大跨度鋼箱疊拱橋?qū)嶓w圓鋼吊桿疲勞試驗研究_圖文

1、第 29卷 第 3期 2010年 6月蘭 州 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報Journal of Lanzhou Jiaotong University Vol. 29No. 3J une 2010 文章編號 :10014373(2010 03000705大跨度鋼箱疊拱橋?qū)嶓w圓鋼吊桿疲勞試驗研究3劉 彥 明(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 , 陜西 西安 710043摘 要 :新建哈爾濱 -m , , 方面內(nèi)容 , , 本文就實 , . 關(guān)鍵詞 :; ; 中圖分類號 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :A1 工程概述本橋為哈大客運專線新開河特大橋跨越長春市富民大街而設(shè) , 本段線路位于直線上 , 線路平坡 , 客 專正線與

2、富民大街線路斜交為 59°, 因橋梁的建筑高度受控及景觀需求 , 設(shè)計采用 1138m 鋼箱疊拱結(jié)構(gòu) . 哈大客專為一次雙線 , 線間距 5m , 設(shè)計速度 目標(biāo)值 350km/h , 鋪設(shè) CR TS 型板式無碴軌道 . 該橋地處低溫嚴(yán)寒地區(qū) , 最低溫度達(dá) -36. 5 . 整 體渲染圖見圖1. 圖 1 全橋渲染圖Fig. 1 B ridge rendering view 拱橋常用的吊桿形式從剛度方面分有剛性吊桿 及柔性吊桿 . 剛性吊桿因能降低梁端轉(zhuǎn)角 , 減小撓跨比值 , 增大結(jié)構(gòu)剛度 , 吊桿受力均勻 , 使用壽命長等 諸多優(yōu)點得以廣泛采用 . 目前國內(nèi)剛性吊桿應(yīng)用較 多為

3、工字鋼吊桿 , 但因該橋與道路斜交角度較大 , 加 之工字鋼吊桿截面較大 , 影響橋梁的整體美觀 , 為獲 得良好的景觀效果 , 設(shè)計采用實體圓鋼剛性吊桿 , 此吊桿形式在鐵路橋梁中為首次應(yīng)用 , 其超長吊桿的 連接 、 與系梁拱肋耳板的連接處理 、 尤其是在低溫嚴(yán)寒條件下長期承受列車動荷載的疲勞問題是實體圓 鋼吊桿應(yīng)用的關(guān)鍵 .新開河特大橋的拱肋距橋面 35m , 為了安裝 、 調(diào)整受力 、 后期更換的方便 , 超長吊桿間以及吊桿與 端柄間采用螺扣連接 . 在列車經(jīng)過時 , 吊桿處于高應(yīng)3收稿日期 :20100316作者簡介 :劉彥明 (1969, 男 , 河北高陽人 , 高級工程師 . 蘭

4、 州 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報 第 29卷力狀態(tài)反復(fù)承拉 , 螺扣在正拉狀態(tài)下的疲勞問題非 常嚴(yán)重 , 因此需要針對吊桿的螺扣連接疲勞問題進(jìn) 行分析研究 .2 吊桿疲勞研究2. 1 疲勞試驗循環(huán)次數(shù)的考慮鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 2規(guī)定 , 一般情況 下鋼結(jié)構(gòu)疲勞試驗的循環(huán)次數(shù)為 2×106次 , 但應(yīng)具 體分析各個構(gòu)件的受力情況以及一列列車經(jīng)過時所 分析構(gòu)件經(jīng)歷幾個疲勞循環(huán) . 該橋共有 15對吊桿 , 由于縱橋向為對稱結(jié)構(gòu) , 8, 吊 桿 7受力最大 .軸力影響線 , (加載側(cè) , .2Axial force influence line of hangers從各吊桿的影響線可以看

5、出 , 一列車經(jīng)過時只 產(chǎn)生一次最大值和最小值 , 即經(jīng)過一次疲勞應(yīng)力循 環(huán) , 因此吊桿的疲勞試驗循環(huán)次數(shù)暫可以考慮采用 規(guī)范中規(guī)定的 2×106次作為標(biāo)準(zhǔn) .2. 2 吊桿疲勞試驗1 試件制作及加載方式吊桿采用 460級合金鋼制作的直徑 130mm 實 體圓 鋼 , 其 力 學(xué) 性 能 指 標(biāo) 為 抗 拉 強 度 b 610 M Pa , 屈服強度 s 460M Pa . 根據(jù)實際疲勞試驗情 況 , 制作 1 2試件 .吊桿螺紋連接試樣疲勞試驗與以往的焊接構(gòu)造 細(xì)節(jié)疲勞試驗不同 . 焊接試件由于存在殘余應(yīng)力 , 疲 勞加載噸位只需要考慮幅值即可 , 而吊桿螺紋連接 的試樣則不存在

