长沙铁道学院学报JOURNALCllANGSHAOFRAILWAYINSTITUTE第Vo7卷第3期No1989年9e月l7aSPtigs。铁路桥梁疲劳应力谱的计算机模拟徐满堂文雨松(土木工程系)【摘要】本文提出了借助于电子计算机用列车编组单对影响线加载来模拟铁路桥梁疲劳应力谱的方法笔者将理论模拟结果同实测结果进行了比较便【关健询】证明所提出的方法对铁路桥梁疲劳应力谱的计算既方可行又省时经济列车编组单,影响线,模拟,疲劳应力谱J月JlJ舌占.对铁路桥梁进行疲劳设计与疲劳检算,首先应准确知道作用于其上的疲劳荷载以应力比p二口。‘我国铁路桥涵设计规范(TBJZ一85)把计算静力强度用的标准荷载作为疲劳设计荷载进行疲劳设计与疲劳检算实践表明作,,,即在中活载作用下,汀a,“等幅循环20万次作为依据,这样设计不尽合理其一,实际列车荷载具有很高的随机性且常处在欠载下工,桥梁结构的实际应力既非等幅循环也没有达到设计的应力值;;其二,对子不同跨度的桥梁用中载的随机性—对于各种不同跨度的桥梁是一个随机数,,活载进行疲劳设计每次列车通过只产生一次应力循环而实际上由于列车荷△a=其三,当前世界各国工程界所做的大量疲劳试验证明影响结构疲劳强度的主要因素不是应力比p因此,而是应力幅。。一J‘应力循环次数N和结构的构造细节现行铁路桥涵设计规范中有关疲劳设计的规定没,有反映疲劳设计的本质,根据新的疲劳设计理论及世界各国铁路桥梁界所做的研究各类构件应力谱最直接影响对铁路桥梁进行疲劳设计与疲劳检算首先应准确知道代表该结构实际应力变化情况的应力历程或应力谱获得铁路桥梁最可靠的方法就是对各种构件进行实际荷载的应力测量但是,用实测应力方法来获得铁路桥梁的疲劳应力谱尚存在一些问题诸如速度1989首先,测试工作受许多因素的,冲击构造细节等,其次,这…是一项费工费时的工作限于财力物力收稿日期一01一0吞等客观条件再者,,除一些典型的重要的桥梁外,不可能对所有桥梁及其构件都进行这项工作;,铁路桥梁各类构件在远期发展荷载作用下的应力谱无法测量且用短暂儿天的实测应力谱来分析桥梁结构的疲劳特性和疲劳寿命也不够全面可靠的计算铁路桥梁疲劳应力谱的方法因此:,必须从理论上寻求更简便为此,,笔者特提出用列车编组单对影响线加载,用电子计算机来模拟铁路桥梁各类构件在实际列车荷载作用下的疲劳应力谱即将列车编组从而获得铁路单上的车型载重按编组顺序输入计算机中,模拟成列车对影响线进行加载,桥梁各类构件的应力历程以从全国各大编组站获得然后用“雨流法”进行统计分析,得出其疲劳应力谱编组单可,由于计算图式的简化而引起的误差可以用结构校验系数来修正经济这种方法既方便可行,又省时是值得推广的好方法浏阳河桥应力谱实测与分析为了检验理论上提出的方法是否正确,笔者于1986年11月对京广线上的浏阳河下行桥进行了实际列车荷载的应力谱现场实测测点布置在48m下承式简支钢析梁的下弦杆竖杆,斜杆纵梁及最后一孔238Om预应力混凝土简支梁的跨中上下翼缘上,,此外,为了测定以便预应力混凝土梁的混凝土弹性模量在预应力混凝土梁的跨中布置了一个位移传感器如图测定运营荷载作用下梁体的实际挠度测试周期为三昼夜(1986111所示116一1986)8,在测试周期内,,6列桥上共通过列车13,其中货车91列细记录,客车44列,单机机头一列在测试同时对牵引机车类型及通过时间作了详试验完毕后又从城陵矶编组站抄来了所有测试列车的编组单广州声AA比愉.比9腼丫义p尹入讯砂^1lp湍黔传摘位移传感器它E仁E,曰Ba’已E.’BBB柳份.8}I困B,时叱弹备BB移B丈}￡2日,即望白异E了厂班性表座图1浏阳河桥基本结构与MJ点布置图l测试仪器采用日本TE只C公司生产的SR一soC型磁带记录仪与yD一15动态应变仪用SBD6B并型超低频双束示波器对测点波形进行监测典型的应力历程如图2所示客主吊杆瓜百八八介八叭蕊孟朴轰车纵公叭认:、儿『“_八_。客主汐应力呀_自{‘、、动_。”\\!叭代)等灯‘v\\户介访九丙W叩勺叭严劝从、l青r预应为梁二二二二二=二二二二二二‘一办代一~、~/洲叭尸队俩、~八V\\沪z、尸、产、、问气了图2典型的应力历程曲线*二山挠度测试反算出23用“8Om预应力馄凝土梁的混凝土弹性模量E,,肠1GPa.