Экспериментальные исследования скорости роста усталостных трещин в сварных конструкциях железнодорожных мостов

   Проблема усталостного трещинообразования в сварных узлах (местах сварных соединений элементов) металлических пролетных строений железнодорожных мостов является одной из наиболее актуальных в настоящее время. На сегодняшний день на сети РЖД эксплуатируют около 20 % болтосварных пролетных строений с трещинами, в том числе нелокализованными. При этом количество подобных дефектов продолжает расти и за последнее десятилетие существенно увеличилось. Стоит отметить, что исследований усталостного ресурса сварных узлов – наработки до образования трещин – достаточно много, а исследований кинетики их развития значительно меньше. Кроме того, отсутствуют и подтвержденные расчетами граничные (критические) размеры трещин, существенно влияющие на состояние конструкций.
   В настоящей статье представлены результаты экспериментальных лабораторных исследований скорости роста усталостных трещин, аналогичных трещинам типа Т-9 (согласно принятой классификации), возникающих в узлах сварных металлических пролетных строений мостов. Лабораторные испытания проводились по запатентованной методике с соответствующим контролем образования трещины. Одной из важнейших составляющих определения скорости роста трещины являлось определение длины трещины, при которой наступает ее неконтролируемый рост. Это необходимо для прогнозирования роста трещины и своевременного принятия мер по ее устранению или торможению.
   По результатам исследований получены зависимости скорости роста от различных параметров. Введен новый параметр – ускорение, т. е. увеличение скорости роста трещины за некоторый период времени, который наиболее ярко свидетельствует о неконтролируемом характере роста. Стабильный рост трещины наблюдается на протяжении 1,6 млн циклов нагружений с постепенным увеличением скорости роста, изменением длины трещины за этот период с 30 до 160 мм. При длине трещины 160 мм и скорости роста 1,3 · 10–4 мм/цикл начинается существенное увеличение последней, что позволяет принять эти параметры как критические, при которых рост трещины выходит из-под контроля.

1. Указания по осмотру и усилению эксплуатируемых сварных пролетных строений / А. С. Гершман, Ю. П. Миролюбов, Е. М. Панин [и др.]. Москва : Ленинградский институт инженеров железнодорожного транспорта : Главное управление пути Министерство путей сообщения, 1990. 19 с.

2. Жунев К. О. Усталостная долговечность сварных соединений ребер жесткости в пролетных строениях железнодорожных мостов : специальность 2.1.8 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Жунев Кирилл Олегович. Новосибирск, 2021. 173 с.

3. Мальгин М. Г. Моделирование выносливости сварных узлов мостов по локальным напряжениям : специальность 05.23.17 «Строительная механика» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Мальгин Михаил Геннадьевич. Киев, 2015. – 218 с.

4. Мастрейко И. Ю. Оценка остаточного ресурса эксплуатируемых стальных конструкций : специальность 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Мастрейко Игорь Юрьевич. Казань, 2006. 232 с.

5. Картопольцев В. М., Картопольцев А. В., Колмаков Б. Д. Концептуальные основы оценки остаточного ресурса пролетных строений металлических мостов по критерию усталостной долговечности // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2015. № 4. С. 206–211.

6. Летова Т. И., Петинов С. В. Оценка усталостной долговечности крестообразных сварных соединений, передающих нагрузку // Инженерно-строительный журнал. 2013. С. 51–78.

7. Усольцев А. М., Попова Е. Г., Маликов М. Ю. Комплексный подход к обеспечению долговечности сварных пролетных строений железнодорожных мостов // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2020. № 3 (54). С. 72–85.

8. Аистов И. П., Вансович К. А., Крючков А. Н. Исследование скорости роста усталостных трещин в алюминиевом сплаве АК6 в зависимости от характеристик напряженного состояния в области их распространения // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2013. № 2 (40). С. 68–76.

9. Кольцун Ю. И., Хибник Т. А. Методика расчета периода роста усталостной трещины и ее графическое обобщение // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2009. № 3 (19). С. 124–134.

10. Староконь И. В. Кинетика усталостного трещинообразования основных конструктивных элементов и сварных соединений опорных блоков морских стационарных платформ // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2 (ч. 1). С. 38–46.

11. Вансович К. А. Упругопластическая модель роста усталостных поверхностных трещин при двухосном нагружении : специальность 01.02.06 «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры» : диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Вансович Константин Александрович. Омск, 2018. 287 с.

12. Fisher J. W., Viest I. M. Fatigue life of bridge beams subjected to controlled truck traffic // IABSE congress report. Rio de Janeiro, 1964. Р. 497–510.

13. Paris P. C., Erdogan F. Critical Analysis of Crack Propagation Laws // Journal of Basic Engineering; Transaction, American Society of Mechanical Engineers, Series D. 1963. Vol. 85. Р. 528–534.

14. Raju I., Newman C. Stress Intensity Factors for Internal and External Surface Crack in Cylindrical Vessels // Journal of Pressure Vessel Technology. 1982. Vol. 104. Р. 10–13.

15. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений : перевод с английского / Ю. Ито, Ю. Мураками, Н. Хасебэ [и др.] ; под ред. Ю. Мураками. Москва : Мир, 1990. Т. 1. 448 с. ; Т. 2. 568 с.

16. Патент № 2730555 Российская Федерация, МПК G01M 7/02 (2006.01), G01N 3/32 (2006.01). Установка для механических испытаний образцов листовых материалов на усталость при изгибе : № 2019143048 : заявлено 29.08.2019 : опубликовано 24.08.2020 / Бокарев С. А., Жунев К. О., Соловьев Л. Ю. ; заявитель СГУПС. 8 с.

17. Патент № 2730555 Российская Федерация, МПК G01B 5/30 (2006.01). Датчик деформаций : № 2017100389 : заявлено 09.01.2017 : опубликовано 25.10.2017 / Бардаев П. П., Бокарев С. А., Мурованный Ю. Н. [и др.] ; заявитель СГУПС. 5 с. Сертификат Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии RU.C.27.007.A № 31740.

18. Соловьев Л. Ю., Федоренко В. А. Тепловой метод контроля элементов металлических сварных пролетных строений // Путь и путевое хозяйство. 2022. № 6. С. 5–8.

19. Соловьев Л. Ю., Федоренко В. А. Усовершенствование метода оценки характеристик усталостных трещин в сварных металлических конструкциях мостов тепловым способом // Дороги и мосты. 2022. № 2 (48). С. 113–139.