铁路钢桥疲劳研究进展

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。     

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。     

钢桥的疲劳（1）

本文阐述钢桥疲劳设计观点，介绍钢桥发生疲劳龟裂的实例及其分析和采取相应对策。     

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...     

焊接钢桥结构细节疲劳裂纹成因及解决对策

各种连接细节处不断出现的疲劳开裂是桥梁钢结构所面临的主要问题之一。在对焊接钢桥疲劳破坏特点及主要影响因素进行分析总结的基础上,结合我国钢桥所面临的疲劳问题现状,对十类典型结构细节的疲劳破坏机理及特征进行了研究,总结出较大初始缺陷和小间隙处面外变形是导致实桥焊接细节发生疲劳破坏的两类最主要因素。最后,提出了防范焊接钢桥疲劳破坏的对策。     

铁路旧钢桥中疲劳裂纹扩展寿命的研究

本文应用疲劳断裂理论，通过对旧钢桥钢材性能和铆接中裂纹尖端应力强度因子的试验，研究了铁路旧铆接钢桥疲劳裂纹扩展寿命。由于旧铆接钢桥的使用应力水平较低，虽然材料的断裂韧性较差，但杆件中出现可见裂纹后，在其扩展至临界尺寸以前，杆件仍能承受相当多的荷载循环次数。这便说明旧铆接钢桥虽已使用了数十年以上，但仍有相当大的利用价值。     

钢桥的疲劳（2）〈上〉

本刊第５，６期曾刊出钢桥的疲劳（１）＜上＞，＜下＞，现继续刊出“钢桥的疲劳（２）”。     

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。     

热点应力法进行钢桥疲劳检算

研究目的:随着钢桥的重载化和整体化,桥梁钢结构中出现了较多无法明确其名义应力、现行规范也无对应细节的复杂构造。在实践中,对于该类细节多采用原形疲劳试验的方法进行验证。但疲劳试验的长周期和高费用,制约了该类细节的快速应用和推广。本文旨在用热点应力进行钢桥疲劳检算,实现在设计阶段尽可能准确地评估复杂细节的疲劳性能的目的。研究结论:本文分析计算了多种接头的热点应力集中系数,采用热点应力集中系数法推导了钢桥疲劳检算的热点应力Shot～N曲线。BS5400规范多种构造细节的名义应力疲劳强度与导出的热点应力疲劳强度的对比表明,热点应力疲劳强度明显比名义应力法的离散性小,热点应力法适合桥梁工程应用。     

野餐风桥疲劳设计理论的研究与革新

疲劳设计是铁路钢桥设计中的重要部分。本文介绍随着铁路钢桥栓焊技术的发展，疲劳设计理论不断研究革新，在研究革新中建立了一套抗力、作用力计算方法和设计规定，并已纳入了有关规范。在文中还介绍了规范中各参数的研究制定过程。     

大跨度钢桥

简要介绍我国大跨度钢桥的发展情况，钢桥的特点和采用的材料及设计理论，并将我国焊接桥在发展过程中的主要疲劳研究成果作了概述，提供钢结构同行参考。     

铁路“老龄”铆接钢桥剩余寿命评估

进入“老龄”期铆接钢桥剩余寿命估算，不仅对大量既有桥梁的安全性至关重要，同时也具有重要的社会和经济意义。本文概要介绍了以下研究内容：旧桥铆接构件疲劳性能的研究，铁路桥梁运营应力谱的测算方法，疲劳裂纹起始和扩展速率的研究。据此，建立了基于疲劳累积损伤的估算方法和裂纹起始寿命和扩展寿命的估算模型。并对我国各铁路干线上服役了４０～７０年的铆接钢桥剩余寿命进行了实例分析。     

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。     

钢桥设计（下）

介绍了在铁路钢桥发展中,对结构设计、承压稳定、断裂、疲劳等理论的研究应用。     

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。     

低温对钢材及其构件性能影响研究综述

在寒冷地区建设焊接钢桥,需要解决材料和焊缝防低温脆断的标准问题。通过调研大量国内外有关数据,定性分析了低温对钢材主要力学指标和对疲劳性能的影响。研究表明低温将使材料屈服强度和极限强度提高,屈服强度提高速度大于极限强度;低温将降低材料韧性。至于对疲劳性能影响趋势,取决于钢材所在结构细节。在低温环境下,焊接钢桥可以通过合理控制工艺和技术指标,达到安全使用的目的。     

热点应力法在钢桥构件疲劳评定中的应用方法及实例

介绍了热点应力法在焊接板结构中的应用现状,给出了采用有限元法确定钢桥构件热点应力时的单元类型、单元尺寸的选择及外推计算方法。并对一座实桥采用热点应力法对其纵梁腹板竖向加劲肋下端焊趾进行了疲劳评定,计算结果与实际结构状态较为吻合,表明采用热点应力法对钢桥构件因面外变形引起次应力导致疲劳损伤的细节进行评定的有效性。     

钢桥设计（上）

介绍了在铁路钢桥发展中，对结构设计、承压稳定、断裂、疲劳等理论的研究应用。     

中国、欧洲、日本钢桥设计规范中疲劳双线系数计算方法对比研究

为研究铁路钢桥在双线加载下的疲劳损伤系数合理取值问题,基于疲劳损伤等效原则推导疲劳双线系数理论计算公式,从理论上对比分析中国、欧洲、日本钢桥设计规范中疲劳双线系数计算方法及其取值的差异和原因。研究表明：建立的理论计算公式揭示了各国规范中疲劳双线系数取值的理论依据;疲劳双线系数与疲劳强度-寿命曲线斜率和双线相遇概率的取值密切相关,二者的不同取值是各国规范中疲劳双线系数取值差异的主要原因;中国规范相较于欧洲和日本规范采用了较大的双线相遇概率,所得疲劳双线系数的取值最为保守;最大差异情况下,中国规范中疲劳双线系数的取值是欧洲规范的1.04倍,是日本规范的1.30倍;根据我国铁路桥梁实际运营情况,分析了双线相遇概率的理论取值,对于跨度低于1 000 m的铁路桥梁,我国规范取双线相遇概率为20%是过于保守的。     

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。