雨流法”对所记录的各条应力历程进行分析处理可求出在运营荷载作用下浏阳河桥各类被测构件在整个测试周期的应力幅与相应循环次数的关系分析仪器采用日本生产的尸S85型微机如表及图3所示具体分析过程如下框图所示女05浮22C型磁带记录仪、DF6型低通滤波器】、{PS85徽机采样l,}PS那微机存盘今雨流法分析处理铁路桥梁疲劳应力谱的计算机模拟1计算假定与模拟方法为简化理论计算,特作如下假定14(D8m钢析梁主析对4,不考虑节点刚性效应将所有节点视作铰结浏阳河桥实测应力幅一一次数表表1{、\\心~力幅(M)’aP{一10一20一2525一300}万\\件\\,5\\\\一10一15150一2030一35杆\\\\~4“5一40一}}一卜30045}\\\\丈\\一}’、夭下弦次数数频率(%)杆竖“2799100175553666195669{x。17“2}34。8了1000004753044937713324454….51102659463l224杆19166800}万8石“{{07013833…000510100000斜杆纵次数数频率(%)次数数当咦0/3744738001526516631000050901004887221221442000009779348820178820335235522442331366555}16077梁45900500104991196630660661413244…,。0。0a’0性愕杆件5一11一22一33一44一55一66一77一88一9艺~\\飞(5一10(1仓5(16一215)(215(27一32(325(38一43(435(49一545)6一16一27525)8一38735)一49)5)预应力梁上顾j||喻卜!se次数率(%)其缘混凝土预应力梁下冀次数)…1………全11i巴i二1竺上兰竺…竺…竺…兰竺}…}22。5699721。1032-一10000534一14214一776」56{幼{翻}10963!00..缘最外层钢丝频率(%)5545758958224勺万份2(2)对纵梁,,不考虑纵梁与横梁之间的刚性效应不考虑竖向框架的作用,,将两端视作铰结,即把纵梁简化为跨长为sm(3)(4)截面形式为跨中截面几何特性的等截面简支梁对竖杆,将两端视作铰结23将预应力混凝土简支梁简化为跨长为,8om,截面形式为跨中截面几何特性的等,截面T形梁5)对所有构件的加载(不考虑列车通过时的横向摇摆力与蛇形作用将列车荷载视作集冲的轮轴荷载,不考虑桥面系,道碴及钠轨梁的作用有了上述假定将各种机车,车辆的特征参数和实际列车编组单上的车型4载重按顺序输入计算机中便可以模拟出实际列车的轴重与轴距一定的步长对影响线进行加载将模拟出的列车置于影响线的一端以,如图所示,则可以模拟出实际列车通过桥梁时各类构件的则可得出应力幅与相应循环,应力历程利用“雨流法”对模拟出的应方历程进行统计分析所示的框图进行次数的关系具体计算可按图515沐07常加%怕0508506叨卞拙样506加叻。卜竖冷牢诫切加02即‘曰匕一一一53404乞500加01加0t了1心15202530匕走二口一土J二1口‘上兰习古01510王52034116钦数2971397,冬44913335230534045507次数顿率15272卯l的助却74.即,颐23?.4叩邸5卯ZU邵刀邵伽印腼率2718160435701105加岛30354045079117633次数别留拓器55057叨邵邓邸叼军邓川华70纵梁顶应力梁上冀缘混凝土债趁力梁最外层的丝一[0O6L051临162场273距384辈49别p0巧加肠310肠劫肠50临切势即却印印70即叩.0154000次数594邓111571820]112792次橄炭拍787器3177次数翻2所14620’53271582172t份即1报气,甲口球场叩顿轧邵2圳夕叩荤哈叩叩的顿率5刁l币邻印邵邵功举策萝O5玄。