铁路钢桥疲劳研究进展北大核心

近年来,我国铁路的运输格局发生了较大变化:一方面,建成了大量的高速铁路,铁路钢桥跨度不断增大,同时出现了大量新型构造细节;另一方面,既有铁路将逐步以货运为主,钢桥面临着轴重增加和运量增大的挑战。此外,我国将新建轴重30 t级专用重载铁路,在轴重显著增加的情况下,钢桥构造细节的疲劳问题也更为严峻。疲劳一直是钢桥研究领域中一项重要的课题,在新的运输形势下,新型构造细节的疲劳设计以及既有钢桥的疲劳评估,均成为目前铁路钢桥研究中需要更加重视的课题之一。本文从铁路钢桥疲劳设计方法、设计荷载、性能试验和寿命评估等角度出发,对铁路钢桥疲劳研究现状进行了分析,提出了需要进一步研究的关键技术问题。     

加载波形对钢桥典型构造细节疲劳性能的影响

对既有铁路钢桥构造细节进行梳理分析,选择十字形焊接接头、盖板端焊缝、U肋纵向角焊缝等典型的构造细节,研究其在不同加载波形条件下的疲劳性能。首先,根据三种典型构造细节在实桥中的受力特征和实验室加载条件,设计能够反映实桥受力特征的试件,建立有限元模型,验证试件设计的合理性,掌握试件的应力分布状态和应力集中程度。然后,开展矩形波和正弦波加载条件下三种典型构造细节的疲劳试验。最后,对三种典型构造细节的疲劳试验结果进行分析,掌握了加载波形对于构造细节疲劳性能的影响程度,可为我国铁路钢桥的设计和评估提供依据。     

工形梁竖向加劲肋端部疲劳性能及加固方法研究

对我国既有铁路钢桥调研发现有些钢梁已产生疲劳裂纹,其中工形梁腹板竖向加劲肋端部裂纹较多。随着运营列车轴重和运营时间的增加,这些裂纹可能会进一步扩展,须采取相应措施对结构予以补强。本文针对64 m下承式钢桁梁的纵梁腹板竖向加劲肋端部构造,设计疲劳试件并展开疲劳试验,得到该构造的热点应力疲劳强度,为实桥疲劳评估提供依据。通过设计节段模型进行了不同加固方法的疲劳试验,掌握了节段模型加固前后的疲劳性能,并提出了在翼缘增设角钢的加固方法。     

铁路钢桥结构疲劳极限状态设计方法研究

研究目的:结合目前已经形成的城际轨道、高速铁路、客货共线、货运专线四种运输格局,计算调整铁路钢桥疲劳设计的相关参数,修正《铁路桥涵设计规范(极限状态设计法)》(2011年版)送审稿中疲劳设计相关条文,制订新形势下铁路钢桥的疲劳极限状态设计方法。研究结论:(1)采用计算机空间刚接计算得到的应力可以直接应用于疲劳设计,不需要采用构造系数进行修正,解决了目前设计人员面临的空间计算结果无法用于疲劳设计的难题;(2)通过大量调研、实测和计算,制定了新运输形势下的典型疲劳列车、桥梁疲劳荷载谱,使得疲劳设计紧密跟进目前的运输新形势;(3)研究得出了疲劳设计分项系数,确定了城际轨道、高速铁路和货运专线的疲劳承载能力极限状态设计方法,填补了城际轨道、高速铁路和货运专线疲劳设计的空白;(4)依据新形势下的疲劳设计方法对典型的钢桥进行了试设计,试设计结果表明:新形势下的疲劳设计方法的储备与现行容许应力疲劳设计方法相比略微有所提高;(5)研究成果将纳入《铁路桥涵设计规范(极限状态设计法)》,可以直接用于今后新建桥梁的设计,同时也可为既有桥梁的疲劳评估提供参考。     

