劉曉光

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

鐵路鋼橋疲勞研究進(jìn)展

劉曉光1，2

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

近年來(lái)，我國(guó)鐵路的運(yùn)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(shí)出現(xiàn)了大量新型構(gòu)造細(xì)節(jié);另一方面，既有鐵路將逐步以貨運(yùn)為主，鋼橋面臨著軸重增加和運(yùn)量增大的挑戰(zhàn)。此外，我國(guó)將新建軸重30 t級(jí)專(zhuān)用重載鐵路，在軸重顯著增加的情況下，鋼橋構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞問(wèn)題也更為嚴(yán)峻。疲勞一直是鋼橋研究領(lǐng)域中一項(xiàng)重要的課題，在新的運(yùn)輸形勢(shì)下，新型構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞設(shè)計(jì)以及既有鋼橋的疲勞評(píng)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(jì)方法、設(shè)計(jì)荷載、性能試驗(yàn)和壽命評(píng)估等角度出發(fā)，對(duì)鐵路鋼橋疲勞研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，提出了需要進(jìn)一步研究的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

鐵路鋼橋 疲勞設(shè)計(jì)荷載 疲勞性能 疲勞壽命評(píng)估

縱觀世界鋼橋的發(fā)展歷史，從1779年英國(guó)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(jìn)步，鋼材的強(qiáng)度不斷提高，性能不斷優(yōu)化，我國(guó)鋼橋所用鋼材也經(jīng)歷了由Q235q到Q345q，Q370q再到Q420q的過(guò)程。近年來(lái)出現(xiàn)了高強(qiáng)鋼、耐候鋼、Z向鋼等類(lèi)型的鋼材，使鋼橋的建造技術(shù)有了進(jìn)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(xiāo)釘連接、鉚接、栓(高強(qiáng)螺栓)焊混合和全焊的發(fā)展過(guò)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(duì)于中小跨度橋梁，以板梁橋、桁梁橋?yàn)橹?，?dāng)跨度增加時(shí)，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?，橋面系由縱橫梁明橋面變?yōu)榘彖旖M合、箱桁組合結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，鐵路鋼橋也由傳統(tǒng)的拼裝節(jié)點(diǎn)過(guò)渡為整體節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而發(fā)展至整桁片甚至整節(jié)段焊接。這些變化帶來(lái)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(guó)既有鐵路鋼橋部分建于解放前，當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)、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(lái)高速鐵路不斷建成，既有鐵路逐步以貨運(yùn)為主，列車(chē)軸重將由23 t逐漸增加至27 t，相應(yīng)運(yùn)營(yíng)次數(shù)、年運(yùn)量都會(huì)增加，有些鋼橋已經(jīng)出現(xiàn)了一些因疲勞問(wèn)題引發(fā)的裂紋［3］。軸重增加至27 t后，因運(yùn)營(yíng)荷載效應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載接近，將導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)病害的安全儲(chǔ)備降低，大運(yùn)量的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)也會(huì)加劇結(jié)構(gòu)狀態(tài)劣化，既有鋼橋的疲勞性能是否能滿(mǎn)足安全性要求，需要予以重視。另外，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源的需求日益增長(zhǎng)，我國(guó)將新建軸重30 t級(jí)的專(zhuān)用重載鐵路，鋼橋原有的構(gòu)造是否具備足夠的疲勞強(qiáng)度也值得探討。

綜上，在鐵路鋼橋的疲勞研究中，既需要針對(duì)新建鋼橋中不斷出現(xiàn)的新型構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能進(jìn)行研究，又需要針對(duì)既有鋼橋的疲勞壽命進(jìn)行研究。本文試圖從鐵路鋼橋疲勞設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)荷載、性能試驗(yàn)和壽命評(píng)估等角度出發(fā)，對(duì)鐵路鋼橋疲勞研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出需要進(jìn)一步研究的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 疲勞設(shè)計(jì)方法及規(guī)范的制定

1.1 疲勞設(shè)計(jì)方法

疲勞設(shè)計(jì)方法主要包括無(wú)限壽命設(shè)計(jì)、安全壽命設(shè)計(jì)、損傷容限設(shè)計(jì)、疲勞可靠性設(shè)計(jì)和通過(guò)疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)等［4－6］。目前，各國(guó)橋梁規(guī)范主要采用無(wú)限壽命設(shè)計(jì)和安全壽命設(shè)計(jì)方法進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)。損傷容限設(shè)計(jì)是斷裂力學(xué)理論在工程設(shè)計(jì)中成功應(yīng)用的一種設(shè)計(jì)方法，各國(guó)航空設(shè)計(jì)、壓力容器和焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)已開(kāi)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(jì)法也逐漸應(yīng)用于鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)中。