6、殘余應(yīng)力 , 這時的疲勞性能需要考 慮加載的應(yīng)力比 . 從吊桿的影響線可以看出 , 應(yīng)該是 從無車到有車 , 再到無車 , 也就是 , 疲勞荷載幅值應(yīng) 該是從恒載應(yīng)力到恒載 +活載應(yīng)力 . 該橋吊桿恒載 作用下最大應(yīng)力是 130M Pa , 恒載 +活載作用下最 大應(yīng)力為 210M Pa , 最大應(yīng)力比 =0. 619, 平均應(yīng) 力 170M Pa .考慮應(yīng)力比進(jìn)行疲勞試驗的加載方案有兩種 . 第一種 , 保持應(yīng)力比不變 , 改變應(yīng)力幅 ; 第二種 , 控制 最大應(yīng)力比 , 保持最小應(yīng)力不變 . 分析現(xiàn)行規(guī)范 2, 對 非焊接構(gòu)件連接的疲勞檢算 , 在拉 拉受力狀態(tài)時 , 與焊接構(gòu)件相同 ,

7、即為應(yīng)力幅控制 ; 鐵路橋涵設(shè)計 規(guī)范 3規(guī)定 , 當(dāng)最大應(yīng)力為拉應(yīng)力時 , 疲勞容許應(yīng)力 n =1-0. 6, 從中可以看出 , 應(yīng)力比 值越 大 , 疲勞抗力也越大 , 值小 , 疲勞抗力也小 , 即相同 構(gòu)造所承受的疲勞荷載的應(yīng)力比 值越小時 , 它的 抗疲勞能力越差 .在設(shè)計疲勞試件時 , 希望能夠使試件盡可能做 大 , 且將試驗機(jī)的噸位用足 . 如果采用第一種方案 ,8 第 3期 劉彥明 :大跨度鋼箱疊拱橋?qū)嶓w圓鋼吊桿疲勞試驗研究 加載需要很高的噸位 , 所以不得不減小試件尺寸 . 采 用第二種加載方案是控制最大應(yīng)力比 , 這樣可以得 到不利情況 , 試驗機(jī)也能夠?qū)崿F(xiàn) , 同時還能保

8、證試件 為 1 2的大比例模擬 . 經(jīng)研究確定采用第二種加載 方案 , 試驗中控制各試件的應(yīng)力比小于實橋受力時 的應(yīng)力比 0. 619. 考慮到吊桿恒載應(yīng)力為 130M Pa , 對應(yīng)的荷載為 431kN. 為了加載操作方便 , 將加載 各試件疲勞試驗最小控制噸位均取 400kN , 進(jìn)行拉拉循環(huán)加載 .2 首批試件試驗根據(jù)吊桿生產(chǎn)廠家原有技術(shù)工藝水平生產(chǎn) 10根試件 , 對其中的 6根試件進(jìn)行疲勞試驗 , 試驗結(jié)果 見表 1. 通過對試驗結(jié)果的分析 , 發(fā)現(xiàn)兩個問題 :試 件的疲勞試驗結(jié)果很不理想 ; 所有試件破壞均發(fā)生 在第一排螺扣處 .表 1 T ab. 1 F atigue exper

9、iment of st 試件號荷載 /kN/循環(huán)次數(shù) N D111301428067100D123. 5170214500D134000. 48193. 8130535200D144007630. 52424. 5110859100D154006640. 60245. 5803315300D164007320. 54645. 01001194800對表 1中數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸 , 6根 D1(第一批 試件 的試驗回歸曲線為lg N =12. 1982-3. 0442lg, 0(2×106 =86. 54(M Pa . 相關(guān)系數(shù) r =-0. 9914, 均方差 s =0. 0868, 取

10、97. 7%保證率 , 減去兩個標(biāo)準(zhǔn)差 , 回歸曲線下限為lg N =12. 0247-3. 0442lg, 0(2×106 =75. 89(M Pa . 吊桿實際設(shè)計疲勞應(yīng)力幅為 80M Pa , 因此不能 滿足使用要求 .3 原因分析及改進(jìn) 通過設(shè)計 、 制造 、 實驗三方共同分析 , 認(rèn)為 :所有 試件破壞均發(fā)生在第一排螺扣處主要是因為應(yīng)力過 于集中造成的 . 經(jīng)研究 , 確定從三個方面改進(jìn)螺紋的 疲勞性能 :增加吊桿端部墩粗頭的直徑 ; 改變 螺頂高度 , 使螺頂形成縱向緩坡 ; 改善螺齒形狀 和表面狀態(tài) , 使螺齒間更為平順 .為驗證原因分析的正確性及改進(jìn)措施的有效 性 ,

