铁路钢桥主梁的疲劳寿命评估
Abstract：In recent years, Istanbul Marmaray project (Marmaray project) has entered a substantive stage, this project linking Europe and Asia and used for the first time under the water connection.Because of the steel bridge in the railway infrastructure will also be used for this project, so here we study the factors affecting the remaining useful life of the steel bridge, and the possibility of extending its fatigue life.
Keywords: Railway bridge, Fatigue, Remaining fatigue life, Bridge assessment, Field testing
摘要:最近几年，伊斯坦布尔的马尔马雷工程（Marmaray project）已经进入了实质性阶段，这个工程把欧洲和亚洲连接起来，并且第一次使用了水下连接的方式。由于钢桥也会用于此工程的铁路基础设施中，所以在这里我们研究了钢桥剩余有效使用期的影响因素，以及延长其疲劳寿命的可能性。
关键词：铁路桥，疲劳，剩余疲劳寿命，桥梁评估，实地测试
1. 引言
在世界各地的铁路基础设施中，桥梁起着举足轻重的作用。但是，随着铁路运输需求的增加，一些普遍性问题也开始显现。主要问题就是那些即将到达或者已超过设计寿命的钢桥，它们日复一日经受着日益增长交通压力、逐渐老化的零件和大量的循环应力。因此，对铁路钢桥的健康状况进行评估就显得尤为重要。
在此次研究中，我们采用了土耳其通用的方，对铁路钢桥的现实案例进行分析，以确定桥梁剩余有效使用期的影响因素，并探讨了延长疲劳寿命的可能性。
2.研究背景
2.1雷工程（Marmaray project）
尽管连接博斯普鲁斯海峡的愿望可以追溯到19世纪的土耳其帝国时代末期，但马尔马雷工程到2002年才开始进入设计阶段，并于2004年正式开始施工。
这个工程将通过博斯普鲁斯海峡的海底隧道连接两条现有的轻轨运输（LRT）系统。其主要结构和系统包括1.4公里长56米深的海底隧道（也是目前最深的海底隧道）、钻挖隧道、随挖随填隧道、3个新式地下车站、37个地面车站（如果可能，会对现有的地面车站进行翻新和升级）、一个操作控制中心、维护设施、经过升级的地面轨道和地面新增的第三条轨道。
马尔马雷工程的三个主要目的是：（1）为伊斯坦布尔的城市交通运输问题提
供一个长期的解决方案；（2）连接亚洲和欧洲的铁路网；（3）提高铁路服务的可靠性、可用性、准时性、安全性和运输能力[1]。当2009年完工时，马尔马雷铁路隧道和通勤铁路公共交通系统将达到76公里长。
为了在有限的预算下节省更多的开支，打算对轻轨运输网上现有的铁路桥梁进行评估，如有必要，可以对那些桥进行适当的维修和改进。为了能达到目的，承包商们对现有的铁路桥进行了讨论和磋商。此次我们会对其中的一座桥梁的健康状况和剩余使用寿命进行预测研究，这座桥就是耶迪库勒（Yedikule）铁路桥，于20世纪50年代修建，是连接伊斯坦布尔和希腊边境的双线铁路桥。为对这座桥进行评估，我们要对桥梁结构进行静态和动态测试，再对测试过程中收集到的数据进行分析，看是否能找到一个可行的方法能把使用寿命扩展到100年。
2.2 耶迪库勒（Yedikule）铁路桥
这座桥距离斯克西站约10公里，举世闻名的“东方快车”往返于伊斯坦布尔和威尼斯之间，斯克西站就是这条线的起点站。该桥同时位于连接土耳其和欧洲的主线，不仅为斯克西和哈卡立提供客运服务，还提供货运服务。
耶迪库勒桥是一座双线铁路桥，由4个铆结钢梁（包含横梁和纵梁）的跨度组成，还有一个露天平台。每一跨的总长为13.5米。该桥每一跨的三维图形如图1所示。
该桥所有跨度的示意图如图2所示，相关信息在图中已被标出。
图1 一个典型桥跨的三维图形
图2 桥梁示意图
在这四跨中，第四跨停止服务持续了一两个月前，这是由于这一跨遭到了一辆超载卡车的撞击。这次撞击造成了桥跨中部永久性的水平扭曲，且最大侧向变形达到了12cm，桥下的肋板也遭到了破坏。所以，这一侧轨道当时停止了运行，第四跨被甚至取消和替换掉了，尽管这样会对前三跨的研究造成影响，但我们仍然把第四跨纳入研究范围，收集数据以供未来可能进行的研究。
3. 评估程序