1)無(wú)限壽命設(shè)計(jì)法

無(wú)限壽命設(shè)計(jì)的目標(biāo)是檢算部位在長(zhǎng)期反復(fù)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(huì)繼續(xù)擴(kuò)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(guó)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(qiáng)度ΔσD為等幅疲勞極限，采用ΔσD作為疲勞應(yīng)力幅評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，即最大應(yīng)力幅Δσmax＜ΔσD時(shí)，便不會(huì)導(dǎo)致疲勞。我國(guó)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002.2—2005)［9］和美國(guó)AREMA(2010)［10］則規(guī)定了2×106次循環(huán)的疲勞強(qiáng)度為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

可以看出，各國(guó)對(duì)于疲勞強(qiáng)度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，并不統(tǒng)一，美國(guó)和我國(guó)將2×106次循環(huán)的疲勞強(qiáng)度作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，是基于當(dāng)時(shí)的運(yùn)輸狀態(tài)，認(rèn)為橋梁壽命期內(nèi)的最大應(yīng)力循環(huán)次數(shù)不會(huì)超過(guò)2×106次。事實(shí)上，按照目前我國(guó)的運(yùn)營(yíng)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(gè)壽命期內(nèi)，運(yùn)營(yíng)次數(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)2×106次。鑒于此，我國(guó)提出了損傷修正系數(shù)，即在考慮實(shí)際車(chē)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(qiáng)度作為檢算標(biāo)準(zhǔn)。

2)安全壽命設(shè)計(jì)法

安全壽命設(shè)計(jì)的目標(biāo)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(guò)疲勞極限。安全壽命設(shè)計(jì)方法也是根據(jù)構(gòu)造細(xì)節(jié)的S－N曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，與無(wú)限壽命設(shè)計(jì)法不同，安全壽命設(shè)計(jì)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(qiáng)度下降的情況，不同等級(jí)荷載下的疲勞應(yīng)力都應(yīng)考慮，并不像無(wú)限壽命設(shè)計(jì)方法僅考慮最大應(yīng)力。采用安全壽命進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用Miner線性損傷累積理論來(lái)計(jì)算損傷度，保證損傷度在使用期內(nèi)＜1。我國(guó)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中規(guī)定，既有橋梁分兩步進(jìn)行疲勞評(píng)估，其中第二步的評(píng)估方法采用的即是安全壽命設(shè)計(jì)的思想。

3)損傷容限設(shè)計(jì)法

損傷容限設(shè)計(jì)是通過(guò)控制疲勞裂紋發(fā)展進(jìn)行設(shè)計(jì)，目標(biāo)是保證含裂紋構(gòu)件的安全。思路是認(rèn)為構(gòu)件存在初始裂紋，通過(guò)無(wú)損探傷或者經(jīng)驗(yàn)假定，確定合適的斷裂判據(jù)和疲勞裂紋擴(kuò)展模型，預(yù)測(cè)指定時(shí)期內(nèi)裂紋的發(fā)展情況，以保證裂紋擴(kuò)展不會(huì)引起結(jié)構(gòu)破壞。進(jìn)行損傷容限設(shè)計(jì)時(shí)，需要制定適當(dāng)?shù)臋z查程序和間隔周期，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋，確保結(jié)構(gòu)安全。損傷容限設(shè)計(jì)允許構(gòu)件產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，但要確保在檢查周期內(nèi)裂紋不致擴(kuò)展到引起結(jié)構(gòu)破壞的地步，與安全壽命設(shè)計(jì)法的思想一致，區(qū)別在于采用的計(jì)算方法不同，安全壽命設(shè)計(jì)法是基于S－N曲線，損傷容限設(shè)計(jì)法是基于斷裂力學(xué)。

4)疲勞可靠性設(shè)計(jì)法

前述三種疲勞設(shè)計(jì)方法都是基于應(yīng)力、疲勞強(qiáng)度或者裂紋長(zhǎng)度、裂紋擴(kuò)展模型等，相關(guān)參數(shù)都是確定的。然而，實(shí)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(jì)時(shí)，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(lèi)型。通過(guò)分布類(lèi)型獲得分布曲線，就可以得到強(qiáng)度超過(guò)應(yīng)力的概率，即構(gòu)件的可靠度。應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)理論，就可以在給定的可靠指標(biāo)下進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞可靠性設(shè)計(jì)。

