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浅谈拱桥吊杆疲劳问题分析发布时间：2021-01-21T03:12:20.943Z 来源：《中国科技人才》2021年第2期作者：王祥1 徐同辰2[导读] 拱桥的建设以前大多采取吊杆通过锚固来悬吊横梁，结构是横梁承重，并且没有设置纵梁，对于吊杆的疲劳问题来说尤其严重。
中承式拱桥结构存在吊杆，拱肋通过吊杆体系与桥面板和主梁相连接，这点与上承式拱桥结构不同，吊杆体系一旦发生破坏，将对整个拱桥的安全性产生很大的影响。
1中铁四局集团第五工程有限公司九江 332000；2青岛市市政工程设计研究院有限责任公司青岛市 266000摘要：中承式拱桥属于吊杆体系拱桥，此类拱桥的吊杆在重复荷载作用下，极易产生疲劳问题，因此需要对吊杆的疲劳问题予以重视。
一方面吊杆长期处于复杂的自然环境中，锚头等薄弱位置容易漏水锈蚀，降低吊杆的抗拉性能，降低疲劳寿命；另一方面在动力荷载作用下，对于整体性能较差的拱桥，吊杆会产生更大的应力幅，导致结构的疲劳破坏。
所以对于吊杆的疲劳问题的分析和研究是很有意义的，本文以实际桥梁为背景，通过对拱桥吊索的疲劳问题进行研究，提出相应的防治措施，从而提高吊杆的使用寿命。
关键词：中承式拱桥；吊杆疲劳1 引言拱桥的建设以前大多采取吊杆通过锚固来悬吊横梁，结构是横梁承重，并且没有设置纵梁，对于吊杆的疲劳问题来说尤其严重。
中承式拱桥结构存在吊杆，拱肋通过吊杆体系与桥面板和主梁相连接，这点与上承式拱桥结构不同，吊杆体系一旦发生破坏，将对整个拱桥的安全性产生很大的影响。
由于其吊杆结构容易出现疲劳问题，导致此类拱桥吊杆实际使用的寿命远远不如其本身的设计使用寿命。
结合沈阳跨浑河长青大桥，对影响吊杆疲劳的因素进行分析，并在以后的工程实践中加深理解和认识，做好措施进行处理和保护。
2 工程概况长青大桥位于沈阳市东南部，主要由主桥和南北引桥组成，主桥为三孔中承式钢管混凝土拱桥，净跨径为127.226m+147.992m+127.226m，南北引桥各60.95+52.502m的空腹式钢筋混凝土拱肋桥，桥梁全长629.348m。
钢结构桥梁疲劳寿命评估方法研究引言：钢结构桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，承载着巨大的交通流量和运载荷。
然而，长期受到动态荷载的作用，钢结构桥梁往往容易发生疲劳破坏。
因此，准确评估钢结构桥梁的疲劳寿命成为了维护管理的重要课题。
本文将讨论钢结构桥梁疲劳寿命评估方法的研究进展以及存在的挑战和未来发展方向。
一、背景和意义钢结构桥梁疲劳寿命评估是指通过分析桥梁所受到的动态荷载，预测桥梁在使用寿命内出现疲劳破坏的概率。
疲劳破坏是指桥梁在长期交通荷载下反复受力而导致的损伤积累和裂纹扩展，可能最终导致桥梁失效。
因此，准确评估疲劳寿命对于实施及时的维护和修复措施，保障桥梁的安全运营至关重要。
二、疲劳寿命评估方法研究进展1. 数字化模拟方法数字化模拟方法是目前主要应用于钢结构桥梁疲劳寿命评估的方法之一。
该方法基于桥梁受力和应力分析，通过建立数学模型，模拟荷载作用下的疲劳破坏过程。
然后利用数值计算方法，预测裂纹扩展速率和疲劳寿命。
2. 动态试验方法动态试验方法是通过在实际桥梁上进行长期监测和数据采集，评估桥梁的疲劳寿命。
该方法基于实测数据，分析动态荷载对桥梁的影响，提取桥梁的结构和材料参数，并利用相关的疲劳寿命模型计算桥梁的疲劳寿命。
