重載交通作用下某斜拉橋疲勞損傷研究

王鳴軍

（常州市市政管理處 ,江蘇常州 213002）

0 引言

疲勞是由反復(fù)荷載引起的累積損傷過程，影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件疲勞性能的參數(shù)很多，其中包括應(yīng)力參數(shù)（如應(yīng)力幅、加載頻率）、構(gòu)件幾何和材料特征及外部環(huán)境等，本文著重討論重載交通對結(jié)構(gòu)疲勞損傷的影響。研究表明重載交通增大了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的活載應(yīng)力幅，加速結(jié)構(gòu)的累積損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞壽命迅速下降[1]。已有研究針對重載交通對橋梁的疲勞損傷研究主要集中在小跨徑公路橋或鐵路橋，且車輛調(diào)查數(shù)據(jù)樣本較少，疲勞損傷計算和評估廣泛采用的是基于名義應(yīng)力的S-N曲線法。本文以某公鐵兩用斜拉橋為背景，引入基于熱點應(yīng)力的S-N曲線法，通過交通量調(diào)查，獲得共35個樣本數(shù)據(jù)，根據(jù)等效損傷原理得到典型疲勞車型和車輛荷載譜，運用Monte-Carlo方法模擬隨機車流，加載得到疲勞應(yīng)力譜，應(yīng)用Miner線性損傷準(zhǔn)則計算了公鐵聯(lián)合荷載作用下典型構(gòu)造細節(jié)的損傷度；為研究重載交通的影響，考慮各疲勞車型超載一定比例和僅某種車型超載兩種情況，探討了重載交通對上述損傷度較大桿件的疲勞累積損傷。

1 工程概況

某連續(xù)鋼桁結(jié)合梁斜拉橋跨徑布置為120 m＋5×168 m＋120 m。主桁采用無豎桿的三角形桁式，橫向布置為三片桁，中桁垂直，邊桁傾斜。主塔為鋼箱結(jié)構(gòu)，設(shè)置在中桁，塔梁固結(jié)。塔高37 m，每個主塔布置有5對拉索。主塔立面布置為“人”字形，從塔頂?shù)膯蜗浣孛嫦蛩鶟u變?yōu)殡p箱截面，塔根部雙箱間距12 m，連接在支點兩側(cè)的上弦節(jié)點。

2 交通量調(diào)查及典型疲勞車型

2.1 交通量調(diào)查

為獲得疲勞損傷計算的典型車輛和車輛荷載譜較為客觀的結(jié)果，分析了大橋附近交通量調(diào)查結(jié)果，圖1列出了車輛調(diào)查的交通構(gòu)成及比例。因缺少更詳細的客運列車統(tǒng)計資料，參考國內(nèi)同類客運專線的運營情況和鐵道科學(xué)研究院的疲勞車輛模式，參考運量大于3000萬t/a的最不利情況，每天過橋的客車取為270節(jié)。

2.2 公路荷載典型疲勞車型

圖1 交通量構(gòu)成及比例分布

目前英國、美國、德國和日本等國都在各自的橋梁設(shè)計規(guī)范中給出了相應(yīng)的疲勞荷載譜或疲勞車輛模型。我國的疲勞研究相對滯后，公路和鐵路橋梁規(guī)范對此均沒有規(guī)定。研究指出橋梁疲勞設(shè)計和評估應(yīng)采用橋梁設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)實際承受的運營載荷的總和，用來計算它們對橋梁的累積損傷。疲勞車型可按等效疲勞損傷原理，求出每種模型車輛中各軸的等效軸重；模型車輛的軸距可由各車的軸距通過一定的權(quán)重分配直接用加權(quán)平均求得。為簡化分析，假定每種標(biāo)準(zhǔn)車型軸重占該車型總重的比例一定，其數(shù)值根據(jù)交通量統(tǒng)計確定，各車型均服從均勻分布，各標(biāo)準(zhǔn)車型的總重服從極值I型分布，其參數(shù)a、u的數(shù)值根據(jù)交通量統(tǒng)計結(jié)果確定；假定車輛間距采用暢通車流情況下車輛間距，符合對數(shù)正態(tài)分布[2-4]，據(jù)此確定的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車型及分布如表1所列。