5)依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)于新型構(gòu)造細(xì)節(jié)，規(guī)范對(duì)其S－N曲線沒(méi)有規(guī)定，事先應(yīng)開(kāi)展疲勞試驗(yàn)，根據(jù)疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。疲勞試驗(yàn)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(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了能夠準(zhǔn)確再現(xiàn)實(shí)際結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，材料、細(xì)節(jié)尺寸和制造方法應(yīng)與實(shí)橋相符。

1.2 疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范的制定

1931年，德國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范制定了鋼橋焊縫的疲勞檢算方法。1936年，美國(guó)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(yàn)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(guó)等國(guó)都對(duì)焊接鋼橋開(kāi)展了疲勞研究，并制定了相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范。1970年以后，美國(guó)對(duì)工字形焊接鋼梁展開(kāi)了大量疲勞試驗(yàn)，并于1977年修訂相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范。英國(guó)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(jì)規(guī)范》反映了當(dāng)時(shí)鋼橋疲勞研究的最新成果。同時(shí)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、歐洲鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)(ECCS)和國(guó)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(jì)規(guī)范的進(jìn)一步發(fā)展，歐洲規(guī)范Eurocode 3和美國(guó)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(jì)方法，通過(guò)引入荷載分項(xiàng)系數(shù)、疲勞抗力分項(xiàng)系數(shù)等實(shí)現(xiàn)了疲勞可靠性設(shè)計(jì)［11］。

我國(guó)規(guī)范中鋼橋疲勞設(shè)計(jì)主要經(jīng)歷了3個(gè)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(jì)法，以1951年，1959年設(shè)計(jì)規(guī)范為代表;第2階段是分細(xì)節(jié)的容許應(yīng)力設(shè)計(jì)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(xì)節(jié)容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法，以1999年，2005年規(guī)范為代表。在疲勞可靠性設(shè)計(jì)方面，自1984年以來(lái)，鐵科院在大量試驗(yàn)、調(diào)查和分析的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼橋的疲勞可靠性開(kāi)展了研究，于1991年提出了《鐵路鋼橋可靠度疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范(建議稿)》。自2010年鐵路部門(mén)開(kāi)始對(duì)鐵路橋涵極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)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(jì)暫行規(guī)范》(Q/CR 9300—2014)。目前，正積極推進(jìn)相關(guān)研究的進(jìn)一步發(fā)展。

2 疲勞設(shè)計(jì)荷載及相關(guān)參數(shù)

2.1 疲勞設(shè)計(jì)荷載

20世紀(jì)70年代以前，各國(guó)在進(jìn)行鋼橋疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，采用與靜力強(qiáng)度設(shè)計(jì)相同的活載。不僅簡(jiǎn)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(jì)工作，在很大程度上減輕了設(shè)計(jì)計(jì)算的工作量。然而，鋼橋疲勞是在不同類(lèi)型車(chē)輛荷載反復(fù)作用下，逐步損傷累積的過(guò)程，因此，采用實(shí)際車(chē)輛進(jìn)行鋼橋疲勞設(shè)計(jì)，會(huì)使結(jié)果更為準(zhǔn)確。于是，英國(guó)和美國(guó)對(duì)疲勞車(chē)輛荷載進(jìn)行了研究，提出疲勞荷載的研究方法以及計(jì)算模型。根據(jù)研究成果，BS 5400橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［12］、Eurocode設(shè)計(jì)規(guī)范［13］和AASHTO橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［14］等，都明確規(guī)定了用于鋼橋疲勞設(shè)計(jì)和壽命評(píng)估的疲勞荷載譜。由于各國(guó)的國(guó)情與運(yùn)輸情況不同，疲勞荷載譜也相應(yīng)有所差別。20世紀(jì)80年代，鐵科院對(duì)我國(guó)17個(gè)編組站的列車(chē)編組情況進(jìn)行了調(diào)查，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后，制定了三級(jí)運(yùn)量的典型疲勞列車(chē)，在《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(2004)中進(jìn)行了具體規(guī)定;并于2008年對(duì)全國(guó)54條干線的年運(yùn)量、運(yùn)營(yíng)列車(chē)的編組情況進(jìn)行調(diào)研，制定了新形勢(shì)下四級(jí)運(yùn)量的典型疲勞列車(chē)［15］，為我國(guó)采用實(shí)際車(chē)輛進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