3. 统计预测方法统计预测方法是通过对大量实验数据的统计分析，建立起桥梁疲劳寿命与设计参数、材料性能、施工和维护质量等之间的关系模型。
利用这些模型，可以根据桥梁的设计参数和实际使用情况，预测桥梁的疲劳寿命。
三、存在的挑战和未来发展方向1. 材料和荷载模型的不确定性钢结构桥梁的材料特性和荷载条件是影响疲劳寿命评估准确性的关键因素。
然而，由于现实中桥梁的使用环境和荷载条件的复杂性，材料和荷载模型的确定性往往存在挑战。
未来的研究应关注材料行为和荷载特性等方面的不确定性，提高评估方法的可靠性和准确性。
2. 动态荷载的实时监测和预测桥梁所受到的动态荷载是影响桥梁疲劳寿命的主要因素之一。
然而，目前对于动态荷载的监测和预测技术还存在一定的限制。
![[桥梁吊杆疲劳问题及分析方法研究综述]桥梁吊杆](https://img.taocdn.com/s1/m/64b9bec009a1284ac850ad02de80d4d8d15a0124.png)
[桥梁吊杆疲劳问题及分析方法研究综述]桥梁吊杆桥梁吊杆疲劳问题及分析方法研究综述摘要:吊杆是把桥面系的恒载与活载传递到拱肋的关键受力构件，它的使用正常与否，关系到桥梁的整体寿命和安全。
随着经济的发展，一方面越来越多的桥梁设计成了公轨两用桥梁，另一方面交通流量急剧增加，由于公轨两用桥梁结构较轻，跨度大，在轻轨列车和很多汽车同时通过大跨度桥梁时，桥梁可能产生较大的振动，吊杆的应力变化幅度将会很大，进行疲劳分析是十分必要的。
一、桥梁吊杆的破损现状自1858年第一座带吊杆的系杆拱桥建成以来，世界上这类桥型发展迅猛，在中国情况更是如此。
1960年兰州至新疆铁路昌吉桥(主跨56m)建成后，我国修建了大量的带吊杆拱桥。
据不完全统计，迄今为止，我国已建成带吊杆的中、下承式拱桥达70余座，仅四川和重庆地区就达30多座。
随着钢结构的广泛使用，这种趋势将持续下去，上海卢浦大桥、拉萨柳梧大桥的建设就是最好的佐证。
中、下承式拱桥吊杆是把桥面系的恒载与活载传递到拱肋的关键受力构件，它的使用正常与否，关系到桥梁的整体寿命和安全。
然而，由于受当前设计理论，科学技术和工业水平发展进程的制约，桥梁吊杆吊具的设计、制造、防护、安装、服役、维护、健康诊断、拆换乃至设计寿命的确定、使用一段时间后剩余寿命的预测等等，皆无明确、统一的规范。
在大量的中、下承式拱桥和斜拉桥的吊杆设计、营运、维护、拆换、修复过程中，主要依据设计者的主观判断，缺乏公认的准则，以致吊杆失效造成的桥梁损坏和事故时有发生。
1967年12月15日，美国西佛吉利亚州的PoiniPleaant大桥在没有任何征兆的情况下突然倒塌，造成桥上31辆汽车坠落，46人死亡。
该桥是一主跨为213.4m的悬索桥，其大缆是眼杆链，眼杆材料是经过热处理的碳钢，事故原因正是眼杆在孔眼处断裂。
断裂发生的主要原因是眼杆孔眼处发生应力腐蚀(拉应力使晶间出现裂纹，裂纹凭毛细管作用，将空气中的HZS和盐类吸入，使腐蚀加剧)和腐蚀疲劳(裂纹因多次承受拉应力而穿过晶粒);但孔眼位于隐蔽位置，其裂纹无法检查也是导致这次事故的一个原因。
建筑工程Architectural Engineering1 引言自20世纪70年代起，欧洲、日本、美国等先后对正交异性板扁平钢箱梁局部疲劳进行了大量疲劳试验研究，特别是日本，以山田健太郎为代表的许多学者，对多座钢桥进行了现场应力测试和疲劳寿命评估，并在设计规范中明确要求对钢桥进行疲劳设计。
在正常使用期，大跨度桥梁钢箱梁在车辆荷载较大和其他荷载的作用下，其内应力会不断变化，而在大跨度桥梁钢箱梁制造过程中，由于焊接等原因产生的残余应力的相关作用下，在突变的截面和焊接部位会产生较大的向量应力，因此导致疲劳的裂纹。
