铁路客货分线后桥梁的疲劳损伤分析及寿命评估

王丽，张玉玲，崔鑫，荣振环

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

铁路客货分线后桥梁的疲劳损伤分析及寿命评估

王丽，张玉玲，崔鑫，荣振环

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

随着客运专线的建设和完善，实施客货分线，即将客运流量全部转移到客运专线上，既有线集中承担货物运输已成为铁路运输的发展趋势。本文以胶济线为研究对象，针对该线路客货分线后桥梁的疲劳损伤及寿命进行评估。在现有典型疲劳列车的基础上制定了分线后的疲劳列车，采用大型计算软件STAAD/PRO计算得到了疲劳列车的跨中弯矩历程，采用自编雨流统计程序得到弯矩谱，依据Miner线性累积损伤原理，进行桥梁的损伤分析及寿命评估，得到了分线后桥梁的累积损伤度、剩余寿命和寿命折减程度。

客货分线 桥梁 疲劳损伤 疲劳寿命

针对我国主要铁路干线在客货共线模式下，运能十分紧张，客运快速和货运重载难以兼顾，无法满足客货运输的需求，影响运输质量的提高。2004年国务院批准的我国《中长期铁路网规划》，提出实施客货分线。本文针对国内已实行客货分线的胶济线，对其桥梁状况及列车运营情况进行调研，制定了分线前后的疲劳列车。根据Miner线性累积损伤原理，分别采用ECCS(欧洲钢结构协会)规范和国内疲劳试验制定的疲劳曲线，对线上图号为叁标桥1023、1024和专桥1013的普通钢筋混凝土梁，进行疲劳损伤分析及寿命评估。

1 线路运输状况调研

胶济线1988—2007的年运量曲线见图1。从图中可以看出，货运年运量整体呈增长趋势，尤其从2005年以后，年运量显著增加。依据图中趋势线推算，2009年年运量可达5 754万t、2014年达6 439万t、2019年达7 124万t、2024年达7 810万t［1］。

2 分线前后典型疲劳列车的制定

2.1 分线前典型疲劳列车的制定

依据2003年的调研资料，制定该线疲劳列车时，疲劳车辆模式仍沿用《疲劳荷载研究——全国疲劳车辆与疲劳列车制定》报告中的6C，6P，5G，6N，货运机车和客运机车为DF4型，客车轴重为15.4 t，见表1。

图1 胶济线年运量趋势

2.2 分线后典型疲劳列车的制定

依据2009年的调研资料，分线后23 t轴重的C70型敞车已投入运营。各种车型的载重量、节数较分线前有所增加。疲劳车辆模式在沿用6C，6P，5G，6N基础上增加7C，7P，货运机车仍为DF4型。分线后疲劳列车组成及运营情况见表2。

2.3 远期疲劳列车的预测

随着经济的发展，轴重23 t的C70型敞车和轴重25 t的P70型棚车取代原有敞车和棚车是我国铁路发展的必然趋势。故制定远期的疲劳列车组成时，假定从2014年开始，每5年C70和P70取代原有车辆的25%，直至2024年该线上所有6C，6P都被7C，7P所取代。然后依据图1中年运量趋势线，对日运营次数进行修正。远期疲劳列车组成预测见表3至表5。

表1 分线前疲劳列车组成及运营表(2003年统计数据)

表2 分线后疲劳列车组成及运营表(2009年统计数据)

表3 分线后年运量6 434万t疲劳列车组成及运营表(2014年—2018年)

表4 分线后年运量7 124万t疲劳列车组成及运营表(2019年—2023年)

表5 分线后疲劳列车组成及运营表(2024年—)

3 桥梁疲劳损伤分析及寿命评估

以往的研究表明，混凝土桥梁跨中上翼缘混凝土的疲劳损伤远小于梁跨中下排主筋的疲劳损伤，可以认为混凝土桥梁的疲劳寿命由下排主筋控制。钢筋混凝土桥梁钢筋应力水平和混凝土应力幅均比预应力混凝土桥梁大，疲劳问题比预应力桥梁突出［2-3］。本文主要针对普通混凝土梁的最下排钢筋进行疲劳损伤度分析和寿命评估。

3.1 理论基础

结构的疲劳抗力性能是以疲劳抗力曲线的形式表现的。对结构构件或试件进行大量的常幅疲劳试验，将疲劳试验数据进行线性回归分析，可得到不同保证率的疲劳抗力曲线，即S—N曲线，用表达式表示如下［4］

式中，ΔσR为应力幅;N为应力幅循环次数;C和m为常数。

假定在应力幅水平为Δσi时，经过Ni次循环发生疲劳破坏，则由(1)式可得

式中A为常数。

桥梁在实际列车作用下得到的应力谱是变幅的，而S—N曲线是在等幅应力下得到的，应用Miner线性累积损伤法则进行疲劳损伤计算

式中，ni为应力幅Δσi作用下的循环次数;Ni为应力幅Δσi作用下常幅疲劳试验得出的疲劳失效循环次数;D为Δσi作用下分别循环ni次后的损伤度，当D≥1时，发生疲劳破坏。