2.2 相關(guān)參數(shù)

在進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)作用力和抗力還應(yīng)分別考慮動(dòng)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(dòng)力系數(shù)

在進(jìn)行鋼橋疲勞應(yīng)力譜計(jì)算時(shí)，雖然各國(guó)規(guī)范對(duì)動(dòng)力系數(shù)的取值均不相同，但都認(rèn)為疲勞計(jì)算采用的動(dòng)力系數(shù)應(yīng)與靜力強(qiáng)度計(jì)算采用的不同。AASHTO規(guī)定，疲勞驗(yàn)算的動(dòng)力系數(shù)1.15。BS 5400規(guī)定一般情況不考慮動(dòng)力系數(shù)，當(dāng)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(dòng)力系數(shù);Eurocode 1在制定疲勞車(chē)的軸重時(shí)，就考慮了動(dòng)力系數(shù)。我國(guó)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002.2—2005)和《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(2004)對(duì)于該取值分別進(jìn)行了不同的規(guī)定。設(shè)計(jì)規(guī)范中的動(dòng)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(chē)運(yùn)營(yíng)速度最大為160 km/h;檢定規(guī)范中的動(dòng)力系數(shù)也僅適用于200 km/h以下的運(yùn)營(yíng)速度。隨著我國(guó)橋梁建造技術(shù)的不斷進(jìn)步，已建成了大量跨度超過(guò)168 m的鋼橋，速度也達(dá)到了350 km/h，目前規(guī)范規(guī)定的動(dòng)力系數(shù)(疲勞)是否依然適用于超大跨度橋梁的設(shè)計(jì)，需要展開(kāi)相關(guān)的研究。

2.2.2 損傷修正系數(shù)

為減少計(jì)算工作量，通過(guò)考慮設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)實(shí)際車(chē)輛與設(shè)計(jì)荷載之間的差異，并將壽命期內(nèi)應(yīng)力幅換算至驗(yàn)算點(diǎn)，制定了不同跨度(影響線長(zhǎng)度)橋梁的損傷修正系數(shù)。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，只需計(jì)算設(shè)計(jì)荷載下的疲勞應(yīng)力幅，采用損傷修正系數(shù)對(duì)計(jì)算應(yīng)力幅進(jìn)行修正，將設(shè)計(jì)荷載下的應(yīng)力幅轉(zhuǎn)化為實(shí)際車(chē)輛荷載下的應(yīng)力幅;這樣一方面減小了設(shè)計(jì)工作量，另一方面又使疲勞檢算結(jié)果更加準(zhǔn)確。我國(guó)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002.2—2005)規(guī)定的損傷修正系數(shù)，設(shè)計(jì)荷載是中—活載圖式，疲勞車(chē)輛是在20世紀(jì)80年代實(shí)際車(chē)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(dāng)時(shí)我國(guó)鐵路運(yùn)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(guó)運(yùn)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(wú)法反映實(shí)際運(yùn)輸狀態(tài)，需要展開(kāi)相關(guān)研究工作，制定適用于新運(yùn)輸形勢(shì)下的損傷修正系數(shù)，以保證新橋設(shè)計(jì)、舊橋評(píng)估的準(zhǔn)確性。

2.2.3 疲勞多線系數(shù)

對(duì)于多線鐵路，由于各線列車(chē)活載同時(shí)作用于橋上的概率很小，考慮列車(chē)在橋上相遇的概率和次數(shù)而引入多線系數(shù)，對(duì)采用一線加載的計(jì)算應(yīng)力幅進(jìn)行修正。我國(guó)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002.2—2005)對(duì)雙線系數(shù)進(jìn)行了規(guī)定。目前我國(guó)新建成的鐵路橋梁已多達(dá)6線，如南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋、重慶白沙沱長(zhǎng)江特大橋等。近年來(lái)，鐵科院對(duì)疲勞檢算多線系數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得到了規(guī)律性認(rèn)識(shí)，結(jié)合多座橋梁的工程應(yīng)用實(shí)踐，提出了通用的多線系數(shù)計(jì)算方法。并針對(duì)近年鐵路鋼橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，系統(tǒng)分析了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式和不同運(yùn)營(yíng)條件下的多線系數(shù)特征，研究提出了客貨共線、客運(yùn)專(zhuān)線和貨運(yùn)專(zhuān)線疲勞多線系數(shù)(見(jiàn)表1)，可供鐵路橋梁相關(guān)規(guī)范修訂時(shí)參考［16］。

