鐵路鋼橋疲勞研究進展

劉曉光

(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

鐵路鋼橋疲勞研究進展

劉曉光1，2

(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

近年來，我國鐵路的運輸格局發(fā)生了較大變化:一方面，建成了大量的高速鐵路，鐵路鋼橋跨度不斷增大，同時出現(xiàn)了大量新型構(gòu)造細節(jié);另一方面，既有鐵路將逐步以貨運為主，鋼橋面臨著軸重增加和運量增大的挑戰(zhàn)。此外，我國將新建軸重30 t級專用重載鐵路，在軸重顯著增加的情況下，鋼橋構(gòu)造細節(jié)的疲勞問題也更為嚴峻。疲勞一直是鋼橋研究領(lǐng)域中一項重要的課題，在新的運輸形勢下，新型構(gòu)造細節(jié)的疲勞設(shè)計以及既有鋼橋的疲勞評估，均成為目前鐵路鋼橋研究中需要更加重視的課題之一。本文從鐵路鋼橋疲勞設(shè)計方法、設(shè)計荷載、性能試驗和壽命評估等角度出發(fā)，對鐵路鋼橋疲勞研究現(xiàn)狀進行了分析，提出了需要進一步研究的關(guān)鍵技術(shù)問題。

鐵路鋼橋 疲勞設(shè)計荷載 疲勞性能 疲勞壽命評估

縱觀世界鋼橋的發(fā)展歷史，從1779年英國的第一座鐵橋到1874年的第一座鋼橋，再到1880年的第一座鐵路鋼橋，鋼(鐵)橋已經(jīng)有200多年的歷史［1］。

隨著鋼材制造加工技術(shù)的不斷進步，鋼材的強度不斷提高，性能不斷優(yōu)化，我國鋼橋所用鋼材也經(jīng)歷了由Q235q到Q345q，Q370q再到Q420q的過程。近年來出現(xiàn)了高強鋼、耐候鋼、Z向鋼等類型的鋼材，使鋼橋的建造技術(shù)有了進一步的提升，也為鋼橋跨度的增加提供了便利。在鋼橋的連接方面，經(jīng)歷了銷釘連接、鉚接、栓(高強螺栓)焊混合和全焊的發(fā)展過程，現(xiàn)代鋼橋工廠制造全部采用焊接，工地拼裝多采用焊接為主栓接為輔的連接方式［2］。在鋼橋的結(jié)構(gòu)形式方面，對于中小跨度橋梁，以板梁橋、桁梁橋為主，當跨度增加時，斜拉橋和懸索橋以其優(yōu)越的跨越能力，替代了桁梁橋。隨著橋上搭載線路的增加，鋼橋主桁結(jié)構(gòu)由雙主桁演變?yōu)槿麒欤瑯蛎嫦涤煽v橫梁明橋面變?yōu)榘彖旖M合、箱桁組合結(jié)構(gòu)。與此同時，鐵路鋼橋也由傳統(tǒng)的拼裝節(jié)點過渡為整體節(jié)點，進而發(fā)展至整桁片甚至整節(jié)段焊接。這些變化帶來了大量材料、結(jié)構(gòu)和工藝等方面的創(chuàng)新和突破，主要體現(xiàn)在新建高速鐵路大跨度橋梁中。

我國既有鐵路鋼橋部分建于解放前，當時的設(shè)計、材料和施工等方面的技術(shù)水平有一定的局限性，加之近年來高速鐵路不斷建成，既有鐵路逐步以貨運為主，列車軸重將由23 t逐漸增加至27 t，相應(yīng)運營次數(shù)、年運量都會增加，有些鋼橋已經(jīng)出現(xiàn)了一些因疲勞問題引發(fā)的裂紋［3］。軸重增加至27 t后，因運營荷載效應(yīng)與設(shè)計荷載接近，將導致橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)對病害的安全儲備降低，大運量的長期運營也會加劇結(jié)構(gòu)狀態(tài)劣化，既有鋼橋的疲勞性能是否能滿足安全性要求，需要予以重視。另外，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，對能源的需求日益增長，我國將新建軸重30 t級的專用重載鐵路，鋼橋原有的構(gòu)造是否具備足夠的疲勞強度也值得探討。

綜上，在鐵路鋼橋的疲勞研究中，既需要針對新建鋼橋中不斷出現(xiàn)的新型構(gòu)造細節(jié)的疲勞性能進行研究，又需要針對既有鋼橋的疲勞壽命進行研究。本文試圖從鐵路鋼橋疲勞設(shè)計方法、設(shè)計荷載、性能試驗和壽命評估等角度出發(fā)，對鐵路鋼橋疲勞研究現(xiàn)狀進行分析，提出需要進一步研究的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 疲勞設(shè)計方法及規(guī)范的制定