2.3 列車荷載典型疲勞車型

客運專線上運營的列車類型相對固定，根據(jù)目前國內(nèi)同類客運專線的運營情況，選取CRH3型動車組作為典型疲勞列車，取8節(jié)車輛編組，編組型式為2輛機車+6輛客車，取實際軸距，軸重參考國內(nèi)同類客運專線及鐵科院的疲勞車輛模式，機車軸重P2取230 kN，客車軸重P1取為140 kN，具體布置如圖2所示。

計算表明各構(gòu)件疲勞應(yīng)力幅σvmax均小于容許應(yīng)力幅[σ0]，但對主應(yīng)力幅較大的塔梁連接處、索梁錨固區(qū)和主桁下弦桿等關(guān)鍵構(gòu)件，考慮焊縫處應(yīng)力集中及公鐵聯(lián)合作用，需作進一步疲勞分析。

表1 標(biāo)準(zhǔn)疲勞車型及分布一覽表

圖2 列車荷載典型疲勞車軸重布置圖（單位：m）

3 熱點應(yīng)力集中系數(shù)（SCF）

熱點應(yīng)力集中系數(shù)計算時，取塔梁結(jié)合處焊接細節(jié)，坡口形式為K型坡口。在全橋整體及塔梁結(jié)合處局部有限元應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，運用大型有限元分析軟件ANSYS，采用外推法計算了熱點應(yīng)力集中系數(shù)。由于焊趾周圍垂直于焊趾的應(yīng)力是疲勞裂紋張開的主要驅(qū)動力，對疲勞破壞起主導(dǎo)作用，計算時可取垂直于焊趾方向的應(yīng)力進行計算。根據(jù)ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果，典型構(gòu)造細節(jié)的應(yīng)力集中系數(shù)在1.17～1.21之間，本文取1.2。

4 基于熱點應(yīng)力的構(gòu)件疲勞損傷

公鐵兩用橋總的損傷度可通過將兩種荷載的損傷度之和乘以一個調(diào)整系數(shù)得出，以考慮兩種荷載同時發(fā)生的概率。這個調(diào)整系數(shù)參考BS5400取1.2。根據(jù)交通量統(tǒng)計結(jié)果，公路上每年的總交通量約為1983萬veh，能產(chǎn)生疲勞的車輛約占41.4%，約821萬veh。鐵路上每年通過的客車為98550節(jié)。將上節(jié)Monte-Carlo模擬的20萬veh加載到各典型桿件關(guān)心截面的主應(yīng)力影響線上，以得到關(guān)心截面的應(yīng)力歷程。對壓密后的應(yīng)力歷程通過雨流計數(shù)法得到相應(yīng)的應(yīng)力譜。公路、鐵路車輛作用下典型桿件的應(yīng)力譜如圖3所示。

圖3 典型桿件應(yīng)力譜柱狀圖

與名義應(yīng)力法需確定焊接細節(jié)不同，熱點應(yīng)力直接考慮了焊接節(jié)點焊縫周圍應(yīng)力的不均勻分布，且排除了焊縫形狀和焊接缺陷的影響，使得具有不同焊縫截面和焊趾條件的同種材料焊接節(jié)點可以采用相同的S-N曲線來預(yù)測疲勞壽命。在進行基于熱點應(yīng)力S-N曲線的疲勞損傷評估時，可將損傷度較大的疲勞細節(jié)應(yīng)力譜乘以相應(yīng)的熱點應(yīng)力集中系數(shù)，得到各構(gòu)造細節(jié)的熱點應(yīng)力譜，然后基于Miner線性累積損傷準(zhǔn)則，對其疲勞損傷進行評估。參考文獻[5]，本文采用的通用熱點應(yīng)力S-N曲線參數(shù)如下：曲線斜率m等于3；2×106次疲勞容許應(yīng)力為80 MPa；107次循環(huán)對應(yīng)的常幅疲勞極限為46.8 MPa。

