铁路老龄钢桥材料性能和剩余寿命评估

作     者：王庆滨 

作者单位：石家庄铁道大学 

学位级别：硕士

导师姓名：荣学亮;吴志勇

授予年度：2022年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：滦河大铁桥 疲劳试验 断裂力学 应力强度因子 疲劳剩余寿命 

摘      要：滦河大铁桥,建造于1894年,是詹天佑主持建造的中国第一座铁路钢桥,距今已有128年历史。1939年该桥因上游修建新的铁路桥被停用,1949年至1974年该桥曾作公路桥使用,在1973年滦县交通局曾对滦河大铁桥的桥墩和部分桥体进行修缮,1976年地质灾害后,有关部门对该桥进行加固整修,到1980年滦河大铁桥正式停用。在2013年和2018年,滦河大铁桥分别先后被列入中国第七批国保单位和中国工业遗产。自1976年修缮以来,因周边铁路线,滦河景区等基础设施的施工,对结构本身造成一定影响;此外,历经多年的风吹日晒和雨水侵蚀,构件早已锈蚀严重。为此,滦州市文化广电和旅游局2019年启动了滦河大铁桥修缮项目,2020年课题组受委托对滦河大铁桥钢材疲劳性能和主体结构进行检测和安全评估。本文以滦河大铁桥为工程实例,开展材料性能检测,技术状况评估和疲劳寿命预测等研究工作,本文主要研究内容包括以下几项:(1)滦河大铁桥材料性能检测与评估。通过微观组织分析确定钢材的材料成分、特性和等级:由金相分析确定钢材体内的非金属夹杂物等级,由电化学分析得到钢材的腐蚀速率,由X射线衍射分析、扫描电子显微镜分析及能谱测试分析钢材的晶体类型、尺寸大小、腐蚀层元素产物和断口类型。通过力学试验了解钢材的各项静力学性能指标:由硬度测试获得钢材的硬度值,由拉伸试验获得钢材的屈服强度和抗拉强度。最后通过疲劳试验,分析钢材的疲劳性能,拟合钢材的S-N曲线。(2)滦河大铁桥-钢桁梁检测评估。通过对钢桁梁的上部结构、支座、下部结构检测,统计各结构中劣化的位置和数量,对于检测出钢桁梁中杆件异常变位、缺陷劣化、钢材锈蚀、铆钉病害、桥墩劣化、桥台劣化等情况,按照规范确定其对应的劣化等级。通过归纳分析出钢桁梁各构件产生病害的原因,为后续其余老龄钢桥的检测评估提供借鉴与参考。(3)滦河大铁桥疲劳剩余寿命评估。通过规范和资料,构建列车疲劳荷载模型。依据随机生成的列车荷载谱,使用应力影响线加载法,获得钢桁梁上杆件的应力谱。通过雨流计数法确定杆件的应力循环次数和应力最大值。最后基于断裂力学基本原理,将有限元求解的不同裂纹长度下的应力强度因子与公式解进行对比,验证了有限元计算应力强度因子的准确性,然后结合相关参数计算滦河大铁桥关键受拉杆件的疲劳剩余寿命。