1.1 疲勞設(shè)計方法

疲勞設(shè)計方法主要包括無限壽命設(shè)計、安全壽命設(shè)計、損傷容限設(shè)計、疲勞可靠性設(shè)計和通過疲勞試驗設(shè)計等［4－6］。目前，各國橋梁規(guī)范主要采用無限壽命設(shè)計和安全壽命設(shè)計方法進行疲勞設(shè)計。損傷容限設(shè)計是斷裂力學理論在工程設(shè)計中成功應(yīng)用的一種設(shè)計方法，各國航空設(shè)計、壓力容器和焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計已開始使用這種方法。隨著可靠性理論的不斷發(fā)展完善，疲勞可靠性設(shè)計法也逐漸應(yīng)用于鋼橋的疲勞設(shè)計中。

1)無限壽命設(shè)計法

無限壽命設(shè)計的目標是檢算部位在長期反復荷載作用下，不產(chǎn)生疲勞裂紋或即使已經(jīng)產(chǎn)生疲勞裂紋，但不會繼續(xù)擴展，判斷條件是最大應(yīng)力幅Δσmax小于疲勞極限Δσf。

在工程應(yīng)用中，一般根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的使用期限，確定合適的循環(huán)次數(shù)NL，規(guī)定構(gòu)件承受NL次應(yīng)力循環(huán)而不破壞的最大應(yīng)力為“條件疲勞極限”或“條件持久極限”。歐洲規(guī)范Eurocode 3［7］和我國的《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(2004)［8］規(guī)定，5×106次循環(huán)的疲勞強度ΔσD為等幅疲勞極限，采用ΔσD作為疲勞應(yīng)力幅評判標準，即最大應(yīng)力幅Δσmax＜ΔσD時，便不會導致疲勞。我國《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10002.2—2005)［9］和美國AREMA(2010)［10］則規(guī)定了2×106次循環(huán)的疲勞強度為評判標準。

可以看出，各國對于疲勞強度評判標準，并不統(tǒng)一，美國和我國將2×106次循環(huán)的疲勞強度作為評判標準，是基于當時的運輸狀態(tài)，認為橋梁壽命期內(nèi)的最大應(yīng)力循環(huán)次數(shù)不會超過2×106次。事實上，按照目前我國的運營狀態(tài)，已不止2×106次，尤其是影響線較短的橋面系桿件，在整個壽命期內(nèi)，運營次數(shù)已遠遠超過2×106次。鑒于此，我國提出了損傷修正系數(shù)，即在考慮實際車輛基礎(chǔ)上，將疲勞應(yīng)力幅換算至2×106次，仍以2×106次疲勞強度作為檢算標準。

2)安全壽命設(shè)計法

安全壽命設(shè)計的目標是結(jié)構(gòu)在指定使用期內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞，檢算應(yīng)力幅可以超過疲勞極限。安全壽命設(shè)計方法也是根據(jù)構(gòu)造細節(jié)的S－N曲線進行設(shè)計，與無限壽命設(shè)計法不同，安全壽命設(shè)計方法使用的是S－N曲線的左支，即考慮循環(huán)次數(shù)增加引起疲勞強度下降的情況，不同等級荷載下的疲勞應(yīng)力都應(yīng)考慮，并不像無限壽命設(shè)計方法僅考慮最大應(yīng)力。采用安全壽命進行疲勞設(shè)計時，一般采用Miner線性損傷累積理論來計算損傷度，保證損傷度在使用期內(nèi)＜1。我國《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中規(guī)定，既有橋梁分兩步進行疲勞評估，其中第二步的評估方法采用的即是安全壽命設(shè)計的思想。

3)損傷容限設(shè)計法

損傷容限設(shè)計是通過控制疲勞裂紋發(fā)展進行設(shè)計，目標是保證含裂紋構(gòu)件的安全。思路是認為構(gòu)件存在初始裂紋，通過無損探傷或者經(jīng)驗假定，確定合適的斷裂判據(jù)和疲勞裂紋擴展模型，預測指定時期內(nèi)裂紋的發(fā)展情況，以保證裂紋擴展不會引起結(jié)構(gòu)破壞。進行損傷容限設(shè)計時，需要制定適當?shù)臋z查程序和間隔周期，以及時發(fā)現(xiàn)裂紋，確保結(jié)構(gòu)安全。損傷容限設(shè)計允許構(gòu)件產(chǎn)生裂紋并擴展，但要確保在檢查周期內(nèi)裂紋不致擴展到引起結(jié)構(gòu)破壞的地步，與安全壽命設(shè)計法的思想一致，區(qū)別在于采用的計算方法不同，安全壽命設(shè)計法是基于S－N曲線，損傷容限設(shè)計法是基于斷裂力學。