在对桥梁结构进行有限元计算机建模之前，还要进行外观检查，材料试验，伪静态和动态测试以对模型进行校准。在本节中，我们会解释这三个步骤。
3.1 对潜在疲劳裂纹进行目测检查
我们使用放大镜、钢丝刷和照相机对整个桥的四跨进行了外观检查。虽然我们未能检测到任何疲劳裂纹，但我们仍然可能会忽略掉来自两块铆结钢版之间和铆钉头下方的疲劳裂纹。
3.2 钢材测试
我们对钢材样品进行了拉伸试验和夏比V形缺口冲击试验。
3.2.1拉伸试验
在第四跨上已遭到破坏的横向十字撑条上取得四份较完好的样品，抗拉强度试验采用美国试验材料学会（ASTM）的标准[2]，以判定桥梁使用钢材的品质。其试验结果如表1所示。
试验结果显示钢材质量符合S235等级。
3.2.2夏比V形缺口冲击试验
来自该桥的3份样品在室温下进行测试，测试结果如表2。
从测试结果可以很明显地看出，样品质量是符合要求的。
3.3桥上现场试验
我们在桥上进行了自由振动测试和伪静态测试，这个过程获得的各种结构参数可以帮我们判定桥梁结构的真实状况。
3.3.1 自由振动测试
这个测试主要用于以下几个目的：（1）评估桥梁的动态特性（其数据稍后可以用来升级模型），（2）预测任何可能存在的结构损伤。
在这个试验中，我们采用的是特拉技术公司（Terra Technology Corporation）生产的SA-102型加速计。为了获得水平和垂直两个方向的加速度，我们把两个单轴加速计安装在一个具有3条可调支架的不锈钢基座上，这样两个单轴加速计就组成为一个双轴加速计。加速计的摆放位置如图2所示。
桥跨的动态荷载由E43000型电力机车产生，该机车在通过桥梁后能够产生良好的剩余振动.于加速计记录的原始数据并不直观，所以在确定模型参量之前还要对收集到的数据进行预处理。
数据的预处理包括排除噪音污染和异常值，还要考虑到批量采集数据的同步性，并对平均值和总体趋势进行分析。
1 拉伸试验结果
表2 夏比V形缺口冲击（CVN）试验结果
在模型确定过程中，我们会记录桥跨的第一振动模式。很显然，在记录过程中，第一跨的精确度要高于其余三跨，这是由于在第一跨中使用了更多的加速计（见图2）。为了确定模型参数，我们使用快速傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT）技术对收集到的加速数据进行预处理，如此便获得每一跨的加速频谱。
快速傅里叶变换法的结果可以用来校准桥梁的计算机模型，用梁单元来模拟其中一跨，这里我们采用了通用的有限元分析软件COSMOS/M，用一维的刚性杆来模拟弹簧元件和角撑板等支承结构[3]。把收集到的频率和初始计算机模型的形状和频率相比较，分析其中的差异，通过改变模型支撑点弹簧元件的刚度来校正模型。这样，相应的频率就是对应每一跨的第一弯曲振动模式，每一跨的第一模式频率如表3所示。
表3 前三跨的第一模式频率
理论频率（Hz） 实验频率（Hz）
第一跨 19.05 18.99
第二跨 19.05 18.95
第三跨 19.05 19.09
3.3.2 伪静态测试
为把桥梁的使用寿命延长到100年，不仅要通过调整支撑点的弹簧系数来校准计算机模型，还要考虑真实桥梁和计算机模型桥梁部件的应变值是否与之相符
合。所以我们在桥梁结构的相应位置安装了DS-5型应变传感器，这样当E43000型机车以大约5km/h的速度通过这座铁路桥时，我们便能获得相关部件的应变值。
系统优化设计可以用来调整结构刚度，比如弯曲刚度、轴刚度和抗扭刚度，弹簧系数也可以自动适应以改善初始计算机模型。在这个过程中，对于那些安装应变传感器的位置，这些位置压力测量值和理论值之差的平方和就是我们需要的目标函数，参照公式1。
（1）
此处n为参与统计的应变传感器的个数，σak为使用初始计算机模型解析出来的理论压力值，σek为试验测得的实际压力值。
在目标函数中，改变优化参数（也就是此时计算机模型结构的刚度参数）使其达到最小。在获得合适的优化参数之后，已被细化的模型便可以确定下来。在图3中，与初始模型相关的测量应变曲线和理论应变曲线分别用蓝线了绿线表示，在同一张图上，已被优化模型的理论应变值用红曲线表示。
图3跨距中部主梁顶部应变曲线
4. 载重等级评定
在载重等级评定过程中，对于优化后桥梁模型，我们采用了国际铁路联盟（UIC）[4]规定的装载配置。桥梁构件失效的额定系数可由计算机算出，并且那些系数可以用来确定每个构件的安全指数。经过计算，桥梁构件的最小安全指数主梁：7.69 横梁：6.07 纵梁：5.2
由于最小安全指数都大于3，所以我们认定该桥在载重能力上没有任何问题，因此，我们主要研究桥梁的累积疲劳损伤。
5. 疲劳损伤的预测
为了预测桥梁的疲劳寿命，Kuntz 和 Kulak [5]的计算方案是基于矿工法则的线性损伤累积理论，在这个过程中，每个应力变化范围内的伤害增加量都会考虑到。桥梁的使用寿命分为五个阶段（如表5所示），由于工程完工后轴负载增加，所以使用环境也发生了改变。