匕上上二J习二匕‘已沟梦抑图3浏阳河桥实测应力幅—次数直方图讨l晓代一氏{代几备,长曰—某轮轴荷载在影响线上的位置尸产△—移动步长后在影响线上的位置P,x图4影响线加载法示意阎.22模拟结果,设K为结构校验系数、二则(‘’青耀馨怪彭,,实际计算时可用机车通过桥梁即时,结构构件的实测最大应力与理论模拟的最大应力之比来求得K芬耀鬃黔鼎糕;,(2)设K为结构设计系数设计欠载系数K、K:为结构,则1竺生全旦些实测最大应力途堕尸几2二二二星二二拼一“中应币马否载开勺豪天力值‘—一一,瓢(3)K么二(4)对于浏阳河桥,各类被测构件有关,计算结果如表2有了结构校验系数便可以利用列车编组单对影响线加载的方法方便地模拟出浏阳河桥各类构件在实际列车荷载作用下的应力历程和应力谱图6,如表3和所示图5影响线加载法计算框图表2结构校验系数计算表\\\\\\构件\\算计\\参\\数\\口,理l。实}。巾下弦杆竖6639只7826b迁080445510600n06670420463297仆630杆杆梁31278岛0时肠b000斜纵206769129750553预应力混凝土梁…443584203460500070467617浏阳河桥理论模拟应力幅一一次数表5一100表3-45一50}10一15515一20020一25250一3030一35{}l{35一4040{1}一45}{1}\\火297744一1399下弦杆次数频率(%)733209337310914l61664997133133349770317724113896456644100000竖”斜杆数一次数1527216823350866341216043325770430016188一频率(%,次数数频率(%)093381088371166635220100003405979135383555799l72000667662811},36595}7l1665605100000纵7657327166515823l31177341964100梁3895580317715889220001一22一33一44一55一6(又夕只6一77一88一9E(105一(16一21(215一(27一3216)5)27)5);;;40—(38一(435一43(49一545)49)5)预应力梁上次数频率(%)52一211,7,‘65一‘8,520001239翼缘混凝土22一9111247961532330000001000005预应力梁下翼次89213()5缘最外层钢丝频率%卜}2171052297689一22436311096一0914一一{l31}一!一1147711”“‘”100000…3理论模拟结果同实测结果的比较为了验证理论模拟方法的正确性图7,应将理论模拟结果同实测结果进行比较,给出了某次列车通过桥梁时从图,浏阳河桥下弦杆和竖杆的实测应力历程与理论模拟的理论模拟的应力历程同实测应力历应力历程87可以看出,乘以结构校验系数K以后程基本一致图给出了浏阳河桥各类被测构件的实测累积应力谱与理论模拟的累积应力谱,从图8可以看出理论模拟的累积应力历程同实测累积应力历程亦基木一致4结论,从前面的理论研究与试验分析l)用编组单对影响线加载(本文得出以下几点结论:用计算机模拟铁路桥梁疲劳应力谱的方法是方便的可行忿260704劝3伯笔劝7功0206沁切下弦杆2J叫习匕七上工1士过J一芝51015202与3035404550210215次数279J00频辛536Jg5610305扔23035407次数809物幸刁巧I劝匆1.G7习留军沁1O必细5距1竿邸似军军朗沥如58311136势些50O51015L土二J二=-一=二止絮202530354045507次数3刊名02616105lp0领率7距1即匆邵以单如0.o杨应力梁仁翼缘混凝土预应力毋最外层钢丝石沥]62场273季384邵495闷2553临印2D劝p印印0次封77Q3481782韶52拓24376562752赴招000次致幻毛142342102今5625次数5翻294!l1标率5望舫如即井邵41弃军娜率】‘1芥劝印即刀叩田印颇率叉币哪邓竿勿叼切邵邹卿2毒115_l二二日匕仁上正=臼口竺。仁」{l州000504023445l一哎劝印叩-。