4)疲勞可靠性設(shè)計法

前述三種疲勞設(shè)計方法都是基于應(yīng)力、疲勞強度或者裂紋長度、裂紋擴展模型等，相關(guān)參數(shù)都是確定的。然而，實際上這些參數(shù)都屬于不確定的數(shù)值，而是按照一定概率分布的函數(shù)。疲勞可靠性設(shè)計時，不但需要知道各參數(shù)的平均值，還要知道相應(yīng)的概率分布類型。通過分布類型獲得分布曲線，就可以得到強度超過應(yīng)力的概率，即構(gòu)件的可靠度。應(yīng)用概率統(tǒng)計理論，就可以在給定的可靠指標下進行結(jié)構(gòu)疲勞可靠性設(shè)計。

5)依據(jù)試驗設(shè)計

對于新型構(gòu)造細節(jié)，規(guī)范對其S－N曲線沒有規(guī)定，事先應(yīng)開展疲勞試驗，根據(jù)疲勞試驗結(jié)果進行設(shè)計。疲勞試驗的試件可以采用足尺節(jié)段模型，或者選擇局部關(guān)鍵構(gòu)造細節(jié)進行設(shè)計。為了能夠準確再現(xiàn)實際結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，材料、細節(jié)尺寸和制造方法應(yīng)與實橋相符。

1.2 疲勞設(shè)計規(guī)范的制定

1931年，德國設(shè)計規(guī)范制定了鋼橋焊縫的疲勞檢算方法。1936年，美國出版發(fā)行了《公路和鐵路焊接橋梁規(guī)范》，1947年在大量鋼橋焊接構(gòu)造疲勞試驗數(shù)據(jù)的支撐下，制定了《公路鐵路焊接橋梁技術(shù)規(guī)范》。之后，西德、前蘇聯(lián)、美國等國都對焊接鋼橋開展了疲勞研究，并制定了相關(guān)設(shè)計規(guī)范。1970年以后，美國對工字形焊接鋼梁展開了大量疲勞試驗，并于1977年修訂相關(guān)設(shè)計規(guī)范。英國于1980年頒布了BS 5400規(guī)范，其中的《鋼、混凝土和組合橋梁疲勞設(shè)計規(guī)范》反映了當時鋼橋疲勞研究的最新成果。同時，國際標準化組織(ISO)、歐洲鋼結(jié)構(gòu)學會(ECCS)和國際鐵路聯(lián)盟(UIC)也提出了鋼結(jié)構(gòu)的疲勞檢算方法。1990年以后，隨著鋼橋設(shè)計規(guī)范的進一步發(fā)展，歐洲規(guī)范Eurocode 3和美國公路橋梁規(guī)范AASHTO均引入了基于S－N曲線的疲勞可靠性設(shè)計方法，通過引入荷載分項系數(shù)、疲勞抗力分項系數(shù)等實現(xiàn)了疲勞可靠性設(shè)計［11］。

我國規(guī)范中鋼橋疲勞設(shè)計主要經(jīng)歷了3個階段: 第1階段是統(tǒng)一安全系數(shù)下的容許應(yīng)力設(shè)計法，以1951年，1959年設(shè)計規(guī)范為代表;第2階段是分細節(jié)的容許應(yīng)力設(shè)計法，以1975年，1986年和1996年的規(guī)范為代表;第3階段是考慮累積損傷的分細節(jié)容許應(yīng)力設(shè)計法，以1999年，2005年規(guī)范為代表。在疲勞可靠性設(shè)計方面，自1984年以來，鐵科院在大量試驗、調(diào)查和分析的基礎(chǔ)上，對鋼橋的疲勞可靠性開展了研究，于1991年提出了《鐵路鋼橋可靠度疲勞設(shè)計規(guī)范(建議稿)》。自2010年鐵路部門開始對鐵路橋涵極限狀態(tài)設(shè)計法進行深入研究，并于2014年正式發(fā)布了《鐵路橋涵極限狀態(tài)法設(shè)計暫行規(guī)范》(Q/CR 9300—2014)。目前，正積極推進相關(guān)研究的進一步發(fā)展。