表5 竣工后每日火车流量
让优化模型载入编辑好的疲劳荷载配置文件，这样，桥梁每个构件的应力变化就可以计算出来。通过计算发现，桥梁的最危险点处于横梁和纵梁的连接处。我们在A点的上表面放置了应变传感器，这样便获得一系列应力值，再通过雨流周期计数法（rainflow cycle counting method）便可绘制出该危险连接点的应力柱状图。
根据Fisher等人[6]发表在期刊论文上的方法，通过上面的计算，桥梁每个构件的累积疲劳损伤已被计算出来，
把同样的算法用于未来的交通状况，也就是说，以后的轴负载会增加，通车频率也会增加，在这种情况下，计算结果表明，纵梁会由于累积疲劳损伤而在3年之类失效，根据这个结论，我们提出了一个修复计划。
6. 疲劳寿命的延长
基于上面的结果，我们可以推断，造成现在这种麻烦是由于横纵梁连接方式的解决方案不完美。在这种连接方式中，这些铆钉在传递弯矩上起着至关重要的作用，但是，同样是由于那些铆钉孔，它们的疲劳寿命就影响着整个纵梁的疲劳寿命。
为了正确地修复连接件的缺陷，我们在截面上增加4快10mm厚的垫片（两块在上表面，两块在下表面），用铆钉把垫片与纵梁连结在一起，由于表面的铆钉头会受到剪应力，我们用GV型M24的高耐磨螺栓代替原始直径23mm的铆钉（参照DIN 18800标准[7]）。
把加固垫片和横纵梁连接件考虑进去，再获得每个部件的应力历史记录和应力柱状图，便可通过计算获得该状况下的剩余疲劳寿命。
为纵梁加固进行适当的计算，可以让其实现零疲劳伤害积累（包括国际铁路联盟标准定义的所有负载形式），这就意味着，这些构件永远不会耗尽自己的疲劳寿命，并且可以适应未来的铁路交通需求。
7. 结论
这篇论文只是钢桥承载能力详细研究的一部分，因为整个桥梁还包括下层结构（包括桥台、桥墩、基础）和上层结构，上层结构的研究内容还包括桥梁的服务性和地震荷载（参照通用的土耳其规范[8]）。
这座桥的上层结构已有50年的历史，并计划把它纳入横跨两块的交通运输项目。在此次研究中，我们在现场进行了连续6天的实地测试，掌握了详尽的震动和应变数据。由于这座桥担负着繁重的运输任务，一些结构部件已发现疲劳倾向，为了克服这些危机，我们制定了一份加固计划，相关计算已证明这种解决方案能够非常有效地解决可能的疲劳问题，并且能够大幅度延长该桥的使用寿命。
8. 致谢
作者要感谢Dr. Erdogan Uzgider教授和Mete Akalin在现场试验和计算机分析中所给予的指导。
9. 参考文献 [1] Marmaray. DLH Marmaray Project Directorate; 2004. http://www.marmaray.com.
[2] ASTM. Standard test methods for tension testing of metallic materials. ASTM E8M-04 (Metric); 1997.
[3] COSMOS/M. User’s guide. Structural Research & Analysis Corporation; 1993.
[4] UIC 1994. UIC 776-1 Loads to be considered in railway bridge design. France: International Union of Railways Code; 1994.
[5] Kuntz P, Kulak GL. Remaining life of existing steel bridges. In: 3rd international symposium on steel bridges, October 30–November 1. Rotterdam:
Netherland; 1996.
[6] Fisher JW, Yen BT, Wang D. Fatigue strength of riveted bridge members. J Struct Eng 1990;116(11):2968–81.
[7] DIN 18800. German code for the design of structural steelwork.
[8] Uzgider E, Aydogan M, Caglayan BO, Ozakgul K, Tezer O. Life extension study for Yedikule railway bridge. Technical report of Department of Civil
Engineering, Istanbul Technical University, Istanbul; 2005.
