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基于檢測(cè)與試驗(yàn)的老齡鋼橋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估

文檔作者：古銳徐俊馬誠(chéng) 文檔來(lái)源：同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年05月10日
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◎s一?一
基于檢測(cè)與試驗(yàn)的老齡鋼橋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估
古銳，徐俊，馬誠(chéng)
(同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海200092)
摘要： 對(duì)已運(yùn)營(yíng)7O余年的老齡鋼橋靈橋進(jìn)行了上部結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和桿件的超聲波探傷、拱圈與吊桿空間形位測(cè)量、
荷載試驗(yàn)，再綜合歷年檢測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算模型，深入分析了靈橋的退化程度和承載能力，得出以下主要結(jié)論：在現(xiàn)有交通條件下，靈橋的
結(jié)構(gòu)狀態(tài)暫時(shí)是安全的，但其病害加劇，尤其是橋面系破壞嚴(yán)重、拱腳嚴(yán)重腐蝕，致使該橋已不滿足使用要求，應(yīng)盡快維修或改造。
關(guān)鍵詞： 鋼橋；荷載試驗(yàn)；橋梁病害；結(jié)構(gòu)退化；承載能力；安全評(píng)估
1 靈橋概況
寧波市靈橋建于1936年，為單跨中承式三鉸拱
結(jié)構(gòu)鋼橋，跨長(zhǎng)97．536 m，矢跨比為1／6．5，豎曲線
為半徑R===88．2Ol m的圓弧線，設(shè)計(jì)橋?qū)?0．17 m，
主拱圈采用帽形斷面，全橋共設(shè)等間距布置的H 形
截面吊桿l2對(duì)，吊桿中心距為7．925 m。1994年，
主管部門(mén)對(duì)其橋面系實(shí)施了改造。圖1給出了靈橋
主要節(jié)點(diǎn)編號(hào)，括號(hào)外編號(hào)為上游側(cè)，括號(hào)內(nèi)編號(hào)為
下游側(cè)。
圖1 靈橋節(jié)點(diǎn)編號(hào)
經(jīng)過(guò)7O多年的運(yùn)營(yíng)，靈橋幾經(jīng)修繕，但荷載、腐
蝕等因素仍導(dǎo)致該橋力學(xué)性能退化_]]。特別是由于
河道通航等級(jí)提升、橋下凈空不足致使靈橋近年來(lái)
屢遭船撞。2011年11月靈橋被一艘打樁船撞擊后
發(fā)現(xiàn)部分構(gòu)件變形，危及安全。依據(jù)CJJ 2003《城
市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》，事故發(fā)生后，立即對(duì)該橋?qū)?
施了檢測(cè)評(píng)定。
2 病害檢測(cè)
檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，靈橋存在著多種病害(見(jiàn)圖2)，主要
表現(xiàn)為：拱肋涂裝失效、鉚釘缺失與爛頭，并且由于拱
肋與橋面相接處密封措施失效，拱腳鋼箱中大量積水，
導(dǎo)致拱肋箱壁嚴(yán)重銹蝕；吊桿病害主要表現(xiàn)為構(gòu)件表
面銹蝕，同時(shí)對(duì)吊桿鉚釘孔邊進(jìn)行了超聲波橫波探傷
收稿日期：2Ol1 12 06
28上 么咯No．1 2012
檢測(cè)，探傷未發(fā)現(xiàn)鉚釘孔邊裂紋。靈橋的縱橫梁可以
區(qū)分為原結(jié)構(gòu)縱橫梁以及后焊接縱橫梁，后焊的縱橫
梁焊接于原縱橫梁下方，這降低了橋下通航凈空，導(dǎo)致
橫梁經(jīng)常被船撞，進(jìn)而發(fā)生變形甚至嚴(yán)重撕裂。該橋
1994年加固時(shí)，將原混凝土橋面改建為開(kāi)口肋正交異
性橋面板并鋪設(shè)瀝青路面，由于施工質(zhì)量不高，橋面板
如今存在著較多的缺陷，主要表現(xiàn)為加勁肋開(kāi)裂以及
橋面頂板開(kāi)裂。
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圖2 靈橋典型病害
3 拱肋空間形位變化
2011年11月發(fā)生船撞前，靈橋即存在著明顯的
船撞變形，此前曾多次對(duì)該橋開(kāi)展空間形位的檢測(cè)，
最近的三次檢測(cè)分別是在2000年、2006年和2010
年。由于2O10年 與2011年測(cè)量結(jié)果時(shí)效性更
強(qiáng)，因此拱肋空間形位分析將主要圍繞這兩次的測(cè)
量結(jié)果展開(kāi)比較。整理靈橋拱軸線數(shù)據(jù)變化示于圖
3、4中。
／ 一一一～＼ 一-4-20i1
／ ＼
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sHANGHAI H-一◎
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n 嗡 A9 A10 AI1 AI2 AI3 A'2 A'3 A'4 焐A'6 A'7 A 8 A9 K10 A'Il A 12 A'I3
fa)上游側(cè)拱肋 (b)下游側(cè)拱肋
圖3 靈橋拱軸線相對(duì)高差(m)
圖4 靈橋拱軸線橫橋向變形(m)
通過(guò)對(duì)比拱軸線前后變化，可見(jiàn)船撞前后，拱軸
線高差線性基本保持不變，但此次船撞后上游側(cè)跨
中出現(xiàn)超過(guò)30 mm 的橫橋向偏移，偏移方向?yàn)橄蛏?