2 疲勞設(shè)計荷載及相關(guān)參數(shù)

2.1 疲勞設(shè)計荷載

20世紀70年代以前，各國在進行鋼橋疲勞設(shè)計時，采用與靜力強度設(shè)計相同的活載。不僅簡單明了，具有足夠的安全余量，還避免了繁瑣的調(diào)查統(tǒng)計工作，在很大程度上減輕了設(shè)計計算的工作量。然而，鋼橋疲勞是在不同類型車輛荷載反復作用下，逐步損傷累積的過程，因此，采用實際車輛進行鋼橋疲勞設(shè)計，會使結(jié)果更為準確。于是，英國和美國對疲勞車輛荷載進行了研究，提出疲勞荷載的研究方法以及計算模型。根據(jù)研究成果，BS 5400橋梁設(shè)計規(guī)范［12］、Eurocode設(shè)計規(guī)范［13］和AASHTO橋梁設(shè)計規(guī)范［14］等，都明確規(guī)定了用于鋼橋疲勞設(shè)計和壽命評估的疲勞荷載譜。由于各國的國情與運輸情況不同，疲勞荷載譜也相應(yīng)有所差別。20世紀80年代，鐵科院對我國17個編組站的列車編組情況進行了調(diào)查，經(jīng)統(tǒng)計分析后，制定了三級運量的典型疲勞列車，在《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(2004)中進行了具體規(guī)定;并于2008年對全國54條干線的年運量、運營列車的編組情況進行調(diào)研，制定了新形勢下四級運量的典型疲勞列車［15］，為我國采用實際車輛進行疲勞設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

2.2 相關(guān)參數(shù)

在進行疲勞設(shè)計時，針對作用力和抗力還應(yīng)分別考慮動力系數(shù)、損傷修正系數(shù)、疲勞多線系數(shù)、次應(yīng)力修正系數(shù)和板厚修正系數(shù)等相關(guān)參數(shù)。

2.2.1 動力系數(shù)

在進行鋼橋疲勞應(yīng)力譜計算時，雖然各國規(guī)范對動力系數(shù)的取值均不相同，但都認為疲勞計算采用的動力系數(shù)應(yīng)與靜力強度計算采用的不同。AASHTO規(guī)定，疲勞驗算的動力系數(shù)1.15。BS 5400規(guī)定一般情況不考慮動力系數(shù)，當檢算部位位于伸縮縫前后5 m的區(qū)段內(nèi)，則應(yīng)考慮動力系數(shù);Eurocode 1在制定疲勞車的軸重時，就考慮了動力系數(shù)。我國《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10002.2—2005)和《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(2004)對于該取值分別進行了不同的規(guī)定。設(shè)計規(guī)范中的動力系數(shù)僅適用于跨度為168 m以下的桁梁和40 m以下的板梁，且列車運營速度最大為160 km/h;檢定規(guī)范中的動力系數(shù)也僅適用于200 km/h以下的運營速度。隨著我國橋梁建造技術(shù)的不斷進步，已建成了大量跨度超過168 m的鋼橋，速度也達到了350 km/h，目前規(guī)范規(guī)定的動力系數(shù)(疲勞)是否依然適用于超大跨度橋梁的設(shè)計，需要展開相關(guān)的研究。

2.2.2 損傷修正系數(shù)

為減少計算工作量，通過考慮設(shè)計使用年限內(nèi)實際車輛與設(shè)計荷載之間的差異，并將壽命期內(nèi)應(yīng)力幅換算至驗算點，制定了不同跨度(影響線長度)橋梁的損傷修正系數(shù)。在進行設(shè)計時，只需計算設(shè)計荷載下的疲勞應(yīng)力幅，采用損傷修正系數(shù)對計算應(yīng)力幅進行修正，將設(shè)計荷載下的應(yīng)力幅轉(zhuǎn)化為實際車輛荷載下的應(yīng)力幅;這樣一方面減小了設(shè)計工作量，另一方面又使疲勞檢算結(jié)果更加準確。我國《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10002.2—2005)規(guī)定的損傷修正系數(shù)，設(shè)計荷載是中—活載圖式，疲勞車輛是在20世紀80年代實際車輛調(diào)研的基礎(chǔ)上，考慮了2000年后新增加的雙層集裝箱制定的。由于當時我國鐵路運輸以客貨共線鐵路為主，所以損傷修正系數(shù)的取值是通用的。如前所述，我國運輸格局已經(jīng)發(fā)生了較大變化，線路功能相應(yīng)有所區(qū)分，損傷修正系數(shù)必然有所差異。所以目前損傷修正系數(shù)的取值已無法反映實際運輸狀態(tài)，需要展開相關(guān)研究工作，制定適用于新運輸形勢下的損傷修正系數(shù)，以保證新橋設(shè)計、舊橋評估的準確性。

