铁路正交异性钢桥面板疲劳应力分析与寿命评估
正交异性钢桥面板纵肋与桥面板连接细节的疲劳评估及修复措施
冯 亚 成 ， ： 交异 性 钢 桥 面板 纵 肋 与桥 面板 连 接 细节 的疲 劳评 估 及 修 复 措 施 等 正
正 交 异 ， 钢 桥 面 板 纵 肋 与 桥 面 板 连 接 细 节 的 陛
疲 劳 评 估 及 修 复 措 施 ＊
冯 亚 成 王 春 生。
（ ．中 铁 第一 勘察 设 计 院集 团有 限公 司，两 安 １ ７０４ １ ０ ３；２ ．长 安 大 学 ，两安 ７０ ６ ） １ ０ ４
大， 钢桥 面板 直接 位 于 车轮 荷 载 的作 用下 ， 些 构 造 细 节 处 极 易发 生 疲 劳 开 裂 。 以 国 内 某 大 桥 正 交 并 性 钢 桥 面板 一
为 例 ， 对 纵 肋 与 桥 面板 之 间的 疲 劳细 节 采 用 欧 洲 规 范进 行 了疲 劳 寿 命 的 评 估 ， 参 考 国 内外 已 有 研 究成 果 对 此 针 并
ｃ ｎｎ ｃ ｉ ｓ ｏ ｅ ｔｏｎ ．
ＫＥＹ ＯＲＤＳ： ｒ ｈ ｒ ｉ ｔ ｅ ｉｇｅ ｄ ｃ ； ｒｂ ｔ ｃ ｏｎｎ ｃ ｉ ｓ；ｆ ｔｇ ｒ ｃ Ｗ ｏ ｅ ｔｏｎ ａ ｉ ｕｅ ｃ ａ ｋｓ；ｆ ｉ ｕｅ ｌｆ ｓ ｅ ｓ ｅ ｔ；ｃ ａ ｋ ａｔｇ ｉｅ ａ ｓ ｓ ｍ ｎ ｒｃ
摘 要 ： 交异 性 钢 桥 面板 由 于具 有 自重 轻 、 限 承 载 力 大 等 优 点 目前 广 泛 应 用 于 大 、 正 极 中跨 径 桥 梁 中， 国 已建 和 我
钢结构桥梁的疲劳与寿命评估
钢结构桥梁的疲劳与寿命评估钢结构桥梁作为现代城市交通的重要组成部分，承载着大量的车辆和行人通行任务。
然而，长期以来，由于外界环境和车辆荷载的作用，钢结构桥梁容易受到疲劳损伤，严重影响其使用寿命和安全性。
因此，进行钢结构桥梁的疲劳与寿命评估是至关重要的。
一、疲劳损伤机理疲劳是指物体在经历了一定次数的应力循环加载后发生损伤的现象。
钢结构桥梁受到交通荷载作用时，会产生周期性的应力变化，而长期循环加载会导致钢构件内部的裂纹逐渐扩展，最终引发疲劳破坏。
常见的疲劳损伤机理包括低周疲劳、高周疲劳和蠕变疲劳等。
低周疲劳是指加载周期较长，应力变化较大的疲劳损伤，主要发生在大型移动荷载作用下；高周疲劳是指加载周期较短，应力变化较小的疲劳损伤，主要发生在交通荷载作用下；蠕变疲劳则是由于长期受到恶劣环境条件作用下，钢结构桥梁会出现温度变形和应力松弛，从而引发蠕变破坏。
二、疲劳与寿命评估方法为了确保钢结构桥梁的安全使用和延长其寿命，需要进行疲劳与寿命评估。
在评估过程中，可以采用以下方法：1. 材料试验与力学性能研究：通过对钢材料的拉伸试验、冲击试验等试验手段，获取钢材料的力学性能参数，进而分析其疲劳性能。
2. 荷载测量与应力分析：通过悬挂应变片、应变计等装置对桥梁进行实时荷载测量与应力分析，以获取荷载数据与桥梁的应变应力分布情况。
3. 疲劳寿命计算：根据钢材料的疲劳试验数据和荷载数据，采用伤害累积理论来计算钢结构桥梁的疲劳寿命。
4. 结构健康监测：借助现代技术手段，如无损检测、振动测试等，对钢结构桥梁的健康状况进行实时监测，及时发现疲劳裂纹、变形等问题。
5. 寿命预测与可靠性评估：通过建立可靠性模型，综合考虑材料的疲劳特性、载荷环境、结构健康状况等因素，对钢结构桥梁的寿命进行预测与评估。
三、寿命延长与维护策略对于已经投入使用的钢结构桥梁，为了延长其寿命和保障其安全，需要采取适当的维护策略。
具体策略包括：1. 定期巡查与检测：定期对钢结构桥梁进行巡查与检测，发现潜在的裂纹、变形等问题，并采取相应的预防性维修措施。
铁路钢箱梁正交异性桥面加劲肋疲劳性能研究