根据目前相关的检测资料和研究报告来看，大跨度桥梁钢箱梁疲劳裂纹分布的位置有一定的规律性和集中性。
沿桥轴向，通常在1/4跨处会产生较多的疲劳裂纹，此处的位移交变变化最大。
行车道与大型车道对应的加劲肋、横隔板与面板交界处，沿桥梁横向方向，一般而言能很多的疲劳裂纹。
2 大跨度桥梁钢箱梁疲劳开裂原因分析2.1 疲劳裂纹形成的原因由于裂纹产生部位的不一致，大跨度钢箱梁疲劳裂纹产生的原因可分为荷载诱发裂纹和平面外变形诱发裂纹。
通过裂纹产生的原因，通常大跨度桥梁钢箱梁疲劳裂纹形成的原因划分外部原因和内部原因，外部原因是车辆荷载的反复作用，内部原因是细节结构和材料。
结合强度因素，根据裂纹损伤的不同原因，将大跨度钢箱梁疲劳裂纹形成的原因分为初裂、机械损伤裂纹、腐蚀损伤裂纹、疲劳损伤裂纹和强度失效裂纹。
2.1.1 荷载引起的开裂荷载引起的开裂又称主应力引起的开裂。
这种开裂一般发生在纵肋对接焊缝处，裂纹较多，其它部位裂纹较少。
这种形式主要是针对前期施工的钢桥面板，现场通常采用镶嵌焊接的方式。
对于封闭的纵肋，如U形肋，把钢垫板放在对接焊时在U形肋内。
在桥梁使用过程中，在车辆荷载的多次作用下，有较大的弯矩作用于纵肋，产生较大的拉应力作用于其底部。
如有初始缺陷在对接焊缝之处，纵肋底部会出现疲劳裂纹。
2.1.2 面外变形引起的开裂面外变形引起的开裂，又称次应力引起的开裂，主要发生在纵肋与面板焊缝处、纵肋底部过焊孔处、纵肋与面板、横隔板焊缝处这3个主要部位。
基于现场实测的大跨钢桁悬索桥疲劳可靠度分析0 引言钢桁桥因跨越能力强、施工方便、外形优美、整体性好被广泛应用于大跨度桥梁，尤其是大跨度悬索桥。
在长期的车辆荷载和风荷载作用下，钢桁架主梁各杆件尤其是杆件的各个连接部位将长期处于累积疲劳损伤的状态[1-2]，进而影响桁架主梁结构的长期安全运营。
因此，对大跨度钢桁架悬索桥关键构件处的细节进行疲劳可靠度评估显得极为重要。
以往对钢桥疲劳的研究大多基于疲劳应力谱，因此，首先需要对处于正常运营期的大桥车流情况进行调查统计并分析，再通过确定不同车型荷载参数建立车辆荷载谱，最后得到只能反映大桥整体的车载特征，因此得到的局部应力分析结果将会在较大程度上与实际情况不符[3-5]。
为了更好地掌控大桥的服役情况，结构健康监测系统应运而生，目前已广泛地在大跨度桥梁领域使用[6-8]，应变时程可直接通过监测系统得到，用于疲劳分析的疲劳应力谱可由雨流计数法获得，随后便可对桥梁钢结构构件细节进行疲劳累积损伤及可靠度评估研究[9-10]。
但桥梁健康监测系统经济投入成本很大，而且以往基于现场实测的研究往往针对大跨度钢箱梁桥[11-14]，基于现场监测数据研究大跨度钢桁梁悬索桥关键构件的疲劳可靠度较少。
为节约成本，针对大跨度钢桁梁悬索桥，首先采用ANSYS软件建立了大桥的壳-梁混合单元空间桁架主梁有限元模型，随后通过分析确定了大桥的关键构件及关键点。
针对关键构件的关键点，进行为期6 d 的应变实时监测，通过对实测数据的预处理，获得了比较准确的应力响应，然后对于所测关键构件的关键点运用核密度估计法建立基于小子样的疲劳荷载谱概率分布模型，研究大桥所测关键构件关键点的疲劳可靠度，为大桥的安全运营提供保障。
1 有限元建模及关键截面确定本研究以某大跨度钢桁架悬索桥为工程背景，其主跨为1 176 m，主缆采用(242+1 176+116)m的孔跨布置方式。
加劲梁选用梁高为7.5 m且桁架节间距为7.25 m的钢桁梁。