2.2.3 疲勞多線系數(shù)

對于多線鐵路，由于各線列車活載同時作用于橋上的概率很小，考慮列車在橋上相遇的概率和次數(shù)而引入多線系數(shù)，對采用一線加載的計算應(yīng)力幅進行修正。我國《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10002.2—2005)對雙線系數(shù)進行了規(guī)定。目前我國新建成的鐵路橋梁已多達6線，如南京大勝關(guān)長江大橋、重慶白沙沱長江特大橋等。近年來，鐵科院對疲勞檢算多線系數(shù)進行了系統(tǒng)研究，得到了規(guī)律性認識，結(jié)合多座橋梁的工程應(yīng)用實踐，提出了通用的多線系數(shù)計算方法。并針對近年鐵路鋼橋結(jié)構(gòu)特點，系統(tǒng)分析了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式和不同運營條件下的多線系數(shù)特征，研究提出了客貨共線、客運專線和貨運專線疲勞多線系數(shù)(見表1)，可供鐵路橋梁相關(guān)規(guī)范修訂時參考［16］。

2.2.4 次應(yīng)力修正系數(shù)

目前，大型橋梁設(shè)計主要采用建立全橋有限元空間模型的方法進行計算。有些橋梁由于節(jié)點剛度大，彎曲次應(yīng)力較大，根據(jù)常規(guī)彎曲應(yīng)力與軸向應(yīng)力直接疊加的計算方法，疲勞應(yīng)力幅已遠超過了疲勞容許應(yīng)力幅。于是研究人員開始追問構(gòu)件在彎曲應(yīng)力下的疲勞性能是否與軸向應(yīng)力下的相同，如果不同，疲勞應(yīng)力是否有可能折減?2007年，鐵科院開展了兩種受力狀態(tài)下箱形桿件隔板焊縫試件(圖1)的疲勞試驗［17］，對其疲勞性能進行對比分析。研究表明，彎曲應(yīng)力下試件的疲勞性能優(yōu)于軸向應(yīng)力下的疲勞性能。在桿件同時承受軸向應(yīng)力和彎曲次應(yīng)力作用時，可以對彎曲次應(yīng)力予以折減，折減系數(shù)建議取0.65。該研究成果對鋼橋構(gòu)造細節(jié)的疲勞檢算意義重大。在后續(xù)研究中，可以對其他類型的構(gòu)造細節(jié)展開類似試驗，進一步驗證次應(yīng)力修正系數(shù)的通用性。

表1 不同鋼橋結(jié)構(gòu)形式和運營特征條件下多線系數(shù)的取值建議

圖1 箱形桿件隔板焊縫彎曲試件

2.2.5 板厚修正系數(shù)

通常鋼板厚度越大，存在缺陷的可能性也越大，疲勞強度越低，因此，各國規(guī)范均引入板厚修正系數(shù)對厚板構(gòu)造細節(jié)的疲勞強度予以折減。我國《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10002.2—2005)也有相應(yīng)規(guī)定，對板厚＞25 mm的厚板構(gòu)造細節(jié)，提出了板厚修正系數(shù)的計算公式;但是隨后的一些研究發(fā)現(xiàn)，該公式對于某些構(gòu)造細節(jié)需要進一步細化。鐵科院于2007—2012年間對箱形桿件隔板焊縫構(gòu)造(圖2)開展了大量疲勞試驗［18－20］，涉及的板厚組合包括50 mm+ 14 mm(主板+隔板)，24 mm+14 mm，50 mm+20 mm，19 mm+19 mm和20 mm+16 mm等。結(jié)果表明，對于該構(gòu)造疲勞強度與板厚并不明顯相關(guān)，有些情況下，主板厚的構(gòu)造疲勞強度反而要高一些，這是由于主板越厚焊接對其的損傷就越小，而且對于該構(gòu)造主要是主板在受力，隔板只作為附連件焊接于主板，并不參與受力。因此，若出現(xiàn)類似構(gòu)造細節(jié)，建議進行疲勞試驗，以驗證是否需要采用板厚修正系數(shù)對其疲勞強度予以折減。