2.2.4 次應(yīng)力修正系數(shù)

目前，大型橋梁設(shè)計(jì)主要采用建立全橋有限元空間模型的方法進(jìn)行計(jì)算。有些橋梁由于節(jié)點(diǎn)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(jì)算方法，疲勞應(yīng)力幅已遠(yuǎn)超過(guò)了疲勞容許應(yīng)力幅。于是研究人員開(kāi)始追問(wèn)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(kāi)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(yàn)［17］，對(duì)其疲勞性能進(jìn)行對(duì)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(shí)承受軸向應(yīng)力和彎曲次應(yīng)力作用時(shí)，可以對(duì)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(duì)鋼橋構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞檢算意義重大。在后續(xù)研究中，可以對(duì)其他類(lèi)型的構(gòu)造細(xì)節(jié)展開(kāi)類(lèi)似試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)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(yùn)營(yíng)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(qiáng)度越低，因此，各國(guó)規(guī)范均引入板厚修正系數(shù)對(duì)厚板構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度予以折減。我國(guó)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002.2—2005)也有相應(yīng)規(guī)定，對(duì)板厚＞25 mm的厚板構(gòu)造細(xì)節(jié)，提出了板厚修正系數(shù)的計(jì)算公式;但是隨后的一些研究發(fā)現(xiàn)，該公式對(duì)于某些構(gòu)造細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步細(xì)化。鐵科院于2007—2012年間對(duì)箱形桿件隔板焊縫構(gòu)造(圖2)開(kāi)展了大量疲勞試驗(yàn)［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(duì)于該構(gòu)造疲勞強(qiáng)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(qiáng)度反而要高一些，這是由于主板越厚焊接對(duì)其的損傷就越小，而且對(duì)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(lèi)似構(gòu)造細(xì)節(jié)，建議進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，以驗(yàn)證是否需要采用板厚修正系數(shù)對(duì)其疲勞強(qiáng)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(xì)節(jié)疲勞性能試驗(yàn)

1966—1974年期間，美國(guó)Lehigh大學(xué)對(duì)531根大型焊接鋼梁進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定了一些典型構(gòu)造細(xì)節(jié)的S－N曲線，奠定了鋼橋構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞設(shè)計(jì)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(qiáng)度指標(biāo)、最大應(yīng)力和應(yīng)力比無(wú)關(guān)。此后，英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本和加拿大等國(guó)也開(kāi)展了相關(guān)的疲勞試驗(yàn)，驗(yàn)證了J.W.Fisher的結(jié)論。這一結(jié)論隨后被世界各國(guó)研究人員接受，并應(yīng)用于橋梁鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范中［21］。

我國(guó)在1965—1970年建設(shè)成昆鐵路時(shí)，開(kāi)展了栓焊鋼梁構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞試驗(yàn)，為1975年鐵路鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范的制定奠定了基礎(chǔ)。1997年，鐵科院對(duì)蕪湖長(zhǎng)江公鐵兩用大橋的關(guān)鍵構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，初步形成了分細(xì)節(jié)、基于容許應(yīng)力幅的鐵路鋼橋疲勞設(shè)計(jì)方法，并納入我國(guó)鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。2000年以來(lái)，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(zhǎng)江大橋、重慶菜園壩長(zhǎng)江大橋、鄭州黃河大橋、安慶長(zhǎng)江大橋、銅陵長(zhǎng)江大橋等多座新建大跨度鐵路橋梁為工程背景，對(duì)各類(lèi)新型構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行了系統(tǒng)的疲勞性能試驗(yàn)研究，為現(xiàn)行規(guī)范的更新提供了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.1 主桁桿件構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞性能試驗(yàn)

大跨度鋼橋主桁桿件常見(jiàn)的構(gòu)造細(xì)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(diǎn)板連接構(gòu)造、箱梁蓋板與平聯(lián)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)外焊接時(shí)腹板與蓋板焊接交叉部位過(guò)焊孔構(gòu)造、箱形桿件腹板與整體節(jié)點(diǎn)熔透焊縫端部構(gòu)造、下弦整體節(jié)點(diǎn)焊縫向桿件棱角焊縫過(guò)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(jiàn)構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞S－N曲線見(jiàn)圖3。

