm×50 mm，共劃分節(jié)點(diǎn)267 936個(gè)，板單元270 544個(gè)。由于橋梁為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，本文以后的圖表均取半橋?qū)掃M(jìn)行分析。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

鋼橋面加載面積考慮軌枕及道碴的擴(kuò)散作用，按照道床摩擦角擴(kuò)散法[6]進(jìn)行計(jì)算，加載面積橫向取1 100 mm，縱向取490 mm。計(jì)算模型及橫向加載位置見(jiàn)圖4。

圖4 計(jì)算模型及荷載分布圖(單位:mm)Fig.4 Calculation model and distribution of loading(Unit:mm)

李瑞超[7]通過(guò)對(duì)上海鐵路局管內(nèi)5條客運(yùn)專線和高鐵線路的調(diào)查研究，提出了針對(duì)每條線路的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車(chē)和荷載譜。本文加載采用其中的最重標(biāo)準(zhǔn)疲勞車(chē)，單節(jié)車(chē)廂重57.12t，見(jiàn)圖5。根據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》[8]和《新建時(shí)速200～250公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》[9]中的相關(guān)公式可得其運(yùn)營(yíng)列車(chē)、中活載和客運(yùn)專線ZK活載的動(dòng)力系數(shù)分別為 1.218、1.53、1.603。由于目前沒(méi)有客運(yùn)專線或高速線路上對(duì)運(yùn)營(yíng)列車(chē)動(dòng)力系數(shù)的實(shí)測(cè)或研究資料，參照《鐵路橋梁檢定規(guī)范》運(yùn)營(yíng)列車(chē)和中-活載的動(dòng)力系數(shù)的比值，對(duì)ZK活載的動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行修正，取運(yùn)營(yíng)列車(chē)動(dòng)力系數(shù)為1.4。最終得單輪輪重為 57.12 ×10 ×1.4/8=100 kN。計(jì)算采用雙線加載，從相鄰車(chē)廂2個(gè)轉(zhuǎn)向架前輪進(jìn)入計(jì)算橋面開(kāi)始，至后軸駛出計(jì)算橋面結(jié)束，按0.25m/次的步長(zhǎng)進(jìn)行模擬，圖6為加載示意圖。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)疲勞車(chē)Fig.5 Standard fatigue load

圖6 模型加載圖(單位:m)Fig.6 Loading scheme of mode(Unit:m)

4 疲勞檢算

根據(jù)歐美規(guī)范對(duì)鋼橋面疲勞檢算的相關(guān)規(guī)定和國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼橋面出現(xiàn)裂紋位置的報(bào)道，通過(guò)移動(dòng)列車(chē)模擬加載，對(duì)橋面板橫向應(yīng)力、橫梁帽孔主應(yīng)力、縱肋腹板應(yīng)力、縱肋底部縱向應(yīng)力等計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，將出現(xiàn)最大應(yīng)力的位置確定為疲勞檢算點(diǎn)，選出了最不利的22個(gè)位置作為檢算點(diǎn)，如表1所示，其中符號(hào)I為開(kāi)口肋，U為閉口肋，ZL為縱梁，數(shù)字代表相應(yīng)編號(hào)，位置如圖4所示。L、R分別代表遠(yuǎn)離橋梁中心側(cè)和靠近橋梁中心側(cè)。如U2L表示閉口肋U2遠(yuǎn)離橋梁中心側(cè)的相應(yīng)位置;Ud，Uc分別代表縱肋與橋面板連接位置和縱肋與橫梁連接位置，見(jiàn)圖7。

表1 應(yīng)力檢算點(diǎn)匯總Table 1 Inspection points

圖7 應(yīng)力檢算點(diǎn)位置說(shuō)明Fig.7 Position description of inspection points

圖8—圖11為部分檢算點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程曲線圖，圖中的橫坐標(biāo)軸為前輪沿橋跨移動(dòng)時(shí)的縱向坐標(biāo)位置。由圖可知:當(dāng)輪載經(jīng)過(guò)檢算點(diǎn)附近時(shí)，其應(yīng)力出現(xiàn)極值。

圖8 支點(diǎn)3橋面板檢算點(diǎn)橫向應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.8 Cross-bridge stress time-history curves of curves inspection points at deck of supporting point 3

圖9 橫梁2帽孔檢算點(diǎn)主拉應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.9 Principle tensile stress time-history of inspection points at cutout of beam 2

圖10 支點(diǎn)3 Uc位置沿Y'方向應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.10 Stress time-history curves in direction Y'of inspection points at Uc of supporting point 3

圖11 跨中2縱肋底部檢算點(diǎn)縱向應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.11 Longitudinal bridge stress time-history curves of inspection points at longitudinal rib bottom at midspan 2

表2為各檢算點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果，表中最大應(yīng)力幅根據(jù)應(yīng)力時(shí)程曲線用泄水法計(jì)算，AASHTO和Eurocode3規(guī)范的疲勞強(qiáng)度均與其構(gòu)造細(xì)節(jié)對(duì)應(yīng)。AASHTO對(duì)橋面板橫向應(yīng)力的規(guī)定比Eurocode 3的規(guī)定更嚴(yán)，Eurocode 3在2004年對(duì)鐵路橋梁的正交異性鋼橋面疲勞設(shè)計(jì)的相關(guān)條款進(jìn)行了修訂，在定義疲勞等級(jí)時(shí)，對(duì)焊接工藝和質(zhì)量做出了明確的要求，如:焊接采用手工或自動(dòng)焊時(shí)只能從單側(cè)進(jìn)行，并且要求橋面板與橫梁之間的安裝良好，焊接能保證在沒(méi)有停頓的前提下完成，焊縫質(zhì)量合格等，而AASHTO中沒(méi)有關(guān)于焊接工藝和質(zhì)量的要求。由于本橋鋼橋面中采用的構(gòu)造形式、焊接工藝與Eurocode3中相關(guān)條款相近，本文建議采用Eurocode3的相關(guān)規(guī)定。

表2 各檢算點(diǎn)強(qiáng)度驗(yàn)算Table 2 Checking calculation of inspection points MPa

由表2計(jì)算可知:各檢算點(diǎn)應(yīng)力幅均小于Eurocode3規(guī)范所對(duì)應(yīng)細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度，運(yùn)營(yíng)期內(nèi)滿足結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)算部位不會(huì)發(fā)生疲勞開(kāi)裂。

5 結(jié)論

本文采用有限元數(shù)值分析方法，進(jìn)行了鐵路鋼桁梁柔性拱橋鋼橋面的受力分析，模擬了鐵路鋼桁梁柔性拱橋鋼橋面在移動(dòng)列車(chē)下的應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)，對(duì)正交異性鋼橋面進(jìn)行了疲勞檢算，研究結(jié)論如下:

(1)鋼橋面的應(yīng)力極值出現(xiàn)在輪載經(jīng)過(guò)檢算點(diǎn)時(shí)，且影響區(qū)域較小;

(2)鋼橋面疲勞檢算要考慮構(gòu)造形式、焊接工藝的影響;

(3)實(shí)橋鋼橋面在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)滿足結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)要求。

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