一种新型大跨度索-拱结构受力性能研究的开题报告一、研究背景近年来，由于城市化进程的快速发展，人们对于现代交通基础设施建设的需求越来越迫切，大跨度索-拱结构的运用在高速公路、城市轨道交通等领域得到广泛运用。
大跨度索-拱结构是一种集索、拱于一体的钢结构形式，具有跨度大、重量轻、造价低、能进一步节省对净空高度的要求和具有很强抗风荷载和地震力的特点。
目前，国内外对于大跨度索-拱结构的研究较少，仍然缺少全面、系统、深入的研究。
二、研究目的本研究旨在探究大跨度索-拱结构的受力性能，深入探讨其结构形式、荷载响应、疲劳性能等方面，为该领域的发展提供理论依据和技术支撑。
三、研究内容与方法1.结构形式研究：分析大跨度索-拱结构形式的历史发展和应用现状，总结各种结构形式的优缺点。
2.荷载响应研究：建立大跨度索-拱桥荷载响应计算模型，分析各种荷载情况下结构受力性能变化规律，对结构的抗风、抗震能力进行探讨。
3.疲劳性能研究：采用不同的加载工况，考虑疲劳裂纹扩展的过程和损伤累积效应，分析大跨度索-拱桥的疲劳性能，提出相应的抗疲劳措施。
4.结构优化研究：通过上述研究，对大跨度索-拱结构进行优化设计，提高其受力性能和安全性。
四、研究意义1.对于大跨度索-拱结构的研究具有重要现实意义，有利于促进该领域的发展和推广应用。
2.本研究对于完善大跨度索-拱结构的设计标准、提高结构的安全性能和运行效率具有指导意义。
3.本研究可为类似结构的设计提供借鉴和参考。
五、研究进度安排1.前期调研和文献阅读（4周）2.结构形式研究（6周）3.荷载响应研究（12周）4.疲劳性能研究（14周）5.结构优化研究（10周）6.撰写论文（8周）七、预期研究成果1.对大跨度索-拱结构的受力性能进行系统分析和综合评价，为该领域的研究和应用奠定基础。
2.提出相应的抗疲劳和优化措施，为类似结构的设计和建设提供借鉴和参考。
3.发表学术论文2篇以上，参加国内外学术会议并做报告。
第29卷 第3期2010年6月兰州交通大学学报Journal of Lanzhou Jiaotong University Vol.29No.3J une 2010 文章编号:1001Ο4373(2010)03Ο0007Ο05大跨度钢箱叠拱桥实体圆钢吊杆疲劳试验研究3刘彦明(中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西西安 710043)摘 要:新建哈尔滨-大连客运专线铁路跨越长春市富民大街的新开河特大桥设计采用了138m 钢箱叠拱结构,该桥型及实体圆钢吊杆均为铁路桥梁设计首次采用,且设于无碴轨道区域,对该桥关键技术的研究工作包括五个方面内容,实体圆钢吊杆的应用是其中之一,包括疲劳问题研究、低温断裂韧性研究、与耳板连接研究等,本文就实体圆钢吊杆的应用之疲劳问题进行分析探讨,得到了一些有益的成果.关键词:钢箱叠拱桥;实体圆钢吊杆;疲劳中图分类号:U448.36 文献标志码:A1 工程概述本桥为哈大客运专线新开河特大桥跨越长春市富民大街而设,本段线路位于直线上,线路平坡,客专正线与富民大街线路斜交为59°,因桥梁的建筑高度受控及景观需求,设计采用1Ο138m 钢箱叠拱结构.哈大客专为一次双线,线间距5m ,设计速度目标值350km/h ,铺设CR TS Ⅰ型板式无碴轨道.该桥地处低温严寒地区,最低温度达-36.5℃.整体渲染图见图1.图1 全桥渲染图Fig.1 B ridge rendering view 拱桥常用的吊杆形式从刚度方面分有刚性吊杆及柔性吊杆.刚性吊杆因能降低梁端转角,减小挠跨比值,增大结构刚度,吊杆受力均匀,使用寿命长等诸多优点得以广泛采用.