圖2 箱形桿件隔板板厚系數(shù)試件

3 構(gòu)造細節(jié)疲勞性能試驗

1966—1974年期間，美國Lehigh大學對531根大型焊接鋼梁進行了疲勞試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，確定了一些典型構(gòu)造細節(jié)的S－N曲線，奠定了鋼橋構(gòu)造細節(jié)疲勞設(shè)計的基礎(chǔ)。1974年，J.W.Fisher提出鋼橋焊接構(gòu)造的疲勞性能取決于應(yīng)力幅Δσ，而與鋼材的強度指標、最大應(yīng)力和應(yīng)力比無關(guān)。此后，英國、法國、德國、日本和加拿大等國也開展了相關(guān)的疲勞試驗，驗證了J.W.Fisher的結(jié)論。這一結(jié)論隨后被世界各國研究人員接受，并應(yīng)用于橋梁鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)范中［21］。

我國在1965—1970年建設(shè)成昆鐵路時，開展了栓焊鋼梁構(gòu)造細節(jié)的疲勞試驗，為1975年鐵路鋼橋設(shè)計規(guī)范的制定奠定了基礎(chǔ)。1997年，鐵科院對蕪湖長江公鐵兩用大橋的關(guān)鍵構(gòu)造細節(jié)進行了疲勞試驗，初步形成了分細節(jié)、基于容許應(yīng)力幅的鐵路鋼橋疲勞設(shè)計方法，并納入我國鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。2000年以來，鐵科院以武漢天興洲公鐵兩用大橋、蘇通大橋、南京大勝關(guān)長江大橋、重慶菜園壩長江大橋、鄭州黃河大橋、安慶長江大橋、銅陵長江大橋等多座新建大跨度鐵路橋梁為工程背景，對各類新型構(gòu)造細節(jié)進行了系統(tǒng)的疲勞性能試驗研究，為現(xiàn)行規(guī)范的更新提供了豐富的試驗數(shù)據(jù)。

3.1 主桁桿件構(gòu)造細節(jié)疲勞性能試驗

大跨度鋼橋主桁桿件常見的構(gòu)造細節(jié)主要包括箱梁弦桿棱角焊縫承受正應(yīng)力構(gòu)造、箱梁豎板與平聯(lián)節(jié)點板連接構(gòu)造、箱梁蓋板與平聯(lián)節(jié)點板連接構(gòu)造、主桁弦桿橫隔板附連件構(gòu)造、箱形斜桿節(jié)點外焊接時腹板與蓋板焊接交叉部位過焊孔構(gòu)造、箱形桿件腹板與整體節(jié)點熔透焊縫端部構(gòu)造、下弦整體節(jié)點焊縫向桿件棱角焊縫過渡構(gòu)造、斜拉索錨板剪切焊縫構(gòu)造、橫隔板與縱肋交叉焊構(gòu)造等。主桁桿件常見構(gòu)造細節(jié)的疲勞S－N曲線見圖3。

圖3 主桁桿件構(gòu)造細節(jié)疲勞S－N曲線

由圖3可知，斜拉索錨板剪切焊縫構(gòu)造(構(gòu)造8)的疲勞強度最低，其200萬次疲勞強度為51.6 MPa，該構(gòu)造在實橋中本身的應(yīng)力幅較小，以某跨度1 092 m的斜拉橋為例，在中—活載設(shè)計荷載下，錨拉板的最大應(yīng)力幅值為28 MPa，所以認為該構(gòu)造的設(shè)計是合理的。作為主桁桿件構(gòu)造細節(jié)，箱形斜桿節(jié)點外焊接時腹板與蓋板焊接交叉部位過焊孔構(gòu)造(構(gòu)造5)200萬次疲勞強度較低，為69.9 MPa。而主桁桿件其他構(gòu)造的疲勞強度最低為82 MPa，該構(gòu)造將主桁桿件的疲勞容許應(yīng)力降低約15% ，是控制設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)。

3.2 橋面系構(gòu)造細節(jié)疲勞性能試驗

橋面系常見的構(gòu)造細節(jié)主要包括正交異性橋面板工地不等厚對接焊構(gòu)造、正交異性鋼板面板槽形閉口肋嵌補段對接焊構(gòu)造、橋面系栓焊組合接頭構(gòu)造。橋面系各種常見構(gòu)造細節(jié)的疲勞S－N曲線見圖4。

由圖4可知，正交異性橋面板工地不等厚對接焊構(gòu)造(構(gòu)造1)，在不等厚坡度比例滿足規(guī)范的條件下，不打磨時其疲勞強度僅為67.9 MPa，較打磨后的疲勞強度低44% 。設(shè)計時要嚴格按規(guī)范規(guī)定進行打磨處理，以保證其疲勞強度。另外，栓焊混合焊接與栓接在同一平面構(gòu)造(構(gòu)造3)的200萬次疲勞強度僅為39.3 MPa，需要進行優(yōu)化。

