[分享]武汉长江大桥健康报告

发表于2020-02-20    101人浏览    1人跟帖    总热度:393  


编者按


2020年初,一场突如其来的疫情,给武汉这座城市笼罩上了一层阴霾。面对病毒肆虐,武汉以英雄之躯昂然奋战。“武汉加油!”“保卫武汉!”的口号不绝于耳。作为路桥建设者,保卫武汉的方式就是保障武汉的桥梁能够健康运行,使物资、人员可以快速顺畅地在武汉运转。而武汉长江大桥,不仅是武汉最重要的桥梁之一,同时也是武汉人战胜困难的精神标志。如今,这座已健康运行60余年的万里长江第一桥,定会见证武汉赢下这场疫情防控阻击战,重新焕发生机与活力。
武汉长江大桥健康报告_1

万里长江第一桥——武汉长江大桥于1957年通车,至今已有62年了。在通车60周年前夕,武汉铁路局武汉桥工段发布了大桥体检报告:全桥基础无沉陷,钢梁桥墩无裂缝,铆钉无松动。应该说,武汉大桥的强度和刚度经受了考验。它在62年中的日日夜夜,无一刻休息,为长江南北交通运输服务着。它有没有疲劳损伤呢?它的疲劳寿命将是多少呢?本文将作一探讨。

影响寿命的关键

万里长江第一桥——武汉长江大桥于1957年通车,至今已有62年了。在通车60周年前夕,武汉铁路局武汉桥工段发布了大桥体检报告:全桥基础无沉陷,钢梁桥墩无裂缝,铆钉无松动。应该说,武汉大桥的强度和刚度经受了考验。它在62年中的日日夜夜,无一刻休息,为长江南北交通运输服务着。它有没有疲劳损伤呢?它的疲劳寿命将是多少呢?本文将作一探讨。

武汉长江大桥健康报告_2
大桥通车

武汉长江大桥钢梁为一联三孔连续梁,共有三联九孔。由于连续梁的特性,钢梁主桁弦腹杆件,应力变化较大。在本孔荷载作用下是拉力,当荷载移至邻孔,又变成压力。列车荷载经过大桥时,钢梁杆件应力变化频繁,变化幅度也较大。大桥公路面混凝土桥面板增大了钢梁自重,恒载比重很大,约占全部荷载的一半。钢梁主桁主要杆件都要承受恒载受力。因此,选用截面较大。次要杆件不承担全桥恒载作用力,选用截面主要取决于局部恒载和局部活载,因此,截面较小,却是应力变化幅度最大的一类杆件。武汉长江大桥钢梁每跨有8个大节间(俗称米字形),即8个米字形,每个米字形中间有一根竖杆,其下半段竖杆是吊杆,恒载只承受16米范围内下弦桥面的自重产生的拉力,活载则承受16米范围内列车活载产生的拉力,因截面积小,是全桥拉应力值变化幅度最大的杆件。全桥吊杆共有144根。

武汉长江大桥设计活载为中24级。前端有5个24吨大轮轴集中力(间距为1.5米),其后为30米均匀荷载,每米10吨,(以上为机车煤水车部位),其后为每米7.2吨均匀荷载(一般车辆)。设计此吊杆时假定活载布置是很苛刻的,同时有对开的两列车,两列车的最前端的第四个轮轴正好都处在该吊杆位置上,此时吊杆产生最大活载拉力104吨,这种情况几率极小,非常难得的一次,但不能说不可能发生,设计即是按这种特殊最不利的情况计算吊杆拉力的。

现在通行的列车荷载仍与中24级接近,吊杆承受活载104吨、冲击力61吨、人行道6吨、恒载44吨、吊杆自重2吨,主力合计217吨。吊杆截面净面积237.5cm2,杆件拉应力为217000/237.5=913 kg/cm2,仅为材料允许应力1400Kg/cm2的65%。应力富余较大。其中反复出现的活载(活载+冲击力)为165吨,即反复出现的拉应力幅值为165000/237.5=695 kg/cm(70MPa)。

武汉长江大桥健康报告_3
全桥钢梁最大的支座处一组节点钣群在组拼中

万里长江第一桥——武汉长江大桥于1957年通车,至今已有62年了。在通车60周年前夕,武汉铁路局武汉桥工段发布了大桥体检报告:全桥基础无沉陷,钢梁桥墩无裂缝,铆钉无松动。应该说,武汉大桥的强度和刚度经受了考验。它在62年中的日日夜夜,无一刻休息,为长江南北交通运输服务着。它有没有疲劳损伤呢?它的疲劳寿命将是多少呢?本文将作一探讨。