目前国内刚性吊杆应用较多为工字钢吊杆,但因该桥与道路斜交角度较大,加之工字钢吊杆截面较大,影响桥梁的整体美观,为获得良好的景观效果,设计采用实体圆钢刚性吊杆,此吊杆形式在铁路桥梁中为首次应用,其超长吊杆的连接、与系梁拱肋耳板的连接处理、尤其是在低温严寒条件下长期承受列车动荷载的疲劳问题是实体圆钢吊杆应用的关键.新开河特大桥的拱肋距桥面35m ,为了安装、调整受力、后期更换的方便,超长吊杆间以及吊杆与端柄间采用螺扣连接.在列车经过时,吊杆处于高应3收稿日期:2010Ο03Ο16作者简介:刘彦明(1969Ο),男,河北高阳人,高级工程师.兰州交通大学学报第29卷力状态反复承拉,螺扣在正拉状态下的疲劳问题非常严重,因此需要针对吊杆的螺扣连接疲劳问题进行分析研究.2 吊杆疲劳研究2.1 疲劳试验循环次数的考虑《铁路桥梁钢结构设计规范》[2]规定,一般情况下钢结构疲劳试验的循环次数为2×106次,但应具体分析各个构件的受力情况以及一列列车经过时所分析构件经历几个疲劳循环.该桥共有15对吊杆,由于纵桥向为对称结构,故吊杆可分为8种类型,吊杆7受力最大.为此首先计算各吊杆在全桥范围内轴力影响线,部分吊杆的影响线见图2(图中实线为加载侧,虚线为非加载侧).图2 部分吊杆轴力的影响线Fig.2 Axial force influence line of hangers 从各吊杆的影响线可以看出,一列车经过时只产生一次最大值和最小值,即经过一次疲劳应力循环,因此吊杆的疲劳试验循环次数暂可以考虑采用规范中规定的2×106次作为标准.2.2 吊杆疲劳试验1)试件制作及加载方式吊杆采用460级合金钢制作的直径130mm实体圆钢,其力学性能指标为抗拉强度σb≥610 M Pa,屈服强度σs≥460M Pa.根据实际疲劳试验情况,制作1∶2试件.吊杆螺纹连接试样疲劳试验与以往的焊接构造细节疲劳试验不同.焊接试件由于存在残余应力,疲劳加载吨位只需要考虑幅值即可,而吊杆螺纹连接的试样则不存在残余应力,这时的疲劳性能需要考虑加载的应力比.从吊杆的影响线可以看出,应该是从无车到有车,再到无车,也就是,疲劳荷载幅值应该是从恒载应力到恒载+活载应力.该桥吊杆恒载作用下最大应力是130M Pa,恒载+活载作用下最大应力为210M Pa,最大应力比ρ=0.619,平均应力170M Pa.考虑应力比进行疲劳试验的加载方案有两种.第一种,保持应力比不变,改变应力幅;第二种,控制最大应力比,保持最小应力不变.分析现行规范[2],对非焊接构件连接的疲劳检算,在拉Ο拉受力状态时,与焊接构件相同,即为应力幅控制;《铁路桥涵设计规范》[3]规定,当最大应力为拉应力时,疲劳容许应力[σn]=σ1-0.6ρ,从中可以看出,应力比ρ值越大,疲劳抗力也越大,ρ值小,疲劳抗力也小,即相同构造所承受的疲劳荷载的应力比ρ值越小时,它的抗疲劳能力越差.在设计疲劳试件时,希望能够使试件尽可能做大,且将试验机的吨位用足.如果采用第一种方案,8第3期刘彦明:大跨度钢箱叠拱桥实体圆钢吊杆疲劳试验研究加载需要很高的吨位,所以不得不减小试件尺寸.采用第二种加载方案是控制最大应力比,这样可以得到不利情况,试验机也能够实现,同时还能保证试件为1∶2的大比例模拟.经研究确定采用第二种加载方案,试验中控制各试件的应力比小于实桥受力时的应力比0.619.考虑到吊杆恒载应力为130M Pa,对应的荷载为431kN.为了加载操作方便,将加载各试件疲劳试验最小控制吨位均取400kN,进行拉Ο拉循环加载.2)首批试件试验根据吊杆生产厂家原有技术工艺水平生产10根试件,对其中的6根试件进行疲劳试验,试验结果见表1.