铁路正交异性钢桥面疲劳验算

2014-06-28 02:50:24胡雨蛟周双宁
结构工程师 2014年3期
关键词:检算异性横梁

胡雨蛟 周 聪 顾 萍 周双宁

(同济大学桥梁工程系,上海200092)

1 引言

正交异性钢桥面具有自重轻、强度高、经济性好及施工周期短等优点,但由于构件与受力的复杂性,其疲劳问题尤为突出。荷兰1990年建成的第二座Van Brienenoord桥,通车短短7年就在桥面上发现许多裂纹,影响了行车安全,为此 De Jong等学者展开了系统的调查和研究[1]。日本每年检查阪神高速公路桥梁,至2007年在采用正交异性钢桥面的1347跨桥梁中,有142跨出现了疲劳裂纹,且有逐年明显增加的趋势[2]。显然,疲劳问题的存在严重影响了钢桥的正常使用,因此迫切需要对正交异性钢桥面疲劳进行研究和评估。

目前正交异性钢桥面疲劳强度的分析方法主要是基于名义应力分析方法,该方法是以S-N曲线和Miner累积损伤理论为基础的一种疲劳分析方法。美国 AASHTO[3]、欧洲 Eurocode3[4]等规范通过疲劳试验数据得到了一系列典型焊接结构构造细节的S-N曲线,将其作为疲劳强度的评定依据。

我国桥梁规范目前还没有针对正交异性钢桥面的疲劳强度规定,本文采用有限元分析方法,通过对钢桥面的有限元结构分析和在移动列车荷载下的时程应力计算,确定了钢桥面的疲劳验算点和最大应力幅,参照欧美相关规范的疲劳设计曲线,对某实桥正交异性钢桥面的疲劳强度进行了验算,探讨了正交异性钢桥面的疲劳评估方法。

2 工程介绍

本桥为三跨(114.75+229.5+114.75)m 铁路钢桁梁柔性拱桥,桥面采用正交异性钢桥面,两片主桁中心距为15 m,桁高15 m,拱肋采用圆曲线,矢高(上弦以上)45 m,矢跨比为1/4.5,见图1。边跨9个节间,中跨18个节间,其节间长度12.75 m,每个节间再布置3根小横梁,桥梁横截面见图2。

图1 桥梁概况图(单位:m)Fig.1 Bridge overview diagram(Unit:m)

图2 横梁截面图(单位:mm)Fig.2 Transverse beam section(Unit:mm)

3 有限元模型

正交异性钢桥面的疲劳关注构造细节处的应力分析受现有计算技术的限制,如采用全桥计算模型会难以实现局部构造细节的精细模拟,为解决该问题,同济大学周聪等[5]提出了节段模型方法,并通过有限元分析论证了局部节段模型直接用于正交异性钢桥面疲劳验算的可行性。

因此本文取一个节间的钢桥面(纵向五横梁四段,见图3)作为计算模型,横向取全桥宽,在两侧主桁与竖杆连接处约束其竖向位移并约束一侧的横向位移,对于横桥向边,约束其纵向位移及绕横向和竖向转动。分析采用大型有限元软件ANSYS,桥面板、纵肋及横梁均采用板壳单元(shell63),单元尺寸为50 mm×50 mm,共划分节点267 936个,板单元270 544个。由于桥梁为对称结构,本文以后的图表均取半桥宽进行分析。

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

钢桥面加载面积考虑轨枕及道碴的扩散作用,按照道床摩擦角扩散法[6]进行计算,加载面积横向取1 100 mm,纵向取490 mm。计算模型及横向加载位置见图4。

图4 计算模型及荷载分布图(单位:mm)Fig.4 Calculation model and distribution of loading(Unit:mm)

李瑞超[7]通过对上海铁路局管内5条客运专线和高铁线路的调查研究,提出了针对每条线路的标准疲劳车和荷载谱。本文加载采用其中的最重标准疲劳车,单节车厢重57.12t,见图5。根据《铁路桥梁检定规范》[8]和《新建时速200~250公里客运专线铁路设计暂行规定》[9]中的相关公式可得其运营列车、中活载和客运专线ZK活载的动力系数分别为 1.218、1.53、1.603。由于目前没有客运专线或高速线路上对运营列车动力系数的实测或研究资料,参照《铁路桥梁检定规范》运营列车和中-活载的动力系数的比值,对ZK活载的动力系数进行修正,取运营列车动力系数为1.4。最终得单轮轮重为 57.12 ×10 ×1.4/8=100 kN。计算采用双线加载,从相邻车厢2个转向架前轮进入计算桥面开始,至后轴驶出计算桥面结束,按0.25m/次的步长进行模拟,图6为加载示意图。

图5 标准疲劳车Fig.5 Standard fatigue load

图6 模型加载图(单位:m)Fig.6 Loading scheme of mode(Unit:m)

4 疲劳检算

根据欧美规范对钢桥面疲劳检算的相关规定和国内外关于钢桥面出现裂纹位置的报道,通过移动列车模拟加载,对桥面板横向应力、横梁帽孔主应力、纵肋腹板应力、纵肋底部纵向应力等计算结果进行比较分析,将出现最大应力的位置确定为疲劳检算点,选出了最不利的22个位置作为检算点,如表1所示,其中符号I为开口肋,U为闭口肋,ZL为纵梁,数字代表相应编号,位置如图4所示。L、R分别代表远离桥梁中心侧和靠近桥梁中心侧。如U2L表示闭口肋U2远离桥梁中心侧的相应位置;Ud,Uc分别代表纵肋与桥面板连接位置和纵肋与横梁连接位置,见图7。