基于直接概率积分法的重载铁路RC梁疲劳可靠度分析

既有重载铁路线路运营列车轴重提高会造成钢筋混凝土(RC)梁产生更加严重的疲劳问题,影响桥梁的服役性能。为研究重载铁路RC梁的疲劳可靠度,从概率的角度保障重载铁路桥梁的服役安全,根据重载铁路的运营特点,建立重载铁路RC梁的疲劳功能函数,提出基于直接概率积分法的重载铁路桥梁结构的疲劳可靠度分析方法。以某既有重载铁路跨度为8 m的RC简支板梁为例,分析该重载铁路的不同轴重货运列车的荷载模型,将列车轴重与动力系数作为随机变量,并通过移动荷载法与雨流计数法获取钢筋等效应力幅的概率模型。在此基础之上,结合重载铁路的等效运营谱,对跨度为8 m的RC板梁进行疲劳可靠度评估,并探讨年运量及列车轴重对疲劳可靠度的影响。研究结果表明：直接概率积分法能够高效精确地对重载铁路RC梁进行疲劳可靠度评估。在该重载铁路运营的前20年,疲劳失效概率均小于规范规定的限值。随着重载铁路年运量的提高,RC板梁的疲劳失效概率显著增大。运营列车轴重从23 t增大至25 t对RC板梁的疲劳可靠度影响较小。开行30 t轴重列车会造成RC板梁的疲劳可靠度严重下降,需要加强重载铁路桥梁的养护维修。研究结果可为重载铁路RC桥梁的设计与养护...     

重载车桥耦合作用下48 m钢桁梁桥动力性能

研究目的:随着社会经济发展和人们需求的提高,铁路货运能力亟待进一步提高,在既有铁路网基础上加大铁路列车轴重是有效提高铁路运能的主要途径之一。列车轴重增大后车桥振动效应将增加,既有铁路网中的钢桥能否适应铁路轴重的提高成为列车轴重能否增加的关键问题。本文为分析重载列车作用下钢桥动力性能,选取既有线中常用跨度48 m钢桁梁桥为研究对象,通过轮对与轨道接触处的力与位移相互关系建立空间重载铁路车-桥系统耦合振动分析模型,在与实测结果对比基础上,对影响重载铁路钢桁梁桥动力性能的轨道不平顺、列车轴重和列车速度等因素进行系统分析。研究结论:(1)轨道不平顺功率谱、列车轴重和列车速度均对重载列车作用下的钢桁梁桥的动力性能有着重要影响;(2)美国六级轨道不平顺与桥上实际线路不平顺更加接近;(3)重载铁路运输中27 t轴重列车通过48 m钢桁梁桥时建议对列车运行速度进行限制。     

重载运输条件下我国既有铁路钢桥适应性研究

对既有铁路进行适当强化改造,发展重载运输,提高货运能力,是我国铁路运输的主要发展方向之一。通过对重载列车作用下我国既有钢桥在强度和疲劳两方面的影响分析,初步研究和探讨重载铁路运输条件下既有铁路钢桥的重载适应性。     

我国既有铁路桥涵对大轴重货车开行适应性分析

国内外重载运输经验表明,货物列车轴重的增加能够有效提高运输效率,具有较好的经济性.我国既有铁路开行重载货物列车能够有效缓解运输压力,但加大了作用于铁路基础设施上的荷载.通过介绍我国铁路桥梁设计活载标准、货车发展历程,对运行不同轴重货车条件下1~200 m 跨度的桥梁储备量进行对比分析,结合既有研究成果分析了既有桥涵开行大轴重货车需要解决的关键问题,并提出了我国既有线开行的货车轴重和参数建议值.     

大跨度铁路钢桥疲劳计算方法及关键参数

疲劳问题是钢桥设计中需要重点关注的问题.对日本、欧洲和我国铁路钢桥疲劳计算方法及相关参数进行了调研分析,明确了各国铁路钢桥在疲劳计算方法和相关参数选择方面的异同.以我国一座千米级跨度铁路钢桁梁悬索桥为例,对其加劲梁杆件的疲劳受力特征、恒活载比及应力比进行了计算分析.研究结果表明:部分杆件在单线和双线荷载作用下疲劳受力特...     

基于车桥耦合动力分析的钢桥疲劳损伤与剩余寿命评估

提出基于车桥耦合动力分析的钢桥疲劳评估方法,建立车桥动力系统模型进行列车过桥耦合振动分析,求解桥梁构件疲劳应力,在此基础上,采用S-N曲线法对关键构件的疲劳损伤和剩余使用寿命进行评估。以一座铁路下承式钢桁梁桥为例,利用实测应力数据对所提方法进行验证,与既有方法评估结果进行比较,并研究了车速和轨道不平顺对桥梁疲劳性能的影响。结果表明:本文方法所得构件疲劳应力与实测数据符合较好,能够对铁路钢桥疲劳损伤和使用寿命进行准确评估;列车速度对桥梁疲劳性能有显著的影响,构件疲劳损伤程度并不一定随着车速的提高而增大;轨道不平顺能够显著影响桥梁疲劳损伤累积,轨道平顺性越好,构件疲劳损伤程度越低,加强轨道维护、保持良好轨道状态能够有效延长铁路钢桥的疲劳使用寿命。