通过对试验结果的分析,发现两个问题:试件的疲劳试验结果很不理想;所有试件破坏均发生在第一排螺扣处.表1 首批吊杆疲劳试验结果T ab.1 F atigue experiment results of the1st b atch hangers试件号荷载/kN应力比ρ频率应力幅/MPa循环次数N D1Ο1400～13270.3014 3.028067100D1Ο2400～9620.4158 3.5170214500 D1Ο3400～8300.4819 3.8130535200 D1Ο4400～7630.5242 4.5110859100 D1Ο5400～6640.6024 5.5803315300 D1Ο6400～7320.5464 5.010******** 对表1中数据进行回归,6根D1(第一批)试件的试验回归曲线为lg N=12.1982-3.0442lgσ,σ(2×106)=86.54(M Pa).相关系数r=-0.9914,均方差s=0.0868,取97.7%保证率,减去两个标准差,回归曲线下限为lg N=12.0247-3.0442lgσ,σ(2×106)=75.89(M Pa).吊杆实际设计疲劳应力幅为80M Pa,因此不能满足使用要求.3)原因分析及改进通过设计、制造、实验三方共同分析,认为:所有试件破坏均发生在第一排螺扣处主要是因为应力过于集中造成的.经研究,确定从三个方面改进螺纹的疲劳性能:①增加吊杆端部墩粗头的直径;②改变螺顶高度,使螺顶形成纵向缓坡;③改善螺齿形状和表面状态,使螺齿间更为平顺.为验证原因分析的正确性及改进措施的有效性,采用ANS YS9.0结构分析通用软件,对改进前后吊杆螺扣试件进行有限元对比分析.对吊杆螺扣建立有限元模型较一般结构有所不同.建模步骤是:首先建立牙型的形状.牙型的形状比较复杂,由上下不同的圆弧以及相切斜线连接组成,如图3所示.为保证牙型线的连续性,需要精准确定点位.生成牙型线后,根据螺纹内外径的大小以及牙齿高度来生成螺纹切面,最后通过旋转生成螺扣实体模型.图3 牙型简图Fig.3 Tooth shape screw由于改进前后模型螺扣在几何尺寸上有变化,共建立了两个螺扣模型,在螺杆处施加1M Pa的单位压强,以考察螺纹应力集中的变化.改进前的模型总共划分6050个节点,26196个单元,等效应力云图见图4a;改进后的模型总共划分6671个节点, 28497个单元,等效应力云图见图4b.9兰州交通大学学报第29卷图4 试件螺扣等效应力云图Fig.4 Equivalent stress cloud of screw specimen 对比图4a ,b 可以看出,改进前螺扣的最大应力集中系数为3.17,而改进后的最大应力集中系数为2.77,应力集中系数有了较大改善.模拟分析中仅考虑了螺纹段齿根直径的变化,尚未计入螺齿自身形状的改进以及螺纹表面光滑度的差别,因而不能完全反映上述改进措施的整体效果,需要试验进一步验证.4)第二批试件实验根据改进措施,第二次加工5根试件,重新进行疲劳试验.试验结果见表2.对表2中数据进行回归,5根D2(第二批)试件的回归曲线为lg N =19.0007-5.6021lgσ,σ0(2×106)=184.90(MPa ).