3.2 钢筋疲劳抗力曲线

目前我国铁路混凝土桥梁使用的钢筋主要有如下两种:16Mn钢筋和20MnSi钢筋。4～10 m跨度的钢筋没有对接焊接头，所以钢筋的疲劳抗力曲线应选用钢筋母材的S—N曲线;12～20 m跨度的钢筋混凝土桥梁一般采用对接焊钢筋。

3.2.1 ECCS规范［5］

欧洲钢结构协会(ECCS)指定5×106次循环的疲劳强度为恒幅疲劳极限，指定108次的疲劳强度为截止限，小于截止限的应力幅均可略去不计，应力幅大于截止限但小于恒幅疲劳极限时的S—N曲线斜率m= 5，大于恒幅疲劳极限时S—N曲线的斜率m=3。

1)钢筋母材

2)钢筋对接焊

3.2.2 铁科院试验

1)钢筋母材铁科院于1996年和1999年进行了钢筋的疲劳试验，将两次试验结果的19个样本进行回归分析，得到了钢筋的疲劳抗力曲线［6］

相关系数为－0.793，标准偏差为0.525。

2)钢筋对接焊对铁科院做的16Mn和20MnSi对接焊钢筋的疲劳试验共141个样本进行分析，得到了钢筋对接焊的疲劳抗力曲线［6］

相关系数为－0.718，标准偏差为0.334。

3.3 损伤度分析及寿命评估

根据本文2中制定的疲劳列车的编组，采用大型结构计算软件STAAD/PRO计算得到典型疲劳列车通过桥梁一次产生的弯矩历程，然后由雨流法和日运营次数得到一年的弯矩谱，计算得到最下排钢筋的应力谱，在由弯矩计算得到应力时，考虑了动力系数、构造系数和偏载系数(曲线梁)的影响，最后根据钢筋的疲劳抗力曲线，即可得到钢筋一年的损伤度。

3.3.1 分线前累积损伤分析及寿命评估

根据上述计算方法，对分线前普通混凝土梁已经发生的累积损伤度及假设不分线桥梁的疲劳寿命进行计算，结果见表6。

3.3.2 分线后的累积损伤分析及寿命评估

根据已经发生的累积损伤度，钢筋的剩余疲劳寿命可按式(8)进行计算。分线后混凝土梁内钢筋100年所产生的累积损伤度和疲劳寿命见表7。

式中，Y为钢筋的剩余疲劳寿命;Dy为已经产生的累积损伤度;Di为分线后一年的累积损伤度。

表7 分线后普通钢筋混凝土梁内钢筋100年累积损伤度及疲劳寿命折减情况

4 结论

经过上述分析，可得出如下结论。

1)胶济线客货分线后普通混凝土桥梁的100年疲劳累积损伤度均小于0.4，疲劳寿命均大于100年。

2)胶济线上跨度为6～20 m的普通混凝土梁中，10 m梁的寿命折减最大，约48%～61%。另外，按照ECCS规范计算的图号为专桥1013的3.4 m梁寿命折减达90%，对于小跨度桥梁的疲劳应予以足够的重视。

3)胶济线上图号为叁标桥1023、1024，跨度为6～20 m的普通混凝土梁中，分线后12 m梁由于其钢筋为对接焊，寿命最短，约233～385年。图号为专桥1013，跨度为3.4～16.0 m的梁中，3.4 m梁的寿命最短，为134～306年。在同等计算条件下，跨度越小，损伤越大，疲劳寿命也越短。

4)胶济线上16～20 m跨度的普通混凝土梁，疲劳寿命折减很小，约2%～8%，甚至略有延长。这是由于分线后列车的日运营次数有所减少(见表3至表6)，另外分线后虽然较大轴重车辆所占比例有所增加，但是对于较大跨度桥梁产生的荷载频谱(尤其是较大值)相差不大。

5)需要说明的是，本文的计算是在假设梁体及钢筋没有外界破坏的情况下进行的，若钢筋已发生锈蚀，则疲劳寿命会急剧缩短，且破坏前没有预兆。所以如果梁体或钢筋已经发生破损，需另行计算。

［1］中华人民共和国铁道部统计中心.全国铁路统计资料汇编(1988—2008)［Z］.北京:中华人民共和国铁道部，2009.

［2］孙国安，李之榕.重载列车(25 t轴重)作用下既有线混凝土桥梁的疲劳寿命评估［J］.铁道建筑，1997(10):2-7.

［3］黄华，刘鸣.混凝土构件疲劳设计规定及相关问题探讨［J］.长安大学学报(建筑与环境科学版)，2004，21(3):19-28.

［4］张玉玲.25吨轴重对桥梁影响的研究［D］.北京:中国铁道科学院研究院(TY字第1113号)，1997.

［5］陈夏新，李之榕.25吨轴重作用下既有中—活载中小跨度混凝土桥梁疲劳寿命评估［R］.北京:中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，1996.

［6］曾志斌.普通混凝土梁用钢筋的疲劳S—N曲线研究［J］.土木工程学报，1999，32(5):10-14.

U441+.4

A

1003-1995(2011)02-0001-06

2010-09-15;

2010-11-08

王丽(1981—)，女，山西宁武人，助理研究员，工学硕士。

(责任审编 赵其文)