選取在公路或鐵路荷載作用下?lián)p傷度較大的桿件，計算其在公鐵聯(lián)合荷載作用下的使用壽命，如表2所列。由表2可知：桿件的疲勞壽命均滿足設(shè)計壽命，但個別桿件，如軌道橫梁與主桁連接處，疲勞損傷度較大，與名義應(yīng)力法得出的結(jié)果一致；相對熱點應(yīng)力法，BS5400中給出的名義應(yīng)力法得出的疲勞壽命結(jié)果偏于保守。

表2 公鐵荷載聯(lián)合作用下關(guān)鍵桿件損傷度一覽表

5 重載交通引起的結(jié)構(gòu)疲勞損傷

為研究車輛超載對桿件疲勞損傷度的影響，對上一部分計算得出的損傷度較大的桿件，通過下面兩步研究超載對損傷度增大的影響：（1）對6種標(biāo)準(zhǔn)加載車，分別按每種加載車中超載車數(shù)量占5%、10%、20%（為簡化計算，通過分析實際的交通量調(diào)查情況，認(rèn)為重載車輛作用時，軸重超載30%以下的占70%，超載30%～50%的占25%，超載50%～100%的占4.9%，超載超過100%的占0.1%），分析其引起的構(gòu)件疲勞損傷。（2）6種標(biāo)準(zhǔn)加載車，僅某一種標(biāo)準(zhǔn)車超載車數(shù)量占20%，軸重超載比例參照（1），分別探討各標(biāo)準(zhǔn)車型超載對桿件疲勞損傷的影響。超載車占20%時典型桿件應(yīng)力譜如圖4所示，桿件損傷度隨超載車數(shù)量增加的變化規(guī)律如圖5所示。

圖4 超載車占20%時典型桿件應(yīng)力譜柱狀圖

圖5 桿件損傷度隨超載車數(shù)量增加的變化曲線圖

由圖4和圖5可知：（1）當(dāng)超載車的數(shù)量占總交通量的比例為5%和10%，桿件的損傷度分別增加1.7%和6.9%；而當(dāng)超載車的數(shù)量占總交通量的比例達到20%，桿件的損傷度增加了38.6%。因此應(yīng)控制實際交通運營中超載車的數(shù)量。（2）相比其它車型超載，5軸車和6軸車超載時損傷度有明顯增加，因此在實際交通運營中應(yīng)嚴(yán)格控制5軸以上車輛的超載。

6 結(jié)論

本文以某公鐵兩用斜拉橋為背景，研究了重載交通對構(gòu)件疲勞損傷的影響。研究表明按目前的交通狀況預(yù)測，大橋疲勞壽命滿足設(shè)計要求，但個別構(gòu)造細節(jié)（如軌道橫梁與主桁連接處）疲勞壽命相對較短。隨超載車數(shù)量占總交通量比例的增加，構(gòu)件疲勞損傷度迅速增長，相比其它車型，5軸車和6軸車超載時損傷度有明顯增加，因此在實際交通運營中應(yīng)嚴(yán)格控制5軸以上車輛的超載。

[1]文雨松,謝禮群,王生宏.鐵路混凝土梁對重載運輸疲勞適應(yīng)性的試驗研究[J].長沙鐵道學(xué)院學(xué)報,1996,14(1):8-12.

[2]童樂為,沈祖炎,陳忠延.城市道路橋梁的疲勞荷載譜[J].土木工程學(xué)報,1997,30(5):20-27.

[3]周泳濤,鮑衛(wèi)剛,翟輝,等.公路鋼橋標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛荷載研究[A].2010全國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會論文集[C].北京:中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會,2010:162-167.

[4]AASHTO:The AASHTO LRFD Bridge Design Specifications,4th edition-Part6:Steel Structures[S].

[5]任偉平，李小珍，李俊，強士中.公軌兩用鋼桁橋軌道橫梁與整體節(jié)點連接頭的疲勞荷載[J].中國公路學(xué)報,2007，20(1):79-84.