圖3 主桁桿件構(gòu)造細(xì)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(qiáng)度最低，其200萬(wàn)次疲勞強(qiáng)度為51.6 MPa，該構(gòu)造在實(shí)橋中本身的應(yīng)力幅較小，以某跨度1 092 m的斜拉橋?yàn)槔谥小钶d設(shè)計(jì)荷載下，錨拉板的最大應(yīng)力幅值為28 MPa，所以認(rèn)為該構(gòu)造的設(shè)計(jì)是合理的。作為主桁桿件構(gòu)造細(xì)節(jié)，箱形斜桿節(jié)點(diǎn)外焊接時(shí)腹板與蓋板焊接交叉部位過(guò)焊孔構(gòu)造(構(gòu)造5)200萬(wàn)次疲勞強(qiáng)度較低，為69.9 MPa。而主桁桿件其他構(gòu)造的疲勞強(qiáng)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(jì)的薄弱環(huán)節(jié)。

3.2 橋面系構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞性能試驗(yàn)

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

由圖4可知，正交異性橋面板工地不等厚對(duì)接焊構(gòu)造(構(gòu)造1)，在不等厚坡度比例滿(mǎn)足規(guī)范的條件下，不打磨時(shí)其疲勞強(qiáng)度僅為67.9 MPa，較打磨后的疲勞強(qiáng)度低44% 。設(shè)計(jì)時(shí)要嚴(yán)格按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行打磨處理，以保證其疲勞強(qiáng)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(wàn)次疲勞強(qiáng)度僅為39.3 MPa，需要進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 主桁與橋面系連接構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞性能試驗(yàn)

主桁與橋面系連接常見(jiàn)構(gòu)造細(xì)節(jié)主要包括橫梁端部負(fù)彎矩區(qū)翼緣與主桁整體節(jié)點(diǎn)焊接、橫梁與整體節(jié)點(diǎn)十字對(duì)接焊縫、橋面板與箱形桿件整體節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(duì)接焊構(gòu)造等。主桁與橋面系連接常見(jiàn)構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞S－N曲線見(jiàn)圖5。

圖4 橋面系構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞S－N曲線

圖5 主桁與橋面系連接構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞S－N曲線

由圖5可知，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)到200萬(wàn)次以上時(shí)，與其它同類(lèi)構(gòu)造相比，橫梁與整體節(jié)點(diǎn)十字對(duì)接焊縫(構(gòu)造2)的疲勞強(qiáng)度與其它同類(lèi)構(gòu)造相比，明顯偏低，需要予以重視。

4 疲勞壽命評(píng)估

疲勞壽命評(píng)估主要有基于S－N曲線和基于斷裂力學(xué)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(píng)估方法中，也逐漸開(kāi)始受到各國(guó)學(xué)者的重視［22］。

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

基于斷裂力學(xué)的疲勞壽命評(píng)估方法承認(rèn)初始缺陷的存在，評(píng)估的立足點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的目前狀況，對(duì)于無(wú)法獲知受載歷史的既有鋼橋的剩余壽命評(píng)估意義重大。但是，對(duì)于栓焊鋼橋，評(píng)估位置處應(yīng)力強(qiáng)度因子、臨界裂紋尺寸、裂紋擴(kuò)展模型的確定還有一定的困難。例如，目前應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)中僅對(duì)簡(jiǎn)單的裂紋給出了應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算公式，而栓焊鋼橋中存在較多復(fù)雜構(gòu)造細(xì)節(jié)且受力狀態(tài)復(fù)雜，導(dǎo)致應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)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(kāi)裂后可能會(huì)發(fā)生應(yīng)力重分布致使裂紋并不會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，螺栓預(yù)緊力也對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率有一定減緩作用等;計(jì)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(guó)內(nèi)還未見(jiàn)有規(guī)范規(guī)定取值。對(duì)于疲勞裂紋擴(kuò)展模型中參數(shù)的取值，各國(guó)學(xué)者的研究結(jié)論也各不相同。所以要采用斷裂力學(xué)進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估，還需要進(jìn)行長(zhǎng)期細(xì)致深入的研究。此外，采用斷裂力學(xué)進(jìn)行評(píng)估，要涉及到復(fù)雜的力學(xué)模型和計(jì)算公式，在今后的研究中，應(yīng)著力于制定一種簡(jiǎn)便易用的評(píng)估方法。