5]图6浏阳河桥理论应力幅一一次数直方图,的,既可列出疲劳应力谱的数据(2),又避免了实测应力谱工作的缺点,省时,经济列车编组单可以从全国各大编组站获得收集范围广,代表性强大量工作可以在,计算机上完成(3)在当前条件下,是值得推广的好方法,,在全国各大编组站收集编组单的基础上,对全国各条主要干线的运量进行调查9通过统计分析可得出代表全路运营特点的典型列车更省时,利用典型列车对影响线加载来模拟铁路〕桥梁的疲劳应力谱更方便合,有关论述见文献[本文提出的铁路桥梁疲劳应力谱的计算机模拟方法一旦与结构校验系数的研究结果相结对于铁路桥梁的疲劳设计与疲劳检算及疲劳可靠性研究可以省去大量的实测工作,具有实用价值91C)‘阶P肠66/一实侧应力不程应力历程/Z一户,、\\\\—一理蛇/诊斗妙,13甘2八,/凌\"沈价扩书—一买柳}应力历程厂/、一一理一索U论应力哺程又KO匆丫叮勺扩了左矛叁下之了图7下弦杆竖杆应力历程比较图即)呻a碑已下花料01汤04乃5320a)寸毋(州P竖杆一一一一一实侧应力潜叫‘5弓o一理铃应刀,伏!广“5”o25巴)卜r卜己o’,‘-一一一一一~几_门l一1端}。上毛夕滋-bQ10200300400500600?00一O器0500750飞000仑50仁500t750仓曰(呵尸日,△犷(付Paj斜科纵梁04动团102石加354504加4巧肠503511L飞,,气L一1—广勺人~,一一一一门,~、_l!O一尸飞让芝‘酬‘b工主竺{0Loo209300400500弓00?0002示0500750L000一250、5001750乐.16乳歇9.3屯1乙众△么t500000‘州公,t川P。)预应力梁上狱缘混凝工债应力梁砖朴层石呵丝3厂253.沐洗火3?4,斤乙59575一一门1L一人一一一_105气二匕塑一一】,汤讥一T一匀0200400600一另0L00O—12001400O加O400-6008001OQO200140秒0图8实测累积应力谱理论累积应力谱比较图21参HRr考Des文no献aitMAFatigueConsideratioelhuknfortheigfRilwayBridgesIABSEProeeedings1052,56~92omanWoRtaonodMMa丁rbalrlASCE19了6202(1)207~213SehillingCGFRYBALelASCEa2977a103(8)1561~1575RailInterntionl19503(10)573一597曹雪琴桂志华钢析梁中各种构件的应力谱实测与分析上海铁道学院土木系1985铁科院铁建所我国部分铁路干线桥梁轴重与应力的分布及分析铁道科学研究院铁建所王兴铎铁路钢桥疲劳设计荷载研究铁道科学研究院研究生论文19831983钱冬生关于铁路钢桥设计规范的现状及所需的改进铁道标准设计通讯1988徐满堂铁路桥梁疲劳应力谱的计算机模拟长沙铁道学院研究生论文1988俞国音钢结构疲劳设计趋向钢结构研究论文报告集(二)北京冶金部建筑研究总院198325~93ComPuterSimuatinglofFatigueStressesSpeetraXuofRailwayBridgtanMann夕r附ingeneyuson夕(CiilEgineeDpart扭ent)1Abstraet】Withstressthesaidoffaco,mPuteramethodausedtosimulatethefatigueeneepeetramoailwyrabridgesbylodingtheinfluinthisPaPerenlineswiththeeatrainarsarehallinglist15PresentedcoThetheoretilresultsmParedwithettheexPerim,ienttalonesItanindicatesthatthePresentedmcohod15fatigconvenfeasible一fasttrauodeeonoes-micalinmPutingtheuestresssPecsfrailw;aybridgetKeywords】trainmarshallinglist;influenceline;imlatefatigustresssPectra