重载交通作用下某斜拉桥疲劳损伤研究

王鸣军

（常州市市政管理处 ,江苏常州 213002）

0 引言

疲劳是由反复荷载引起的累积损伤过程，影响结构构件疲劳性能的参数很多，其中包括应力参数（如应力幅、加载频率）、构件几何和材料特征及外部环境等，本文着重讨论重载交通对结构疲劳损伤的影响。研究表明重载交通增大了结构构件的活载应力幅，加速结构的累积损伤，导致结构疲劳寿命迅速下降[1]。已有研究针对重载交通对桥梁的疲劳损伤研究主要集中在小跨径公路桥或铁路桥，且车辆调查数据样本较少，疲劳损伤计算和评估广泛采用的是基于名义应力的S-N曲线法。本文以某公铁两用斜拉桥为背景，引入基于热点应力的S-N曲线法，通过交通量调查，获得共35个样本数据，根据等效损伤原理得到典型疲劳车型和车辆荷载谱，运用Monte-Carlo方法模拟随机车流，加载得到疲劳应力谱，应用Miner线性损伤准则计算了公铁联合荷载作用下典型构造细节的损伤度；为研究重载交通的影响，考虑各疲劳车型超载一定比例和仅某种车型超载两种情况，探讨了重载交通对上述损伤度较大杆件的疲劳累积损伤。

1 工程概况

某连续钢桁结合梁斜拉桥跨径布置为120 m＋5×168 m＋120 m。主桁采用无竖杆的三角形桁式，横向布置为三片桁，中桁垂直，边桁倾斜。主塔为钢箱结构，设置在中桁，塔梁固结。塔高37 m，每个主塔布置有5对拉索。主塔立面布置为“人”字形，从塔顶的单箱截面向塔根渐变为双箱截面，塔根部双箱间距12 m，连接在支点两侧的上弦节点。

2 交通量调查及典型疲劳车型

2.1 交通量调查

为获得疲劳损伤计算的典型车辆和车辆荷载谱较为客观的结果，分析了大桥附近交通量调查结果，图1列出了车辆调查的交通构成及比例。因缺少更详细的客运列车统计资料，参考国内同类客运专线的运营情况和铁道科学研究院的疲劳车辆模式，参考运量大于3000万t/a的最不利情况，每天过桥的客车取为270节。

2.2 公路荷载典型疲劳车型

图1 交通量构成及比例分布

目前英国、美国、德国和日本等国都在各自的桥梁设计规范中给出了相应的疲劳荷载谱或疲劳车辆模型。我国的疲劳研究相对滞后，公路和铁路桥梁规范对此均没有规定。研究指出桥梁疲劳设计和评估应采用桥梁设计基准期内实际承受的运营载荷的总和，用来计算它们对桥梁的累积损伤。疲劳车型可按等效疲劳损伤原理，求出每种模型车辆中各轴的等效轴重；模型车辆的轴距可由各车的轴距通过一定的权重分配直接用加权平均求得。为简化分析，假定每种标准车型轴重占该车型总重的比例一定，其数值根据交通量统计确定，各车型均服从均匀分布，各标准车型的总重服从极值I型分布，其参数a、u的数值根据交通量统计结果确定；假定车辆间距采用畅通车流情况下车辆间距，符合对数正态分布[2-4]，据此确定的标准疲劳车型及分布如表1所列。

2.3 列车荷载典型疲劳车型

客运专线上运营的列车类型相对固定，根据目前国内同类客运专线的运营情况，选取CRH3型动车组作为典型疲劳列车，取8节车辆编组，编组型式为2辆机车+6辆客车，取实际轴距，轴重参考国内同类客运专线及铁科院的疲劳车辆模式，机车轴重P2取230 kN，客车轴重P1取为140 kN，具体布置如图2所示。

计算表明各构件疲劳应力幅σvmax均小于容许应力幅[σ0]，但对主应力幅较大的塔梁连接处、索梁锚固区和主桁下弦杆等关键构件，考虑焊缝处应力集中及公铁联合作用，需作进一步疲劳分析。

表1 标准疲劳车型及分布一览表

图2 列车荷载典型疲劳车轴重布置图（单位：m）

3 热点应力集中系数（SCF）

热点应力集中系数计算时，取塔梁结合处焊接细节，坡口形式为K型坡口。在全桥整体及塔梁结合处局部有限元应力分析的基础上，运用大型有限元分析软件ANSYS，采用外推法计算了热点应力集中系数。由于焊趾周围垂直于焊趾的应力是疲劳裂纹张开的主要驱动力，对疲劳破坏起主导作用，计算时可取垂直于焊趾方向的应力进行计算。根据ANSYS数值模拟结果，典型构造细节的应力集中系数在1.17～1.21之间，本文取1.2。