铁路钢箱梁正交异性桥面加劲肋疲劳性能研究正交异性钢桥面板在国内外广泛应用,并已有许多与疲劳性能相关的研究与试验工作,但研究主要集中于公路车辆荷载下的疲劳性能[1-4],而针对铁路荷载下正交异性钢桥面板疲劳特性的研究较少[5]。
京沪高速铁路南京大胜关长江大桥[6]和京沪高速铁路济南黄河大桥虽然采用了正交异性钢桥面板,但属于板桁组合桥面体系,以第二体系、第三体系受力为主。
宁波甬江桥特大桥是铁路大跨度钢箱混合梁斜拉桥,固定的铁路行车轨道、更重的轮轴荷载使得正交异性钢桥面的疲劳荷载作用与公路桥、板桁结合桥面和K 撑组合桥面都不同。
在针对大跨度铁路钢箱梁正交异性钢桥面研究极少的背景下,疲劳开裂问题应当引起高度重视,通过理论研究与模型试验相结合,研究大跨度铁路钢箱梁正交异性钢桥面板在列车荷载作用下的疲劳性能是具有重要的科学理论意义和工程现实意义。
根据前文AHP层次分析法得出的因子权重，按照如下公式，进行叠加计算，形成初步的广州市绿色建筑空间分布潜力图（图4）：目前,已有许多关于正交异性桥面板结构的疲劳研究,Xiao等[7]对加劲肋与顶板焊接点进行应力分析发现,增大荷载横向分布面积或增大板厚都可以减小疲劳应力;Aygül[8]采用先进的缺口应力法计算分析正交异性板结构各疲劳细节处疲劳应力,结果较好;陶晓燕[9]认为开口肋横隔板开孔形式对整体应力影响不大,但对局部应力影响显著;苏庆田等[10]利用混合有限元方法对带纵肋钢箱构件进行了局部受力分析;陈红等[11]对大跨度扁平钢箱梁斜拉桥多种形式的横隔板局部应力进行了分析。
正交异性钢箱梁是典型的薄壁杆件结构,即杆件在一个方向上的尺寸远小于另外两个方向的尺寸[12]。
薄壁杆件分析理论主要有弹性分析理论[13]、能量变分理论[14]、数值分析理论[15]三类方法,其中薄壁杆件弹性分析理论中最经典的理论是弗拉索夫理论,其主要思想是把复杂板壳简化为杆件进行求解,此理论在分析过程中忽略了剪切变形的影响[13]。
公路桥梁正交异性钢桥面板关键部位疲劳应力分析
２ 模 型 建 立
２ ． １ 正 交 异 性 钢 桥 面 板 分 析 模 型
正 交异 性钢 桥 面板 不 仅作 为 主梁 的上 翼板 ， 而且 作 为桥 面体 系一 部分 来承受 车 轮荷载 。其母 板 即是纵
铁 ２ ０ １ ３年 第 １ １ 期
道
建
筑
１ ３
Ｒａ ｉ ｌ ｗａ ｙ Ｅｎｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎｇ
文章 编号 ： １ ０ ０ ３ — １ ９ ９ ５ （ ２ ０ １ ３ ） １ １ － ０ ０ １ ３ — ０ ３
公 路 桥 梁 正 交 异 性 钢 桥 面 板 关 键 部 位 疲 劳 应 力 分 析
节 省 了钢 材 ， 达 到 了 经 济 的 目的 ； 另一 方面 ， 设计 形式 更加 灵活 ， 受 力 更 加 合 理 。 本 文 采 用 大 型 通 用 软 件
Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ对 大跨 连续 钢板 梁进 行 了三维 数值 模 拟 ， 研 究 了正 交异 性 钢桥 面板 疲 劳应 力 状 态， 得 出 了在 跨 中附近 ｕ 肋和顶 板接 触位 置 首先会 出现 疲 劳破 坏 的 结论 ； 因此 ， 在 该 位 置进 行 特 殊 的 处理 可 以提 高钢 桥 的使 用寿命 。 关键词 ： 钢 桥 正 交异性 钢桥 面板 最不利 荷 载位 置 疲 劳应 力
基金项 目： 天 津 市 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ １ ３ Ｊ Ｃ ＹＢ Ｊ Ｃ １ ９ ６ ０ ０） ； 住 房 和 城 乡 建 设 部 项 目（ ２ ０ １ ２ 一 Ｋ ４ — ２ ８ ） 作者简介 ： 李 白林 （ １ ９ ５ ３ ～ ） ， 男， 河北成安人 ， 教授 ， 硕士。
