既有鐵路混凝土橋運營重載列車后疲勞損傷分析及壽命評估

王 麗，郭 瑩，張玉玲

(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.中國鐵路總公司 運輸局工務部，北京 100844)

20世紀50年代以來，重載鐵路因其運能大、效率高、運輸成本低而受到世界各國的廣泛重視。近年來，由于各種現代高新技術在鐵路上廣泛應用，鐵路重載運輸技術及裝備水平不斷提高，重載列車的牽引重量也有了很大提高。我國2013年鐵路政策規定[1]:“新建重載鐵路貨車軸重不小于30 t，列車牽引重量為萬噸級及以上;客貨共線鐵路貨車軸重研究推廣25 t，研究發展至27 t。”本文針對鐵路貨車軸重提高至26.5 t的情況，對既有線混凝土橋梁進行疲勞損傷分析及壽命評估。

1 既有線重載疲勞列車編組

基于當前的典型疲勞列車[2]，通過替換重載貨車的辦法，確定了不同年運量條件下26.5 t軸重重載疲勞列車參數。重載疲勞列車采用的機車、車輛模式見圖1，編組及運營次數見表1。

2 疲勞損傷影響分析

2.1 理論基礎

大量試驗研究表明，應力幅水平Δσi與其作用下常幅疲勞試驗得出的疲勞失效循環次數Ni的關系為

式中:A，m為常數。

圖1 重載疲勞列車的機車、車輛模式(單位:m)

依據Miner線性累積損傷法則，損傷度D為

式中:D為Δσi作用下分別循環ni次后的損傷度，當D≥1時，發生疲勞破壞[3-4];ni為應力幅 Δσi的循環次數。

假設在當前典型疲勞列車作用下損傷度為D1，在重載疲勞列車作用下損傷度為D2，相應的疲勞壽命分別為Y1，Y2，則可得出在2種不同疲勞列車作用下的疲勞損傷之比為

疲勞壽命比與疲勞損傷比成反比

表1 26.5 t軸重重載疲勞列車組成及運營次數

由于為同一結構同一構造，式(3)可用式(5)代替

式中:Mi1，Mi2為橋梁的跨中彎矩;p1i，p2i為標準荷載效應比頻譜。

相應地，疲勞壽命之比為

2.2 計算結果及分析

依據式(6)得到在重載列車作用下，各種跨度橋梁的疲勞損傷及壽命折減情況，見表2。可見，以當前運營列車作用下發生的累積損傷為基礎，26.5 t軸重重載列車的累積損傷將為當前列車的1.4～3.7倍，運營重載列車疲勞壽命為當前疲勞壽命的27%～71%。

3 疲勞壽命評估

據統計，我國混凝土梁占橋梁總數的92%(以孔計)，其中以普通鋼筋混凝土梁居多[5]。基于S－N曲線(應力—次數曲線)，對年運量等級較大的線路上4 m和8 m普通鋼筋混凝土直線梁(叁標橋1023)進行疲勞壽命評估。

3.1 疲勞壽命評估基本原理

如圖2所示，基于S－N曲線進行結構疲勞壽命評估的步驟:①確定關鍵構造細節;②通過理論計算或者現場實測取得構造的應力時程曲線;③采用合適的應力循環計數方法，將應力歷程轉換為應力譜;④進行疲勞試驗或根據已有的規范、文獻取得構造的S－N曲線;⑤根據疲勞累積損傷理論計算得到構造的疲勞壽命。

圖2 基于S－N曲線進行疲勞壽命評估的步驟

3.2 疲勞應力幅的計算

普通鋼筋混凝土最下排鋼筋最大靜應力σ為

式中:M為跨中彎矩;Ag為受拉鋼筋面積;Z為內力偶臂;h為梁截面高度;x為中性軸距上緣距離;a'為最下排鋼筋距下緣距離;h0為截面有效高度。

表2 26.5 t軸重重載疲勞列車作用下結構疲勞損傷分析

綜合考慮結構疲勞的運營動力系數、構造系數等的影響得到靜應力幅后，疲勞計算應力幅為[5]

式中:Δσai為靜應力幅;1+μi為動力系數;φ1為采用平面分析的結構校驗系數，即構造系數;φ2為考慮偏心、超載和裝載偏心引起的應力增大系數，取1.05;φ3為雙線橋應力系數，取1.16;φ4為桁梁桿件次應力系數;φ5為非焊接構件或連接應力比系數。