3.3 主桁與橋面系連接構(gòu)造細節(jié)疲勞性能試驗

主桁與橋面系連接常見構(gòu)造細節(jié)主要包括橫梁端部負彎矩區(qū)翼緣與主桁整體節(jié)點焊接、橫梁與整體節(jié)點十字對接焊縫、橋面板與箱形桿件整體節(jié)點處蓋板焊縫承受縱向力構(gòu)造、橋面板與箱形桿件整體節(jié)點處蓋板焊縫承受橫向力構(gòu)造、弦桿蓋板與橋面板不等厚十字對接焊構(gòu)造等。主桁與橋面系連接常見構(gòu)造細節(jié)的疲勞S－N曲線見圖5。

圖4 橋面系構(gòu)造細節(jié)疲勞S－N曲線

圖5 主桁與橋面系連接構(gòu)造細節(jié)疲勞S－N曲線

由圖5可知，當應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達到200萬次以上時，與其它同類構(gòu)造相比，橫梁與整體節(jié)點十字對接焊縫(構(gòu)造2)的疲勞強度與其它同類構(gòu)造相比，明顯偏低，需要予以重視。

4 疲勞壽命評估

疲勞壽命評估主要有基于S－N曲線和基于斷裂力學兩種方法。隨著可靠性理論的發(fā)展，將該理論引入到上述兩種評估方法中，也逐漸開始受到各國學者的重視［22］。

基于S－N曲線的疲勞壽命評估方法原理簡單，操作方便，易于理解。在確定疲勞細節(jié)和壽命期內(nèi)荷載譜之后，評估即可進行，目前各國規(guī)范多采用該方法進行疲勞評估。但是采用設(shè)計S－N曲線進行評估時，由于設(shè)計S－N曲線考慮了一定的安全系數(shù)，導致該方法的評估結(jié)果偏于保守。另外，對于年代久遠的橋梁，由于其歷史荷載譜的殘缺造成壽命評估存在一定的困難。

基于斷裂力學的疲勞壽命評估方法承認初始缺陷的存在，評估的立足點是結(jié)構(gòu)的目前狀況，對于無法獲知受載歷史的既有鋼橋的剩余壽命評估意義重大。但是，對于栓焊鋼橋，評估位置處應(yīng)力強度因子、臨界裂紋尺寸、裂紋擴展模型的確定還有一定的困難。例如，目前應(yīng)力強度因子手冊中僅對簡單的裂紋給出了應(yīng)力強度因子計算公式，而栓焊鋼橋中存在較多復雜構(gòu)造細節(jié)且受力狀態(tài)復雜，導致應(yīng)力強度因子的計算存在一定難度。再如，某些裂紋起始于焊縫最終發(fā)展向母材，某些構(gòu)件開裂后可能會發(fā)生應(yīng)力重分布致使裂紋并不會進一步擴展，螺栓預緊力也對疲勞裂紋擴展速率有一定減緩作用等;計算中要考慮這些因素還有一定難度。另外，臨界裂紋尺寸與材料的斷裂韌性有關(guān)，而不同規(guī)格的橋梁鋼和焊縫的斷裂韌性國內(nèi)還未見有規(guī)范規(guī)定取值。對于疲勞裂紋擴展模型中參數(shù)的取值，各國學者的研究結(jié)論也各不相同。所以要采用斷裂力學進行疲勞壽命評估，還需要進行長期細致深入的研究。此外，采用斷裂力學進行評估，要涉及到復雜的力學模型和計算公式，在今后的研究中，應(yīng)著力于制定一種簡便易用的評估方法。

基于可靠性理論的疲勞壽命評估方法認為疲勞荷載和構(gòu)造細節(jié)的疲勞抗力曲線都不是確定的數(shù)值，而是符合一定概率分布的隨機變量，該方法將可靠性理論引入疲勞荷載和疲勞抗力曲線的確定中，以數(shù)理統(tǒng)計和概率論為基礎(chǔ)，避免了一些人為因素，能夠更客觀、實際地反映疲勞壽命，是疲勞壽命評估的發(fā)展方向之一。有些學者采用指定次數(shù)下疲勞作用力與抗力關(guān)系的極限狀態(tài)方程，有些學者采用壽命極限狀態(tài)方程，對于兩種極限狀態(tài)方程的差異，或者哪個方程更為科學，目前還沒有定論。另外，對于目標可靠指標的確定，既有橋與新建橋取值是否應(yīng)該一致，或者既有橋的指標能否適當降低，降低到什么程度。這一系列的問題，仍需要繼續(xù)開展大量的資料調(diào)研及深入研究。