钢箱梁正交异性桥面板疲劳机理
优化结构设计
优化桥面板布局
通过合理设计桥面板的布局， 降低应力集中和变形，提高疲
劳性能。
加强结构细节设计
优化肋板、横隔板等细节设计，提 高结构整体性和稳定性。
考虑材料特性
根据材料特性进行结构设计，利用 材料的力学性能，提高结构的抗疲 劳性能。
提高制造质量
严格控制制造工艺
采用先进的制造工艺，确保构件 的几何尺寸和形状精度，避免制
轻质结构
钢箱梁和正交异性桥面板 的轻质结构使得桥梁具有 较好的抗震性能和施工性 能。
疲劳性能要求高
由于桥梁在使用过程中会 承受反复的荷载作用，因 此对钢箱梁正交异性桥面 板的疲劳性能要求较高。
钢箱梁正交异性桥面板制造工艺
钢箱梁制造
采用焊接工艺，将钢板按照设计要求进行切割、拼装、焊接而成 。
正交异性桥面板制造
损伤容限法
通过评估钢箱梁在承受重复应力作用下的损伤容限，评估其疲劳性能。
基于寿命的疲劳性能评估方法
疲劳寿命预测法
通过建立钢箱梁的疲劳寿命预测模型，基于材料的疲劳寿命曲线和应力水平，预测钢箱梁的疲劳寿命 。
剩余寿命预测法
通过监测钢箱梁在承受重复应力作用下的剩余寿命，评估其疲劳性能。
05
钢箱梁正交异性桥面板疲劳性 能评估应用
高性能材料
将研发和应用高性能材料，提高 钢箱梁正交异性桥面板的抗疲劳 性能和使用寿命。
THANKS
感谢观看
工程实例二：某跨海大桥
总结词：有效预测
详细描述：钢箱梁正交异性桥面板疲劳性能 评估在某跨海大桥工程中得到了有效预测。 该桥梁所处的海洋环境复杂，疲劳性能受到 多种因素影响。通过应用钢箱梁正交异性桥 面板疲劳性能评估方法，成功预测了该桥梁 的疲劳性能，为工程安全提供了可靠依据。
基于热点应力法的正交异性钢桥面板疲劳寿命评估_崔闯
目前，各 国 学 者 进 行 构 件 抗 疲 劳 分 析 时 主 要 采 用 的 有 名 义 应 力 法、热 点 应 力 法、切 口 应 力 法 。 ［１，２］ 名义应力法在英国规范 ＢＳ ５４００、美国规范 ＡＡＳＨ－ ＴＯ、欧洲规范 Ｅｕｒｏｃｏｄｅ等 中 ［３～５］ 广 泛 使 用，该 方 法 将焊接接头根据不同的几何构造和受载类型分成多 种疲劳细节，通过试 验 确 定 每 种 疲 劳 细 节 对 应 的 疲 劳细节强度等级和Ｓ～Ｎ 曲线。但对于复杂焊接构 件 或 复 合 型 受 载 类 型 构 件 ，如 正 交 异 性 钢 桥 面 板 ，多 数情况下难以明确 焊 接 部 位 类 型、名 义 应 力 大 小 和 位置，且因面外变形 引 起 的 结 构 次 内 力 导 致 的 疲 劳 损伤无法考虑，名义 应 力 难 以 代 表 焊 缝 局 部 区 域 的 应力状态 。 ［６］ 切口应力法能够考虑构件焊缝几 何 构 造及尺寸的影响，能 够 准 确 地 反 映 构 件 焊 接 部 位 疲 劳损伤的本质 。 ［７］ 但局部的切口应力对焊缝部 位 的 几何特征参数极为 敏 感，由 于 在 焊 接 过 程 中 焊 缝 尺 寸在一定的范围内 波 动 且 随 机 性 较 大，难 以 获 取 实 际焊趾部位准确的 几 何 参 数，当 前 应 用 于 实 际 工 程 有一定难度。热点应力法不需考虑由焊趾本身引起 的非线性应力峰值，对 焊 趾 部 位 几 何 特 征 参 数 敏 感 性相对切口应力较 低，且 对 于 不 同 类 型 焊 接 接 头 均 可用一条基于热点应力的Ｓ～Ｎ 曲线评估其疲劳强 度，避免 了 切 口 应 力 法 和 名 义 应 力 法 的 不 足 和 缺 陷 。 ［６］ 因此，在现有条件下，热点应力法是评估 复 杂 焊接结构和复杂受 载 结 构 较 为 适 用 的 方 法，该 方 法 已 广 泛 应 用 于 海 洋 工 程 、船 舶 工 程 等 领 域 中 。
钢桥梁疲劳性能检测方案应力监测与寿命评估