基于可靠性理論的疲勞壽命評(píng)估方法認(rèn)為疲勞荷載和構(gòu)造細(xì)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(jī)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(jì)和概率論為基礎(chǔ)，避免了一些人為因素，能夠更客觀、實(shí)際地反映疲勞壽命，是疲勞壽命評(píng)估的發(fā)展方向之一。有些學(xué)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(xué)者采用壽命極限狀態(tài)方程，對(duì)于兩種極限狀態(tài)方程的差異，或者哪個(gè)方程更為科學(xué)，目前還沒(méi)有定論。另外，對(duì)于目標(biāo)可靠指標(biāo)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(biāo)能否適當(dāng)降低，降低到什么程度。這一系列的問(wèn)題，仍需要繼續(xù)開(kāi)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(píng)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(xué)的結(jié)論。另外，對(duì)于某些已開(kāi)裂的非關(guān)鍵部位，在應(yīng)力強(qiáng)度因子和斷裂韌性能夠確定、且疲勞擴(kuò)展模型經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的情況下，可以采用基于斷裂力學(xué)的方法來(lái)制訂相應(yīng)的檢修周期。

5 結(jié)語(yǔ)

1)在疲勞設(shè)計(jì)方法方面，針對(duì)目前采用的幾種疲勞設(shè)計(jì)方法，包括無(wú)限壽命設(shè)計(jì)法、安全壽命設(shè)計(jì)法、損傷容限設(shè)計(jì)法、疲勞可靠性設(shè)計(jì)法以及依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)法等，本文介紹了其基本思路和應(yīng)用條件。指出目前各國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范采用的是無(wú)限壽命設(shè)計(jì)法，但是疲勞強(qiáng)度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別，有些國(guó)家以5×106次疲勞強(qiáng)度為驗(yàn)算點(diǎn)，有些國(guó)家以2×106次疲勞強(qiáng)度為驗(yàn)算點(diǎn)。另外，對(duì)國(guó)內(nèi)外疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范的制定歷程進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

2)在疲勞設(shè)計(jì)荷載及相關(guān)參數(shù)方面，回顧了國(guó)內(nèi)外的研究歷程，對(duì)動(dòng)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(yùn)輸形勢(shì)下，對(duì)各疲勞設(shè)計(jì)參數(shù)的制定中，需要進(jìn)一步研究的技術(shù)問(wèn)題。

3)在構(gòu)造細(xì)節(jié)疲勞性能試驗(yàn)方面，回顧了國(guó)內(nèi)外的研究歷程，介紹了鐵科院近年來(lái)在疲勞試驗(yàn)方面的研究成果，指出了需要予以重視的構(gòu)造細(xì)節(jié)，包括箱形斜桿節(jié)點(diǎn)外焊接時(shí)腹板與蓋板焊接交叉部位過(guò)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(diǎn)十字對(duì)接焊縫等。

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

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［9］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.2—2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［10］American Railway Engineering and Maintenance－of－Way Association.Manual for Rail Way Engineering［S］.Lanham:AREMA，2010.

［11］楊曉紅.基于可靠度理論的鋼橋剩余疲勞壽命評(píng)估［D］.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2006.

［12］BSI.BS 5400Steel，Concrete and Composite Bridges［S］. London:BSI，1980.

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［14］American Association of State Highway and Transportation Officials.AASHTO LRFD Bridge Design Specifications［S］. Washington:AASHTO，2010.

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［17］張玉玲，劉曉光.武漢天興洲公鐵兩用大橋結(jié)構(gòu)構(gòu)造疲勞性能試驗(yàn)研究［R］.北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2007.

［18］張玉玲，榮振環(huán).南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋結(jié)構(gòu)構(gòu)造疲勞性能試驗(yàn)研究［R］.北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2007.

［19］王麗，張玉玲.大跨度鐵路斜拉橋關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)研究——新型鋼結(jié)構(gòu)焊接構(gòu)造疲勞性能試驗(yàn)研究［R］.北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2010.

［20］王麗，張玉玲.隨機(jī)變幅疲勞荷載作用下鋼橋節(jié)點(diǎn)板交叉焊縫疲勞性能試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2013(11):1－4.

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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(zé)任審編 孟慶伶)

1003－1995(2015)10－0019－07

2015－08－31;

2015－09－10

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2013G010－A)

劉曉光(1961—)，男，研究員，博士。