4 基于热点应力的构件疲劳损伤

公铁两用桥总的损伤度可通过将两种荷载的损伤度之和乘以一个调整系数得出，以考虑两种荷载同时发生的概率。这个调整系数参考BS5400取1.2。根据交通量统计结果，公路上每年的总交通量约为1983万veh，能产生疲劳的车辆约占41.4%，约821万veh。铁路上每年通过的客车为98550节。将上节Monte-Carlo模拟的20万veh加载到各典型杆件关心截面的主应力影响线上，以得到关心截面的应力历程。对压密后的应力历程通过雨流计数法得到相应的应力谱。公路、铁路车辆作用下典型杆件的应力谱如图3所示。

图3 典型杆件应力谱柱状图

与名义应力法需确定焊接细节不同，热点应力直接考虑了焊接节点焊缝周围应力的不均匀分布，且排除了焊缝形状和焊接缺陷的影响，使得具有不同焊缝截面和焊趾条件的同种材料焊接节点可以采用相同的S-N曲线来预测疲劳寿命。在进行基于热点应力S-N曲线的疲劳损伤评估时，可将损伤度较大的疲劳细节应力谱乘以相应的热点应力集中系数，得到各构造细节的热点应力谱，然后基于Miner线性累积损伤准则，对其疲劳损伤进行评估。参考文献[5]，本文采用的通用热点应力S-N曲线参数如下：曲线斜率m等于3；2×106次疲劳容许应力为80 MPa；107次循环对应的常幅疲劳极限为46.8 MPa。

选取在公路或铁路荷载作用下损伤度较大的杆件，计算其在公铁联合荷载作用下的使用寿命，如表2所列。由表2可知：杆件的疲劳寿命均满足设计寿命，但个别杆件，如轨道横梁与主桁连接处，疲劳损伤度较大，与名义应力法得出的结果一致；相对热点应力法，BS5400中给出的名义应力法得出的疲劳寿命结果偏于保守。

表2 公铁荷载联合作用下关键杆件损伤度一览表

5 重载交通引起的结构疲劳损伤

为研究车辆超载对杆件疲劳损伤度的影响，对上一部分计算得出的损伤度较大的杆件，通过下面两步研究超载对损伤度增大的影响：（1）对6种标准加载车，分别按每种加载车中超载车数量占5%、10%、20%（为简化计算，通过分析实际的交通量调查情况，认为重载车辆作用时，轴重超载30%以下的占70%，超载30%～50%的占25%，超载50%～100%的占4.9%，超载超过100%的占0.1%），分析其引起的构件疲劳损伤。（2）6种标准加载车，仅某一种标准车超载车数量占20%，轴重超载比例参照（1），分别探讨各标准车型超载对杆件疲劳损伤的影响。超载车占20%时典型杆件应力谱如图4所示，杆件损伤度随超载车数量增加的变化规律如图5所示。

图4 超载车占20%时典型杆件应力谱柱状图

图5 杆件损伤度随超载车数量增加的变化曲线图

由图4和图5可知：（1）当超载车的数量占总交通量的比例为5%和10%，杆件的损伤度分别增加1.7%和6.9%；而当超载车的数量占总交通量的比例达到20%，杆件的损伤度增加了38.6%。因此应控制实际交通运营中超载车的数量。（2）相比其它车型超载，5轴车和6轴车超载时损伤度有明显增加，因此在实际交通运营中应严格控制5轴以上车辆的超载。

6 结论

本文以某公铁两用斜拉桥为背景，研究了重载交通对构件疲劳损伤的影响。研究表明按目前的交通状况预测，大桥疲劳寿命满足设计要求，但个别构造细节（如轨道横梁与主桁连接处）疲劳寿命相对较短。随超载车数量占总交通量比例的增加，构件疲劳损伤度迅速增长，相比其它车型，5轴车和6轴车超载时损伤度有明显增加，因此在实际交通运营中应严格控制5轴以上车辆的超载。

[1]文雨松,谢礼群,王生宏.铁路混凝土梁对重载运输疲劳适应性的试验研究[J].长沙铁道学院学报,1996,14(1):8-12.

[2]童乐为,沈祖炎,陈忠延.城市道路桥梁的疲劳荷载谱[J].土木工程学报,1997,30(5):20-27.

[3]周泳涛,鲍卫刚,翟辉,等.公路钢桥标准疲劳车辆荷载研究[A].2010全国钢结构学术年会论文集[C].北京:中国钢结构协会,2010:162-167.

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

[5]任伟平，李小珍，李俊，强士中.公轨两用钢桁桥轨道横梁与整体节点连接头的疲劳荷载[J].中国公路学报,2007，20(1):79-84.