钢桥梁疲劳性能检测方案应力监测与寿命评估钢桥梁疲劳性能检测方案：应力监测与寿命评估随着城市交通的发展，钢桥梁作为城市道路交通的重要组成部分，其安全性和稳定性成为了公众关注的重点。
然而，由于长期受到交通负荷的影响，钢桥梁存在着疲劳损伤的潜在隐患。
因此，钢桥梁的疲劳性能检测方案以及应力监测与寿命评估变得至关重要。
本文将介绍一种钢桥梁疲劳性能检测方案，强调应力监测与寿命评估的重要性。
1. 疲劳性能检测方案为了保障钢桥梁的安全运行，我们需要一个完善的疲劳性能检测方案。
首先，应进行全面的疲劳应力监测，通过布设传感器来实时监测桥梁的应力变化。
通过分析不同位置的应力分布情况，可以判断桥梁各个部位的疲劳程度，为进一步评估桥梁的寿命提供依据。
其次，疲劳性能检测方案还需要考虑到实际负荷条件的模拟。
我们可以利用大型模拟实验设备，对桥梁构件进行恒定、变幅等不同负荷状态下的疲劳试验。
通过这些实验，可以获得钢桥梁在实际负荷下的疲劳性能指标，为后续的应力监测与寿命评估提供参考。
最后，疲劳性能检测方案需要考虑到桥梁的使用环境。
我们可以结合实际运行条件，对桥梁的风荷载、温度变化等外部因素进行考虑，并在疲劳试验中进行模拟。
这样可以更加真实地反映桥梁在实际使用环境下的疲劳性能，为后续的监测与评估提供更加准确的数据。
2. 应力监测的重要性应力监测是钢桥梁疲劳性能检测中的关键环节。
通过布设传感器，及时监测桥梁各个部位的应力变化，可以发现潜在的疲劳破坏迹象。
及早发现并处理这些问题可以避免严重的事故发生，保障钢桥梁的安全运行。
另外，应力监测还可以帮助我们了解桥梁在不同负荷状态下的应力分布情况，进而优化结构设计与维护方案。
通过不断优化，可以提高钢桥梁的疲劳性能，延长其使用寿命，降低维护成本。
3. 寿命评估的重要性对于已经投入使用的钢桥梁，寿命评估是非常重要的。
通过评估桥梁的寿命，可以及时采取措施，避免出现严重的疲劳破坏，保障桥梁的安全性。
寿命评估的依据主要包括疲劳损伤程度、应力历程以及疲劳性能指标等因素。
正交异性钢桥面板疲劳病害分析及改造措施研究
第４６卷，第２期２０２１年４月公路工程ＨｉｇｈｗａｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ．４６，Ｎｏ．２Ａｐｒ．，２０２１Ｄｏｉ：１０．１９７８２／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７４－０６１０．２０２１．０２．００９［收稿日期］２０２０－１２－２１［基金项目］国家重点研发计划项目（２０１７ＹＦＢ０３０４８０５）；湖南省交通运输科技创新计划项目（２０１７３４）［作者简介］陈 辉（１９８２—），男，山西运城人，高级工程师，主要从事路桥管理与养护工作。
［引文格式］陈 辉，于 力，耍荆荆．正交异性钢桥面板疲劳病害分析及改造措施研究［Ｊ］．公路工程，２０２１，４６（２）：５４－５９．ＣＨＥＮＨ，ＹＵＬ，ＳＨＵＡＪＪ．Ｆａｔｉｇｕｅｄｉｓｅａｓｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃｓｔｅｅｌｂｒｉｄｇｅｄｅｃｋａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｈｉｇｈ ｗａｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２１，４６（２）：５４－５９．正交异性钢桥面板疲劳病害分析及改造措施研究陈 辉１，于 力１，耍荆荆２（１ 南京长江第二大桥有限责任公司，江苏南京 ２１００００ ２ 中交公路规划设计院有限公司，北京 １０００８８）［摘 要］正交异性钢桥面板以其自重轻、承载能力大、施工速度快等特点，在全世界范围内大量出现在新桥尤其是大跨度桥梁的建设中。