表1 应力检算点汇总Table 1 Inspection points

图7 应力检算点位置说明Fig.7 Position description of inspection points

图8—图11为部分检算点的应力时程曲线图,图中的横坐标轴为前轮沿桥跨移动时的纵向坐标位置。由图可知:当轮载经过检算点附近时,其应力出现极值。

图8 支点3桥面板检算点横向应力时程曲线Fig.8 Cross-bridge stress time-history curves of curves inspection points at deck of supporting point 3

图9 横梁2帽孔检算点主拉应力时程曲线Fig.9 Principle tensile stress time-history of inspection points at cutout of beam 2

图10 支点3 Uc位置沿Y'方向应力时程曲线Fig.10 Stress time-history curves in direction Y'of inspection points at Uc of supporting point 3

图11 跨中2纵肋底部检算点纵向应力时程曲线Fig.11 Longitudinal bridge stress time-history curves of inspection points at longitudinal rib bottom at midspan 2

表2为各检算点的疲劳强度验算结果,表中最大应力幅根据应力时程曲线用泄水法计算,AASHTO和Eurocode3规范的疲劳强度均与其构造细节对应。AASHTO对桥面板横向应力的规定比Eurocode 3的规定更严,Eurocode 3在2004年对铁路桥梁的正交异性钢桥面疲劳设计的相关条款进行了修订,在定义疲劳等级时,对焊接工艺和质量做出了明确的要求,如:焊接采用手工或自动焊时只能从单侧进行,并且要求桥面板与横梁之间的安装良好,焊接能保证在没有停顿的前提下完成,焊缝质量合格等,而AASHTO中没有关于焊接工艺和质量的要求。由于本桥钢桥面中采用的构造形式、焊接工艺与Eurocode3中相关条款相近,本文建议采用Eurocode3的相关规定。

表2 各检算点强度验算Table 2 Checking calculation of inspection points MPa

由表2计算可知:各检算点应力幅均小于Eurocode3规范所对应细节的疲劳强度,运营期内满足结构疲劳设计要求,验算部位不会发生疲劳开裂。

5 结论

本文采用有限元数值分析方法,进行了铁路钢桁梁柔性拱桥钢桥面的受力分析,模拟了铁路钢桁梁柔性拱桥钢桥面在移动列车下的应力时程响应,对正交异性钢桥面进行了疲劳检算,研究结论如下:

(1)钢桥面的应力极值出现在轮载经过检算点时,且影响区域较小;

(2)钢桥面疲劳检算要考虑构造形式、焊接工艺的影响;

(3)实桥钢桥面在运营期内满足结构疲劳设计要求。

[1] Boersma P D,De Jong F B P.Techniques and solutions for rehabilitation of orthotropic steel bridge deck in the netherlands[C].Proceedings of 10th International Conference on Structural Faults and Repair on Steel Structures,London,2003.

[2] Takada.Y,Aoki.Y.Examination and review of fatigue cracks in orthotropic steel decks in Hanshin Expressway[C].Proceedings of 7th Japanese-German Joint Symposium on Steel and Composite Bridges,O-saka,Japan,2007.

[3] American Association of State Highway and Transportation Officials(AASHTO).LRFD Bridge design specifications[S].American Association of State Highway and Transportation Officials,Washington D C,2005.

[4] European Committee for Standardizations 1993-2:2004 Eurocode 3:Design of steel structures[S].European Committee for Standardisation,Brussels,2004.

[5] 周聪,顾萍,李瑞超.铁路钢桁梁柔性拱桥钢桥面节段模型研究[J].结构工程师,2013,29(5):46-51.Zhou Cong,Gu Ping,Li Ruichao.Segment model analysis of steel deck for railway steel truss arch bridges.[J].Structural Engineers,2013,29(5):46-51.(in Chinese)

[6] 练松良.轨道工程[M].上海:同济大学出版社,2006.Lian Songliang.Railway track[M].Shanghai:Tongji University Press,2006.(in Chinese)

[7] 李瑞超.正交异性钢桥面板受力特性及疲劳荷载谱研究[D].上海:同济大学,2011.Li Ruichao.Research on the mechanical characteristics of orthotropic steel bridge decks and on the fatigue load spectrum[D].Shanghai:Tongji University,2011.(in Chinese)

[8] 中华人民共和国铁道部.铁运函[2004]120号 铁路桥梁检定规范[S].北京:中国铁道出版社,2004.The Ministry of Railways of the Peoples's Republic of China.Code for rating existing railway bridges[S].Beijing:China Railway Publishing House,2004.(in Chinese)

[9] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2005]140号 新建时速200—250公里客运专线铁路设计暂行规定[S].北京:中国铁道出版社,2006.The Ministry of Railways of the People's Republic of China.The temporary design regulation for new passenger transport line rail of speed of 200 to 250 kilometers per hour[S].Beijing:China Railway Publishing House,2006.(in Chinese)

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