本次計算主要考慮運營動力系數、構造系數、及偏心或超載系數。對于動力系數，依據文獻[6]研究成果，當貨車車輛以v≤100 km/h通過橋跨時

對鋼筋混凝土梁的構造系數，文獻[7]規定為0.55～0.65。根據鐵科院鐵建所對部分干線混凝土梁的實際測定[8]，鋼筋的應力構造系數當跨度≤8 m時，平均為0.409。本次計算采用動力系數1.15，構造系數0.5。

3.3 S－N曲線的確定

由于混凝土梁的疲勞壽命主要由最下排主筋控制，且跨度＜12 m的混凝土梁內鋼筋沒有對接焊接頭，所以鋼筋的疲勞抗力曲線采用鋼筋母材的S－N曲線。

文獻[5]指定5×106次循環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，小于截止限的應力幅值均可略去不計，應力幅值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m=3。應力幅Δσ與應力幅循環次數N的表達式為

5×106次循環的疲勞強度即恒幅疲勞極限為σ0(5×106)=74 MPa;108次循環的疲勞強度即截止限為σ0(108)=40 MPa。

3.4 疲勞壽命評估

依據26.5 t軸重重載列車的編組及日運營次數，采用STAAD/PRO計算軟件計算得到列車作用下跨中鋼筋的應力時程曲線。根據雨流計數法統計得到重載列車作用下年疲勞應力頻譜，假設從2015年開始引入重載列車，當前疲勞列車的累積損傷在1975～2014年40年間發生，依據ECCS的疲勞曲線和計算方法進行疲勞壽命評估，計算的年疲勞應力頻譜見表3～表6。

表3 當前疲勞列車作用下跨度4 m混凝土梁年疲勞應力頻譜

表4 當前疲勞列車作用下跨度8 m混凝土梁年疲勞應力頻譜

表5 26.5 t軸重重載作用下跨度4 m混凝土梁年疲勞應力頻譜

表6 26.5 t軸重重載作用下跨度8 m混凝土梁年疲勞應力頻譜

在當前疲勞列車作用下，1975～2014年跨度4 m混凝土梁的損傷度D4dq為0.040 94，跨度8 m混凝土梁的損傷度D8dq為0.056 432。

在26.5 t軸重重載疲勞列車作用下，跨度4 m混凝土梁的年損傷度，剩余疲勞壽命Y4=(1－D4dq)/D41=25年，壽命至2039年。

在26.5 t軸重重載疲勞列車作用下，跨度8 m混凝土梁的年損傷度，剩余疲勞壽命Y8=(1－D8dq)/D81=64年，壽命至2078年。

4 結論

1)在現有橋梁設計資料無法取得的情況下，通過疲勞荷載計算得到疲勞損傷度的增加及疲勞壽命折減幅度的計算方法，對26.5 t軸重列車作用下跨度1～100 m混凝土橋疲勞壽命的折減情況進行計算，以當前運營列車作用下發生的累積損傷為基礎，26.5 t軸重重載列車的累積損傷將為當前列車的1.4～3.7倍，運營重載列車疲勞壽命為當前疲勞壽命的27%～71%。

2)由于小跨度橋梁的疲勞問題較為突出，對跨度4 m和8 m混凝土梁在運營26.5 t軸重重載列車后的疲勞壽命進行計算。假定從2015年開始運營26.5 t軸重重載列車，跨度4 m和8 m混凝土梁的剩余疲勞壽命分別為25年和64年，壽命分別至2 039和2 078年。

3)本文的結果是基于理論計算得到的，在正式運營重載貨車之前需要針對具體橋梁開展相關的現場試驗研究，以確保運輸安全。

[1]中華人民共和國鐵道部.鐵路主要技術政策[Z].北京:鐵道部辦公廳，2013.

[2]崔鑫，張玉玲.采用新活載標準鐵路鋼橋設計參數及規定的研究[R].北京:中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，2008.

[3]王麗，張玉玲.隨機變幅疲勞荷載作用下鋼橋節點板交叉焊縫疲勞性能試驗研究[J].鐵道建筑，2013(11):1-4.

[4]崔鑫，張玉玲.大秦線8 m鋼筋混凝土梁疲勞損傷分析及壽命評估[J].鐵道建筑，2008(1):20-23.

[5]張玉玲.25 t軸重對橋梁影響的研究[R].北京:中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，1997.

[6]陳新中.簡支的鋼筋混凝土梁和鋼梁動力系數的研究[R].北京:中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，1990.

[7]中華人民共和國鐵道部.鐵運函[2004]120號 鐵路橋梁檢定規范[S].北京:中國鐵道出版社，2004.

[8]陳夏新，李之榕.25 t軸重作用下既有中小跨度混凝土橋梁疲勞壽命評估[R].北京:中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，1996.