現有鐵路橋疲勞可靠性的評價

張　薇

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

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現有鐵路橋疲勞可靠性的評價

張薇

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

摘要：通過檢測橋梁的重要構件，程序系統可對現有鐵路橋的疲勞可靠性和剩余疲勞壽命進行評價。關鍵部位的構件從感受最大應力幅度的那些材料中被選擇出來，比對應的忍耐力在二百萬個周期還要高。一個改善構件疲勞強度的方法正在被實施。對應的疲勞試驗正被實施，為了核實合格的構件種類，對于這特殊細節和已修復的構件。通過現在推薦的程序，比較各種不同的圖解結果也正在被獲得到。以下被發現：簡單確定性的程序可以適應十分相符合的信息在可接受準確性的剩余疲勞壽命的橋上。

關鍵詞：可靠性水平；剩余疲勞壽命；乘客流量；重合率；改進方法；疲勞測試

1概述

一些倒塌的橋是由于疲勞裂縫引起的，當此疲勞裂縫增大到一定程度時，將引起鋼橋的構件破壞，這引起了有關評價鋼橋剩余疲勞壽命人員的廣泛興趣。評估鋼橋疲勞損壞的技術正在被許多研究人員探索。不同于公路橋應用的活荷載在鐵路橋可被明確地描述，活荷與恒荷的比值是很高的。同時，服務負荷效果通常選擇于接近設計強度，這可能引起嚴重疲勞負荷情況。

確定性程序被廣泛地運用于評估結構疲勞損壞的情況，但是概率性程序是以可靠性理論為基礎，最近也被更多運用到更合理的評價疲勞損害中。使用現有結構疲勞理論，以可靠性評價概率性基礎為背景的疲勞破壞和發展的可靠性基礎依據，為抵抗疲勞的設計方案[1]。在20世紀80代早期，斷裂力學研究方法正在被應用在疲勞裂縫的增長上。各種不同確定性程序和概率性程序也已經被提議為S-N曲線分析。這次研究的橋有3跨3個單元，平行弦桁架主跨跨度為90-90-90m，板梁橋的引道布置在橋的兩邊。橋縱斷面見圖1。

a)全貌圖

b)主跨圖

因為考慮過橋在它的15a服務期過后，在橋面構造上被發現有疲勞裂縫，它的安全性關聯著城市的治理。因此，對全部結構進行安檢和以疲勞壽命為主要構件的桁架和板梁的跨度正在被評估。應當嚴格檢查橋梁構件，特殊是一些連接了橫撐的上弦構件，有特殊細節的節點板不合格可能是制造業引起的。因此這樣的構件不能被使用，應當用對應的疲勞試驗核實后再用適當的種類。即使附加一些修復的細節也要經過疲勞試驗。

2預測疲勞壽命

疲勞壽命的預測方式以S-N曲線為基礎，主動繪制疲勞裂縫的平面圖，如N是應力范圍的一個函數△σi， S-N曲線通常被理想化，如線狀或雙線性函數。線狀關系能用下面的方程式表示如下：

△σm·N=C

(1)

式中：C為一個給定材料和疲勞狀態的常數；指數M為一個物質的參數，其范圍2~4。

疲勞荷載通常包含可變振幅應力循環。因此，線狀的累積疲勞palmgren-miner的損壞規則廣泛地被應用到評估累積疲勞損壞中：

(2)

式中：ni為△σi應力范圍中的周期數字；Ni為在重復恒定應力△σi作用下的疲勞壽命，其強調的范圍在結構組成部分△σi中。在這個關系中，疲勞損壞被假定為線狀累積和疲勞損壞，由于每個應力范圍是成比例的，對于特殊的應力幅度來說。

其中K(k=1，2，3，…，K)列車的類型是在橋上進行交通服務，跨越橋的kth列車的數目一年的數目為nk1個，其中疲勞壽命Yr初步可用下面的計算式為：

(3)

3荷載模型

估測疲勞壽命是基于所獲得的應力作用范圍及應力作用時間下，通過感應那些運行的地鐵所獲得。對于正確評價疲勞可靠性，適當的活荷載模型是必須的。在這一部分，所用的程序決定所承擔的活荷載是能被顯示的。一列列車包括10個車廂，列車車廂的側面圖見圖2。地鐵車廂的布置見表1，空車廂與裝滿旅客的車廂的行車重量見表2。

圖2　車廂的側面圖

車廂號車廂安排10T0-M1-M2-M1-M2-T-T-M1-M2-T0

表2　行車的重量　t

在分析橋梁的狀態時，有很多不確定的要素，但是在這一項研究中，僅僅不確定的乘客流量也被考慮進去。然而，結構要素的應力反應一方面被適當的假定為在荷載測試結果區域下被標定為恰當的。乘客運量被定義為乘客的數量與規定的乘客容量的比值。一般劃定為160人。一個旅客的平均重量假定為60 kg，最大的旅客運量被假定為240%。列車的總重量是列車的自重與旅客的重量之和。相應地，由于旅客運量的變化而導致列車運行時的壓重被任意的改變，從而影響到橋梁構件的應力作用范圍。那概率性的旅客運量被考慮在載重模型中。圖3(a)是旅客運量的柱式圖解。圖3(b)是概率分布由頻率統計曲線圖導出的。評估橋的剩余疲勞壽命的各種不同的程序現在也已被分別使用，它依靠荷載模型被分類開。