由于正交异性钢桥面板整体刚度不足、桥梁承载交通量与日激增，在运营过程中因钢构件应力集中出现不同程度的疲劳病害，严重影响了结构疲劳性能。
剖析正交异性钢桥面板疲劳病害发生根本原因，同时结合实桥与足尺模型试验结果，提出桥面结构改造方案。
研究成果可为类似正交异性钢桥面板的疲劳处治提供借鉴。
［关键词］正交异性桥面板；组合桥面板；高性能混凝土；有限元模型；实桥验证［中图分类号］Ｕ４４３ ３３ ［文献标志码］Ａ ［文章编号］１６７４—０６１０（２０２１）０２—００５４—０６ＦａｔｉｇｕｅＤｉｓｅａｓｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＯｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃＳｔｅｅｌＢｒｉｄｇｅＤｅｃｋａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔＭｅａｓｕｒｅｓＣＨＥＮＨｕｉ１，ＹＵＬｉ１，ＳＨＵＡＪｉｎｇｊｉｎｇ２（１ ＴｈｅｓｅｃｏｎｄＮａｎｊｉｎｇＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＢｒｉｄｇｅ，Ｌｔｄ，Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１００００，Ｃｈｉｎａ； ２ ＣｃｃｃＨｉｇｈｗａｙＣｏｎｓｕｌｔａｎｔｓＣｏ，Ｌｔｄ ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８８，Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａｔｔｒｉｂｕｔｅｄｔｏｉｔｓｌｉｇｈｔｓｅｌｆｗｅｉｇｈｔ，ｈｉｇｈｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ，ｒａｐｉｄｅｒｅｃｔｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃｓｔｅｅｌｄｅｃｋｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｔｏｂｒｉｄｇｅａｌｌａｒｏｕｎｄｔｈｅｗｏｒｌｄ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｌｏｎｇ ｓｐａｎｂｒｉｄｇｅｓ Ｍａｎｙｂｒｉｄｇｅｓｈａｖｅａｐｐｅａｒｅｄｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｇｒｅｅｗｉｔｈｈｉｇｈｔｒａｆｆｉｃｖｏｌｕｍｅｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃｓｔｅｅｌｄｅｃｋ，ｉｔｈａｓｃａｕｓｅｄｓｅｒｉｏｕｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｉｎｔｈｅａｎｔｉ ｆａｔｉｇｕｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｄｅｆｉｎｉｔｅｌｙｄｉｓｅａｓｅｃａｕｓｅｓａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓｏｆｄｅｃｋｗｉｔｈｆｕｌｌ ｓｃａｌｅｍｏｄｅｌｔｅｓｔｉｎｇａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｂｒｉｄｇｅｔｅｓｔｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ Ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｂａｓｉｓｆｏｒｆａｔｉｇｕｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃｓｔｅｅｌｄｅｃｋ１［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃｓｔｅｅｌｄｅｃｋ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｒｉｄｇｅｄｅｃｋ，ｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｄｅｒｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ，ｐｒａｃｔｉｃａｌｂｒｉｄｇｅｔｅｓｔ０ 引言随着正交异性钢桥面板的大规模使用［１－４］，由于该类桥面板自身的受力特性和交通流量的增多增重，全世界范围内的正交异性钢桥面板均面临着疲劳开裂的问题。
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铁路正交异性钢桥面板疲劳应力分析与寿命评估曹星儿;程斌;滕念管;曹一山【摘要】Taking Nanjing Dashengguan Yangtze River Bridge as an object, the f inite element model of railway bridge orthotropic steel deck was established.Based on the hot spot stress method, the fatigue stress of typical structural detail was calculated and analyzed,then the fatigue vulnerable zone was obtained.Considering the practical situations of bridge, the calculation and evaluation of fatigue lives of typical welded connections were further performed by using American highway bridge design code ( AASHTO) .The results show that under fatigueⅠand fatigue Ⅱ limite states, the calculated values of fatigue stress amplitudes of the f ive types of fatigue vulnerable structural details are less than the allowable values.The fatigue lives meet the design requirements.%以南京大胜关长江大桥为对象,建立铁路正交异性钢桥面板结构有限元模型,基于热点应力法对典型构造细节的疲劳应力进行计算分析,得到此类桥面结构的疲劳易损区.结合桥梁实际使用情况,基于美国公路桥梁设计规范(AASHTO规范)对桥面板典型焊接细节的疲劳寿命开展计算与评估,结果表明,疲劳Ⅰ与疲劳Ⅱ极限状态下5类疲劳易损构造细节的疲劳应力幅计算值均小于容许值,疲劳寿命满足设计要求.【期刊名称】《铁道建筑》【年(卷),期】2017(057)011【总页数】7页(P19-24,37)【关键词】铁路桥梁;正交异性钢桥面板;疲劳应力;热点应力;疲劳寿命;疲劳评估【作者】曹星儿;程斌;滕念管;曹一山【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240;中交公路规划设计院有限公司,北京 100088【正文语种】中文【中图分类】U441+.4铁路正交异性钢桥面板由盖板、纵肋、轨下T形纵梁以及横梁组成，由于其面内刚度在相互垂直的方向不相同，造成受力行为的正交异性，故称为正交异性钢桥面板(Orthotropic Steel Deck，OSD)。