相关系数r =-0.9741,均方差s =0.1777,取97.7%保证率,减去两个标准差,回归曲线下限为表2 第二批吊杆疲劳试验结果T ab.2 F atigue experiment results of the 2nd b atch h angers试件号荷载/kN应力比ρ频率应力幅/MPa循环次数N D2Ο1400～10640.3759 3.3200721900D2Ο2400～13950.2867 2.6300171600D2Ο3400～8980.44544.015081581313D2Ο4400～12630.3167 2.8260267800D2Ο5400～10300.38833.01902077700注:3号为等效次数,m 取5. lg N =18.6453-5.6021lgσ,σ0(2×106)=159.77(M Pa ).第二次试件疲劳强度较前次试件对应在2×106次的疲劳应力幅整整提高了84M Pa .5)两批吊杆试件S ΟN 曲线的结果对比两批试件的S ΟN 曲线散点分布见图5,其中,试件号D1为首批加工试件,D2为改进后第二批加工试件.图5 改进前后吊杆螺扣试件S ΟN 曲线Fig.5 S ΟN curve of of screw specimen由图5可知,改进后试件的疲劳试验数据点位明显高于改进前,说明改进后试件疲劳试验结果明显优于改进前,特别在应力幅为100M Pa 附近时循环次数增加更为显著,由上面分析可知,对应于2×106次的疲劳应力幅在改进前为75.89M Pa ,不能满足设计要求;而改进后提高到159.77M Pa ,提高幅度达110%,完全满足设计要求.同时也说明实际改进效果比数值模拟结果好很多.2.3 对客运专线桥梁吊杆疲劳问题的进一步分析由于新建哈大铁路为客运专线铁路,设计使用年限为100年,从预期运营频次看,在长春西站远期预计达178对/日,在设计使用年限内吊杆的疲劳反复应力次数可能超过2×106万次.故对客运专线桥梁吊杆应考虑最不利情况按照疲劳极限强度进行估算.关于构造细节的疲劳强度(截止限)研究国内尚无成熟的研究成果.对照国外相关设计规范,对疲劳截止限分析如下:在英国BS5400规范[4]中,提出疲劳循环次数1000万次对应的强度为疲劳裂纹不扩展的强度,即为疲劳截止限.据此,则由第二次试件疲劳试验S Ο01第3期刘彦明:大跨度钢箱叠拱桥实体圆钢吊杆疲劳试验研究N曲线方程lg N=18.6453-5.6021lgσ得:σ(107)=119.88M Pa.在欧洲钢结构协会《钢结构疲劳设计规范》[5]中,认为疲劳SΟN曲线在500万次时有一个拐点,即在500万次以前疲劳SΟN曲线的斜率为m,在500万次至1000万次时斜率为m+2,此时对应1000万次时的强度为疲劳截止限.按照该规律,由第二次试件疲劳试验SΟN曲线方程lg N=18.645 3-5.6021lgσ得,500万次至1000万次的SΟN曲线方程为lg N=22.9057-7.6021lgσ得:σ0(107) =123.84M Pa.因此常温下改进后的吊杆螺纹承受运营的疲劳极限强度应在120～124M Pa范围内.2.4 考虑使用环境对桥梁吊杆疲劳的影响该桥地处我国东北的吉林省长春市长春西站附近,属于低温严寒地区,最低温度达-36.5℃,应考虑吊杆的低温断裂韧性对允许疲劳应力的影响,参照中国铁道科学研究院在青藏铁路结合梁钢梁的试验研究中进行的低温疲劳试验结果,在低温下的疲劳容许应力幅需要折减20%的结论.再根据吊杆(35CrMo)材质断裂韧性与Q370qE相当的C TOD 试验结论,该桥吊杆在考虑低温使用环境的情况下容许疲劳应力幅可按0.8系数进行折减.3 结论与建议通过吊杆螺扣试件的疲劳试验,研究了实体圆钢吊杆的疲劳性能.通过增加吊杆端部墩粗头的直径;改变螺顶高度,使螺顶形成纵向缓坡;改善螺齿形状和表面状态,使螺齿间更为平顺等三项措施,螺扣的应力集中问题得到明显改善,吊杆的疲劳性能得以显著提高.