或能使用200年

假定靠近计算吊杆一线的铁路荷载产生最不利的荷载情况,而另外一线铁路无车辆通过,一线铁路荷载通过铁路横梁分配给两端吊杆,其中邻近的一根吊杆的活载和冲击力的疲劳应力幅值为489 kg/cm2(49MPa),这亦不太符合实际荷载情况,因为列车长几百米,桥上经常会有两辆列车对开会车,故经常反复出现的荷载情况是靠近计算吊杆一线的列车荷载布置在最不利位置上,而另外一线列车荷载是一般车辆的均匀荷载(在本桥设计时为7.2T/M)。符合2017年铁路桥梁钢结构设计规范第4.3.3条。经过铁路横梁分配,受力大的吊杆的活载主力包括冲击力为143吨,疲劳荷载应力幅值(σ1)为60MPa。

铁路桥梁钢结构设计规范还推荐了一系列计算钢结构允许疲劳次数(N)与疲劳应力荷载幅值(σ1)的关系公式,这是长期试验结果统计出来的公式。铆接结构的公式是LogN+3log(σ1)=12.18。疲劳应力幅值愈小,允许疲劳次数愈大;疲劳应力幅值愈大,允许疲劳次数愈小。上述规范中规定铆接结构允许疲劳应力幅值为91.1 MPa。代入公式即可计算出允许疲劳次数为200万次。

武汉长江大桥控制疲劳荷载的吊杆,疲劳应力幅值为60 MPa,可算出允许疲劳次数为700万次。
现在每天通过武汉长江大桥的列车约300列(即平均不到五分钟有一列火车通过),每天符合上述计算荷载的次数将有多少次呢?这是一个难题。每天有150次列车靠近计算中的吊杆的一线上通过,其中会有多少次遇到与另外一线上的火车会车呢?同时应考虑计算荷载稍小时,也会对疲劳作用有所影响。因此假定出现60 MPa应力的荷载次数每天为100次,这样可以计算出大桥的疲劳设计寿命为7000000/365/100=192年。如本文前述,武汉大桥类似高强度螺栓连接,若完全按高强度螺栓连接结构计算,可由毛面积承受应力,使用另一个N与σ1计算公式,武汉长江大桥寿命将达到273年。应该说武汉大桥疲劳寿命至少在200年以上。

武汉长江大桥健康报告_4
武汉大桥钢梁在6号墩合龙

200年时间很长。世界上第一座公铁两用钢桥是1874年美国建成的跨越密西西比河的圣.路易斯拱桥,跨度为153+158+153米,上层为公路,下层为双线铁路,杆件主要为受压,距今145年。世界上第一座杆件有压、又有拉的铁路桁架桥是1879年建成的美国跨密苏里河的格拉斯哥桥,5跨96米,距今140年,时代变迁交通运输状况和桥梁工程已有了巨大的变化。武汉长江大桥通车已62年,还有今后的140年,科技进步日新月异,未来的变化还是未知数。

这些最容易引起疲劳损伤的吊杆,即使出现了个别损伤,也只会造成局部16米下弦范围内的桥面变形,无损大桥主体。武汉长江大桥钢梁是5次超静定结构,即使主桁杆件局部出现问题,也不会引起全桥垮塌。

上世纪80年代,我们筹建九江长江大桥时,钢梁采用了低合金15锰钒氮钢,其允许应力比武汉长江大桥的3号桥梁钢大2400/1400=1.7倍,这种钢的耐疲劳性能,当时做了很多试验,试验说明其疲劳强度与普通的3号桥梁钢基本相同。所以从耐久性抗疲劳角度讲,以动载为主要荷载的中、小跨度铁路钢桥上,采用高强度钢料并不合算,在恒载占较大比重的大跨度公路桥或公铁两用桥上,采用高强度钢料较为合适。

现在大型桥梁设计寿命100年至120年,桥上行车密度亦大,出现拉力杆件最大疲劳应力值的几率很多,假如按200万次疲劳应力值设计,单线铁路桥梁每天100列火车,疲劳寿命只有55年。所以试验用的200万次数值偏低,设计工程师需要根据该桥设计寿命适当加大杆件截面,降低疲劳应力值。

一座桥梁的安全运行,主要靠养护单位。武汉大桥疲劳寿命虽有200年以上,仍必须要有养护单位精心的工作和大众的爱护,才能使武汉大桥健康不老。


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 发表于2020-02-20   |  只看该作者       筑龙币+10

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