正交异性钢桥面板具有自重轻、刚度大、承载力高、适用范围广的特点，并能作为主梁的一部分参与共同受力，因而在桥梁工程中得到了广泛的应用。
由于构造应力复杂，焊接缺陷难以控制，且直接承受车辆动力作用等原因，OSD结构的疲劳开裂成为影响此类桥梁正常使用的主要原因。
国内外很多学者对此进行了一系列的研究。
文献[1]对带有开口纵肋的铁路正交异性钢桥面板的疲劳特性进行了试验研究；文献[2]对Paderno铁路桥开展了疲劳可靠性分析以获取结构剩余疲劳寿命；文献[3-4]对OSD疲劳裂纹的形成和扩展进行了研究；文献[5-7]对OSD疲劳性能、疲劳验算等相关问题进行了研究。
本文以南京大胜关长江大桥为工程实例，建立钢桥面板的有限元模型，对铁路正交异性钢桥面板的疲劳应力及疲劳寿命评估开展研究分析。
南京大胜关长江大桥的主桥是6跨连续钢桁架拱桥[8]，主桥构造如图1所示，1/2立面见图1(a)。
该桥的钢桁梁与钢桁拱都是由相同间距(2×15 m)的空间3排主桁架构成，主桁的节点处布置1根大横梁，每2根大横梁之间布置3根小横梁。
南京大胜关长江大桥是典型的铁路正交异性钢桥面板结构，图1(b)，1(c) 分别给出了典型的横断面和典型大样。
单条线路的轨道下布置了2个倒T形纵梁，横梁腹板与U肋和倒T形纵梁的相交处均采取了开孔的措施。
盖板的厚度为16 mm。
倒T形纵梁的腹板厚12 mm，高472 mm，翼缘厚12 mm，宽240 mm。
U肋的厚6 mm，高260 mm，顶部宽300 mm。
大横梁腹板厚18 mm，高 2 400 mm；小横梁腹板厚18 mm，高 1 376 mm。
2.1 疲劳分析理论从工程应用角度出发，钢桥疲劳分析和评定方法主要有构造分类法、热点应力法、断裂力学法3大类，构造分类法采用名义应力幅进行疲劳验算；热点应力法是对节点焊趾处的表面应力进行评估，以分析潜在疲劳焊接点的局部应力[9]；断裂力学法是基于裂纹的扩展与断裂来预测结构的剩余疲劳寿命。
本文采用热点应力法。
焊趾处的局部应力包括了该构造细节所有的应力集中，但不包括局部焊缝形状造成的应力集中[10]。
受切口效应的影响，焊趾附近的应力梯度很高，通常采用外推法来计算其局部结构应力，如下σhs=1.5σ1-0.5σ2式中：σhs为热点应力；σ1,σ2分别为距离焊趾0.5t和1.5t处且垂直于焊趾方向的应力，t为钢板厚度。
由于应力集中系数考虑了整体几何形状的影响效应，因此热点应力法只需要较少数量的甚至仅需1条S-N曲线。
AASHTO规定：热点应力法主要采用名义应力法S-N曲线中的C类曲线，某些特殊的节点部位采用A类曲线[11]。
鉴于我国铁路、公路桥梁规范中未涉及正交异性钢桥面板的抗疲劳设计，而AASHTO规范系统地对正交异性钢桥面板的抗疲劳设计进行了规定，因此本文疲劳研究基于AASHTO规范展开。
2.2 疲劳极限状态与设计水准2.2.1 疲劳极限状态AASHTO规范给出了无限寿命设计和有限寿命设计2种疲劳设计方法，分别用于解决疲劳Ⅰ和疲劳Ⅱ极限状态的问题。
由于桥面主要受轮载作用，需要经受百万甚至上千万次的轮压作用，因此通常情况下需要考虑无限寿命设计，而当交通量不大时，有限寿命设计的经济性更好。
2.2.2 正交异性钢桥面板的设计水准正交异性钢桥面板主要有3个设计水准：①对已经过大量试验证明具有足够抗力的构造细节，只需进行少量的结构分析；②基于简化的一维或二维分析，对面板细节进行准确评估，计算时只考虑名义应力，而不考虑局部应力集中；③基于精细化三维分析，对钢桥面板典型构造的应力进行准确量化。