綜上，建議鐵路鋼橋疲勞壽命評估主要采用基于S－N曲線的方法，并結(jié)合可靠性的方法得到較為科學的結(jié)論。另外，對于某些已開裂的非關(guān)鍵部位，在應(yīng)力強度因子和斷裂韌性能夠確定、且疲勞擴展模型經(jīng)過驗證的情況下，可以采用基于斷裂力學的方法來制訂相應(yīng)的檢修周期。

5 結(jié)語

1)在疲勞設(shè)計方法方面，針對目前采用的幾種疲勞設(shè)計方法，包括無限壽命設(shè)計法、安全壽命設(shè)計法、損傷容限設(shè)計法、疲勞可靠性設(shè)計法以及依據(jù)試驗設(shè)計法等，本文介紹了其基本思路和應(yīng)用條件。指出目前各國設(shè)計規(guī)范采用的是無限壽命設(shè)計法，但是疲勞強度評判標準有所區(qū)別，有些國家以5×106次疲勞強度為驗算點，有些國家以2×106次疲勞強度為驗算點。另外，對國內(nèi)外疲勞設(shè)計規(guī)范的制定歷程進行了簡要介紹。

2)在疲勞設(shè)計荷載及相關(guān)參數(shù)方面，回顧了國內(nèi)外的研究歷程，對動力系數(shù)、損傷修正系數(shù)、疲勞多線系數(shù)、次應(yīng)力修正系數(shù)以及板厚修正系數(shù)等相關(guān)參數(shù)作了介紹。指出在新的運輸形勢下，對各疲勞設(shè)計參數(shù)的制定中，需要進一步研究的技術(shù)問題。

3)在構(gòu)造細節(jié)疲勞性能試驗方面，回顧了國內(nèi)外的研究歷程，介紹了鐵科院近年來在疲勞試驗方面的研究成果，指出了需要予以重視的構(gòu)造細節(jié)，包括箱形斜桿節(jié)點外焊接時腹板與蓋板焊接交叉部位過焊孔構(gòu)造、栓焊混合焊接與栓接在同一平面構(gòu)造、橫梁與整體節(jié)點十字對接焊縫等。

4)在疲勞壽命評估方面，對目前采用的幾種疲勞壽命評估方法，包括基于S－N曲線和基于斷裂力學的方法進行研究分析。建議在目前的技術(shù)狀態(tài)下，進行疲勞壽命評估時，采用基于S－N曲線的疲勞壽命評估方法，并結(jié)合可靠性方法得到較為科學的結(jié)論。對于某些已開裂的非關(guān)鍵部位，在計算參數(shù)易于確定的情況下，可以采用斷裂力學的方法來制訂相應(yīng)的檢修周期。此外，在疲勞壽命可靠性評估中，建議對疲勞壽命評估極限狀態(tài)方程和目標可靠指標進行深入研究;在基于斷裂力學的壽命評估中，應(yīng)著力研究制定一種簡便易用的評估方法，避免在設(shè)計和評估中進行大量復雜的數(shù)學運算。

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Development of fatigue research on railway steel bridges

LIU Xiaoguang1，2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High－speed Railway，Beijing 100081，China)

In recent years，change happened in China's railway transportation pattern.On the one hand，a number of high speed railways have been built.The span of the railway steel bridge kept increase.At the same time，a large number of new structural details emerged.On the other hand，the existing railway used for passengers and freight will gradually give priority to freight transportation.Steel bridge is faced with the challenges of the increase of axle load and traffic volume.In addition，our country will build special heavy haul railway carrying axle load up to 30 t.W ith significant increase in axle load，the fatigue problem of structural details of steel bridge is getting more and more serious.Fatigue has always been an important subject in the research field of steel bridge.In the new transport situation，fatigue design of the new structural details and fatigue assessment of the existing steel bridges have become one of the issues that need to be paid more attention.In this paper，from the aspects of fatigue design methods，design load，performance test and life assessment of railway steel bridge，the current status of fatigue in railway steel bridge is analyzed and the key technical problems that need to be further studied are put forward.

Railway steel bridge;Fatigue design load;Fatigue performance;Fatigue life assessment

U441+.4

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.04

(責任審編 孟慶伶)

1003－1995(2015)10－0019－07

2015－08－31;

2015－09－10

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2013G010－A)

劉曉光(1961—)，男，研究員，博士。