11、 采用 ANS YS9. 0結(jié)構(gòu)分析通用軟件 , 對改進(jìn)前 后吊桿螺扣試件進(jìn)行有限元對比分析 .對吊桿螺扣建立有限元模型較一般結(jié)構(gòu)有所不 同 . 建模步驟是 :首先建立牙型的形狀 . 牙型的形狀 比較復(fù)雜 , 由上下不同的圓弧以及相切斜線連接組 成 , 如圖 3所示 .為保證牙型線的連續(xù)性 , 需要精準(zhǔn)確定點位 . 生 成牙型線后 , 根據(jù)螺紋內(nèi)外徑的大小以及牙齒高度 來生成螺紋切面 , 最后通過旋轉(zhuǎn)生成螺扣實體模型 .圖 3牙型簡圖Fig. 3 Tooth shape screw由于改進(jìn)前后模型螺扣在幾何尺寸上有變化 , 共建立了兩個螺扣模型 , 在螺桿處施加 1M Pa 的單 位壓強 ,

12、以考察螺紋應(yīng)力集中的變化 . 改進(jìn)前的模型 總共劃分 6050個節(jié)點 , 26196個單元 , 等效應(yīng)力云 圖見圖 4a ; 改進(jìn)后的模型總共劃分 6671個節(jié)點 , 28497個單元 , 等效應(yīng)力云圖見圖 4b .9蘭 州 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報 第 29卷 圖 4試件螺扣等效應(yīng)力云圖Fig. 4 Equivalent stress cloud of screw specimen對比圖 4a ,b 可以看出 , 改進(jìn)前螺扣的最大應(yīng)力 集中系數(shù)為 3. 17, 而改進(jìn)后的最大應(yīng)力集中系數(shù)為 2. 77, 應(yīng)力集中系數(shù)有了較大改善 .模擬分析中僅考慮了螺紋段齒根直徑的變化 , 尚未計入螺齒自身形

13、狀的改進(jìn)以及螺紋表面光滑度 的差別 , 因而不能完全反映上述改進(jìn)措施的整體效 果 , 需要試驗進(jìn)一步驗證 .4 第二批試件實驗 , 根試件 , 重新進(jìn)行 . , 5根 D2(第二批 試件 lg N =19. 0007-5. 6021lg, 0(2×106 =184. 90(MPa . 相關(guān)系數(shù) r =-0. 9741, 均方差 s =0. 1777, 取 97. 7%保證率 , 減去兩個標(biāo)準(zhǔn)差 , 回歸曲線下限為表 2 第二批吊桿疲勞試驗結(jié)果T ab. 2 F atigue experiment results of the 2nd b atch h angers試件號荷載 /kN應(yīng)

14、力比 頻率 應(yīng)力幅 /MPa循環(huán)次數(shù) N D2140010640. 37593. 3200721900D2240013950. 28672. 6300171600D234008980. 44544. 015081581313D2440012630. 31672. 8260267800D2540010300. 38833. 01902077700注 :3號為等效次數(shù) , m 取 5. lg N =18. 6453-5. 6021lg, 0(2×106 =159. 77(M Pa . 第二次試件疲勞強度較前次試件對應(yīng)在 2×106次的疲勞應(yīng)力幅整整提高了 84M Pa .5 兩

15、批吊桿試件 S N 曲線的結(jié)果對比兩批試件的 S N 曲線散點分布見圖 5, 其中 , 試 件號 D1為首批加工試件 , D2為改進(jìn)后第二批加工 試件. 圖 5改進(jìn)前后吊桿螺扣試件 S N 曲線Fig. 5 S N curve of of screw specimen由圖 5可知 , 改進(jìn)后試件的疲勞試驗數(shù)據(jù)點位明顯高于改進(jìn)前 , 說明改進(jìn)后試件疲勞試驗結(jié)果明 顯優(yōu)于改進(jìn)前 , 特別在應(yīng)力幅為 100M Pa 附近時循 環(huán)次數(shù)增加更為顯著 , 由上面分析可知 , 對應(yīng)于 2×106次的疲勞應(yīng)力幅在改進(jìn)前為 75. 89M Pa , 不能滿 足設(shè)計要求 ; 而改進(jìn)后提高到 159. 7

16、7M Pa , 提高幅 度達(dá) 110%, 完全滿足設(shè)計要求 . 同時也說明實際改 進(jìn)效果比數(shù)值模擬結(jié)果好很多 .2. 3對客運專線橋梁吊桿疲勞問題的進(jìn)一步分析由于新建哈大鐵路為客運專線鐵路 , 設(shè)計使用 年限為 100年 , 從預(yù)期運營頻次看 , 在長春西站遠(yuǎn)期 預(yù)計達(dá) 178對 /日 , 在設(shè)計使用年限內(nèi)吊桿的疲勞 反復(fù)應(yīng)力次數(shù)可能超過 2×106萬次 . 故對客運專線 橋梁吊桿應(yīng)考慮最不利情況按照疲勞極限強度進(jìn)行 估算 .關(guān)于構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞強度 (截止限 研究國內(nèi) 尚無成熟的研究成果 . 對照國外相關(guān)設(shè)計規(guī)范 , 對疲 勞截止限分析如下 :在英國 BS5400規(guī)范 4中 , 提出