结合国外规范,考虑最不利情况下新开河特大桥钢箱叠拱实体圆钢吊杆的疲劳应力幅容许应力为σ(107)=[120～124]M Pa×0.8=[96～99]M Pa.满足设计应力幅为80M Pa的设计要求,这些改进措施为今后实体圆钢吊杆在铁路桥梁的应用奠定了基础.根据两次试验与模拟分析,有以下建议:1)第一螺扣处是最薄弱环节,试件的断裂均发生在该处.为进一步提高螺扣的疲劳应力幅,应对螺纹构造、应用高性能材料等方面进行深入的研究;2)螺纹成型工艺与应力集中问题关系密切,在推广应用时,应做进一步分析研究.参考文献:[1] 铁道第三勘测设计院集团有限公司等.TB10621-2009高速铁路设计规范(试行)[S].北京:中国铁道出版社,2010.[2] 中铁大桥勘测设计院有限公司.TB10002.2-2005铁路桥梁钢结构设计规范[S].北京:中国铁道出版社, 2005.[3] 铁道第三勘测设计院.TBJ2-85铁路桥涵设计规范[S].北京:中国铁道出版社,1986.[4] British Standard Institution.BS5400.Steel,Concreteand Composite BridgesΟPart10:Code of Practice forFatigue[S].British Standard,1980.[5] 欧洲钢结构协会.钢结构疲劳设计规范[S].西安:西北工业大学出版社,1989.F atigue Experiment R esearch on Solid Round Steel H anger of ALongΟspan Double Steel Arch B ridgeL IU YanΟming(The First Railway Survey and Design Group Co.,Ltd.,Xi’an710043,China)Abstract:Xinkaihe grand bridge on newlyΟbuilt passenger dedicated railway,Harbin to Dalian city,acrosses Fumin St reet in Changchun.The design adoptes138m do uble steel arch bridge which is firstly adopted in railway bridges and is set up in ballastless track region.Research work on key technology for t his bridge contains five part s,one of which is t he application of solid round steel hanger,including fatigue research, low temperat ure f ract ure to ughness research,anchorage plate connection research and so on.Fatigue prob2 lems of solid round steel hanger are discussed in detail in t he paper,and some achievement s are accom2 plished.K ey w ords:passenger dedicated line;double steel arch bridge;solid round steel hanger;fatigue11。