1)第1個方式為簡單性程序：使用以乘客運量的柱式圖解建立在以真正的數據上，來核算累積疲勞破壞。可容許的疲勞破壞從被給定的荷載作用周期的可容許的應力作用幅度中來評估。而且過去一直用此方式評估剩余疲勞壽命。

2)第2個方式為概率性程序。使用假定的建立在獲得頻率統計曲線和假定的概率模型的乘客運量的概率分布模型中，是疲勞破壞系數用來評估剩余疲勞壽命的用來預定可靠性水平。

3)第3個方式為確定性程序。使用載重模型。列車頻繁的運行而最終導致材料的疲勞破壞。載重模型被從相等的旅客運量中獲得，是平均值和標準偏差旅客運量分布的總和。在所有的那些程序中，旅行頻率也被考慮在確定性的程序當中了。

自從鐵路橋雙車道交通系統開放之后，二列列車可能在相反的方向上(向南或向北)同時通過橋面的同一個位置，二列列車產生不同的應力作用時間和結果，每個重合的位置都會產生不同的應力作用范圍。模擬這種巧合情況，巧合區域被劃分為5個區間之內。因為列車有10個車廂，而且總長度接近200 m,考慮橋的部分有三跨桁架而且另外兩個在兩者的邊上足有100 m的跨度，如圖4所示。在車站交通時刻表中，列車在橋的兩端被模擬的重合點。列車被假定為從每個測站開始，在30s之內或早或晚的比精確值。每列火車出發的時刻完全相同地也被統一地安排在假定的范圍里。

頻率(數字)　 旅客運量(%)　 頻率　乘客運量(%)

圖4　列車在橋上的巧合區域

在單車道乘客的運量巧合情況通過給定的巧合位置與考慮的時間來確定用第一個與第二個方法。那時，在單車道交通里，乘客運量的重合情況通過考慮的時間和重合的位置及乘客平均運量來獲得，評價乘客運量的重合區是一致的，因為兩列車的重合大部分都發生在高峰時間內。第3種方式沒有考慮列車相遇這種情況。

評估橋梁的剩余疲勞壽命，在分析中應該包含將來旅客運量和未來的交通量這樣兩種情況。假定交通運量同現在一樣，只不過隨著乘客的增加將會影響列車的載重量。在前一個時期，發現旅客運量以每年大約以4%的速率增加。然而隨著新式交通系統的產生，將來列車的最大限度的容納乘客的能力與將來乘客增長率將會減少。

3個不同的增量模型，例如線狀、逐段線性、指數的模型都適用于將來乘客數目的增加見圖5(a)。旅客運量的增量上限值為90%。因此可以通過將來達到旅客運量的分配方式來改變當前的旅客運量的分配方式，如圖5(b)所示。通過對照概率性的程序，每個模型都要對比剩余疲勞壽命來評估。逐段線性模型主要用來分析所有的程序。

4動力試驗和模擬檢定分析

在三跨度連續平行弦桁架橋上的中間部位，動力試驗已經被應用于此。分析的模擬結果在測量時已被校正。專業試驗已經運用兩種不同的類型試驗去做：常態操作速率試驗和各種不同的等速率測試。常態速率試驗在白天期間被實行，特殊的，在高峰時刻要考慮最大的載重效果。在晚上，交通被關閉，空列車以預先指定的等速率運行在橋面上。從正常速率試驗來看，以各種不同載重情況的歷次作用次數上獲得單車道交通與雙車道交通有相同的巧合率。從等速率試驗來看，動態的作用效果在運行速率中已經被證實。

結構分析以有限的元素模型來做指導。在相同的載重情況下，挑選應力作用次數大的構件。圖6顯示的是應力作用次數的例子，它通過專業計量和FE分析獲得。數字模擬通過增加糾正的要素來檢驗。校正的要素通過動態專業測試的結果與FE分析的結果比較而獲得。疲勞累積破壞(c)與最大限度應力幅度(△σ)通過列車的一個通道來檢測決定要校正的要素。經發現，使用最大限度應力作用的范圍能收益更多符合的結果比使用累積疲勞破壞的。應力幅度問題由正確的應力作用時間的頻譜分析來做指導，這種方法已經被廣為人知。

圖5　乘客運量的增加模型

圖6　應力作用的時間記錄

參考文獻：

[1]潘際炎.鐵路橋梁設計中的疲勞可靠性理論[J].鋼結構，1995(01)：1-8.

[作者簡介]張薇(1982-)，女，內蒙古呼倫貝爾人，工程師。

[收稿日期]2015-04-24

中圖分類號：U448.36

文獻標識碼：B

文章編號：1007-7596(2015)08-0074-03