在缺乏参考案例的情况下，本文采用设计水准③。
2.3 铁路正交异性钢桥面板的疲劳荷载对高速铁路桥梁正交异性钢桥面板进行疲劳性能研究，通常应先得到桥面的疲劳荷载谱，采用雨流法或泄水池法对应力历程进行分析，以求得各应力幅值及其相应的次数，进而对钢桥面板疲劳性能进行分析。
目前，在高速铁路桥梁的疲劳荷载谱研究并不充分的情况下，也可釆用设计活载进行近似分析，计算结果偏于安全。
我国高速铁路设计规范中的ZK活荷载属于车道荷载，用于对桥梁整体结构进行分析，验算设计荷载作用下结构的强度和刚度是否满足要求。
而疲劳研究针对局部构造细节，按照惯例应采用车辆荷载，但ZK荷载无法反映本文桥梁列车的实际运营情况。
因此，根据南京大胜关桥实际运营的CRH380A型动车的参数进行分析，得到一个新的高速标准疲劳列车，可为今后的疲劳研究提供参考。
2.3.1 铁路疲劳列车模型以南京大胜关长江大桥主要运行的CRH380A型高速列车作为疲劳列车模型，列车共有8节列车编组，中间车体长25 m，车辆定距为17.5 m，转向架固定轴距为2.5 m，单节车体总质量48.6 t。
考虑到人员数量的变化，CRH380A车的轴重保守取15 t，荷载简图如图2。
2.3.2 基于可靠度的疲劳荷载系数疲劳荷载系数取决于标准疲劳荷载。
AASHTO关于OSD板件和节点的疲劳设计条文中2种极限状态的疲劳荷载系数分别为γⅠ=1.50，γⅡ=0.75。
通过分析实际工程中监测到的疲劳应力幅谱，发现原本适用于主梁、横梁、桁架杆等整体构件的状态Ⅰ荷载系数并不能安全地应用于某些OSD构件的设计。
研究表明，相比于标准桥的主梁，应该提高OSD结构设计中的最大应力幅与有效应力幅的比值，因此需乘上一个额外的修正系数1.5，即1.5×1.5=2.25，故对于横梁开孔附近的细节构造以及和盖板相连部位的细节构造，状态Ⅰ的荷载系数为2.25[11]。
此外，考虑到交通荷载下的动力效应，所有的荷载应增加15%的冲击系数。
很多学者对钢桥面板系统的可靠性指标进行了更深入的研究，认为上述抗力系数是偏于安全的。
2.4 疲劳抗力计算AASHTO规范对钢桥构件及节点疲劳抗力的计算规定分为以下2类：1)无限寿命设计此类设计对应于疲劳Ⅰ极限状态，最大的疲劳容许应力幅值Δσ满足Δσ=(Δσ)TH，其中(Δσ)TH为S-N曲线的应力阈值，A类构造和C类构造的疲劳应力阈值分别为165.5 MPa和69 MPa。
2)有限寿命设计此类设计对应于疲劳Ⅱ极限状态，最大的疲劳容许应力幅值Δσ按下式确定：或lg(Δσ)=(lgA-lgN)式中：N=365×100×n×(ADTT)SL；n为每辆车产生的应力幅的周期数；(ADTT)SL为单车道的日平均交通量；A为与细节类别有关的常数，A类和C类构造细节中的常数分别为8 177×109 MPa3和1 439×109 MPa3。
2.5 基于S-N曲线的评估方法步骤疲劳验算主要针对在铁路正交异性钢桥面板结构中容易出现疲劳裂纹的5种构造节点(见图3)，分别为纵梁-盖板(SD)节点、纵梁-横梁(SF)节点、U肋-盖板(RD)节点、U肋-横梁(RF)节点以及横梁开孔节点。
疲劳验算步骤具体如下：1)确定nn为单辆列车通过时引起的应力幅变化周期数，需结合列车的车轮数量确定。
与盖板相连的构造细节(SD节点、RD节点)由于直接承受轮载，这类节点的影响线比较短，n值由通行列车车轮的排数决定，考虑8节列车编组，前后都有2排车轮，即n=8×2×2=32；不与盖板相连的构造细节(SF节点、RF节点、横梁开孔节点)由于不直接承受轮载，这类节点的影响线比较长，根据AASHTO规范，可将前后2排车轮的通过次数由2缩减为1，即n=8×2×1=16。