17、疲勞循環(huán)次數(shù) 1000萬次對應(yīng)的強度為疲勞裂紋不擴(kuò)展的強度 , 即 為疲勞截止限 . 據(jù)此 , 則由第二次試件疲勞試驗 S 01 第 3期 劉彥明 :大跨度鋼箱疊拱橋?qū)嶓w圓鋼吊桿疲勞試驗研究N 曲 線 方 程 lg N =18. 6453-5. 6021lg 得 :(107 =119. 88M Pa .在歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會 鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計規(guī)范 5中 , 認(rèn)為疲勞 S N 曲線在 500萬次時有一個拐點 , 即在 500萬次以前疲勞 S N 曲線的斜率為 m , 在 500萬次至 1000萬次時斜率為 m +2, 此時對應(yīng) 1000萬次時的強度為疲勞截止限 . 按照該規(guī)律 , 由 第二次試件疲勞試驗

18、 S N 曲線方程 lg N =18. 645 3-5. 6021lg 得 , 500萬次至 1000萬次的 S N 曲 線方程為 lg N =22. 9057-7. 6021lg 得 :0(107 =123. 84M Pa .124.2. 4考慮使用環(huán)境對橋梁吊桿疲勞的影響該橋地處我國東北的吉林省長春市長春西站附 近 , 屬于低溫嚴(yán)寒地區(qū) , 最低溫度達(dá) -36. 5 , 應(yīng)考 慮吊桿的低溫斷裂韌性對允許疲勞應(yīng)力的影響 , 參 照中國鐵道科學(xué)研究院在青藏鐵路結(jié)合梁鋼梁的試 驗研究中進(jìn)行的低溫疲勞試驗結(jié)果 , 在低溫下的疲 勞容許應(yīng)力幅需要折減 20%的結(jié)論 . 再根據(jù)吊桿 (35CrMo 材

19、質(zhì)斷裂韌性與 Q370qE 相當(dāng)?shù)?C TOD 試驗結(jié)論 , 該橋吊桿在考慮低溫使用環(huán)境的情況下 容許疲勞應(yīng)力幅可按 0. 8系數(shù)進(jìn)行折減 .3結(jié)論與建議通過吊桿螺扣試件的疲勞試驗 , 研究了實體圓 鋼吊桿的疲勞性能 . 通過增加吊桿端部墩粗頭的直 徑 ; 改變螺頂高度 , 使螺頂形成縱向緩坡 ; 改善螺齒 形狀和表面狀態(tài) , 使螺齒間更為平順等三項措施 , 螺 扣的應(yīng)力集中問題得到明顯改善 , 吊桿的疲勞性能 得以顯著提高 . 結(jié)合國外規(guī)范 , 考慮最不利情況下新 開河特大橋鋼箱疊拱實體圓鋼吊桿的疲勞應(yīng)力幅容 許應(yīng)力為(107 =120124M Pa ×0. 8=96 99M Pa

20、 .滿足設(shè)計應(yīng)力幅為 80M Pa 的設(shè)計要求 , 這些 . , 有以下建議 :, 應(yīng)對螺 、 應(yīng)用高性能材料等方面進(jìn)行深入的研究 ; 2 螺紋成型工藝與應(yīng)力集中問題關(guān)系密切 , 在 推廣應(yīng)用時 , 應(yīng)做進(jìn)一步分析研究 .參考文獻(xiàn) :1 鐵道第三勘測設(shè)計院集團(tuán)有限公司等 . TB10621-2009高速鐵路設(shè)計規(guī)范 (試行 S.北京 :中國鐵道出 版社 ,2010.2 中鐵大橋勘測設(shè)計院有限公司 . TB10002. 2-2005鐵 路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 S .北京 :中國鐵道出版社 , 2005.3 鐵道第三勘測設(shè)計院 . TBJ 2-85鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范 S.北京 :中國鐵道出版社 ,19

21、86.4 British Standard Institution. BS 5400. Steel , Concrete and Composite Bridges Part10:Code of Practice for FatigueS.British Standard ,1980.5 歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會 . 鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計規(guī)范 S.西安 :西北 工業(yè)大學(xué)出版社 ,1989.F atigue Experiment R esearch on Solid Round Steel H anger of ALong span Double Steel Arch B ridgeL IU Yan ming(The First Railway Survey and Design Group Co. ,Ltd. ,Xi an 710043,China Abstract :Xinkaihe grand bridge on newly built passe