游側(cè)偏斜。靈橋受船撞主要來(lái)自上游船只，在撞擊
力作用下，靈橋發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致上游側(cè)拱肋向上
游側(cè)偏斜。
4 荷載試驗(yàn)
通過(guò)前述分析可知靈橋存在嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)變形，顯
示該橋可能處于不安全的工作狀態(tài)。為檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的安
全性，采用實(shí)橋荷載試驗(yàn)的方式對(duì)靈橋的力學(xué)性能進(jìn)
行評(píng)估，并為進(jìn)一步校核結(jié)構(gòu)有限元模型，更準(zhǔn)確地評(píng)
估橋梁實(shí)際承載能力和使用壽命提供可靠合理的科學(xué)
依據(jù) ]。荷載試驗(yàn)中，選用6輛30 t的三軸貨車為荷
載車進(jìn)行加載，為模擬雙車道加載方式，6輛貨車分為
縱向兩列，每列3輛，按偏下游側(cè)加載與中載兩種方式
加載。圖5為荷載試驗(yàn)工況示意圖，其中1～5工況為
偏載工況，7～11工況為中載工況。
0工況
1、7工況
2、8工況
3、9工況
4、10工況
5、11工況
6、12lT況
圖5 荷載試驗(yàn)工況
N 1 2012上 么咯29

6 承載能力驗(yàn)算
6．1 強(qiáng)度驗(yàn)算
據(jù)2008年靈橋檢測(cè)報(bào)告，靈橋的鋼材性能接近甚
至超過(guò)Q235鋼¨1]，驗(yàn)算時(shí)偏安全的按Q235鋼的相關(guān)
參數(shù)取值。汽車荷載采用汽一20級(jí)實(shí)施驗(yàn)算，人群荷
載效應(yīng)按3．5kN／m 計(jì)算。最終的荷載作用按現(xiàn)行
JTJ 025—1986{公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》
組合I計(jì)算。
構(gòu)件的承載能力采用下式驗(yàn)算[4]：
±( + )÷≤
式中：N、 、My為軸向應(yīng)力、桿件 和Y方向彎矩；
A、w 、w 為驗(yàn)算截面的計(jì)算面積和截面抵抗矩；C為
容許應(yīng)力增大系數(shù)，在驗(yàn)算中偏安全的取為1．0。
按現(xiàn)行JTJ 025—1986{公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)規(guī)范》，Q235鋼在受彎時(shí)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為145 MPa，
與表1中數(shù)據(jù)對(duì)比可知，靈橋大多數(shù)吊桿在組合I作
用下應(yīng)力超過(guò)了規(guī)范允許范圍。但在現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)中，靈
橋的這些吊桿并未出現(xiàn)顯著屈服變形，這主要是基于
以下兩點(diǎn)原因：靈橋當(dāng)前的交通荷載低于設(shè)計(jì)荷載，且
靈橋吊桿所用鋼材的實(shí)際屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)高于145 MPa；
靈橋有限元建模時(shí)未考慮橋面板對(duì)荷載的分?jǐn)傋饔茫?
導(dǎo)致桿件內(nèi)力高估。
表1 吊桿承載力驗(yàn)算
組合內(nèi)力 角點(diǎn)組合應(yīng)力／MPa
吊桿
N／kN Mr／kN·m-1 M／kN ·m O1 0"2 3 d4
A．2B2 104l_7 — 50．9 —49．5 — 258．5 363．1 — 198．5 423．1
A3B3 910．4 — 37．5 —29．2 — 1．9 56．9 9．4 68．1
A4B4 924．6 — 19．5 — 11．8 12．4 135．5 10．6 158．5
A5B5 981．1 — 18．3 — 11．3 —4．4 137．9 17．1 159．5
A 6B6 921．1 — 18．3 — 11．6 — 1O．6 l34．6 11．0 156．2
A7B7 749．8 一l7．0 一lO．7 —17．8 l16．3 2．2 l36．3
A8B8 791．1 一l7．3 11．0 121．4 — 16．8 141．8 3．6
A9B9 93l_6 — 18．6 11．6 135．5 — 10．2 157．5 11．7
A10B10 936．9 — 19．8 U ．2 132．6 —7．8 155．9 15．5
Al1B11 914．9 — 21．4 l1．6 132．6 一l3．2 157．8 12．0
A，l2B12 987．9 一l62．9 105．9 118．2 — 95．2 167．1 — 46．3
A13B13 871．8 13．4 43．6 35O．6 — 197．1 334．8 — 212．8
6．2 穩(wěn)定驗(yàn)算
靈橋的拱肋同時(shí)承受著彎曲與軸力作用，但由于
◎
拱肋截面為箱形，抗扭慣矩大，構(gòu)件側(cè)傾失穩(wěn)的可能性
極低，因此按偏心受壓對(duì)主拱圈穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。其
面內(nèi)穩(wěn)定據(jù)GB50017—2003{鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》5．2．5
條實(shí)施驗(yàn)算，驗(yàn)算公式為：
N +
W
j＆ +叩 ≤
)， (卜o．8 ～ 聲 w
+ + N ≤
兒一舞 毋一篇
式中：下標(biāo)z和Y分別對(duì)應(yīng)于強(qiáng)軸和弱軸；N 為軸心
壓力；N’ 為計(jì)算參數(shù)； 為彎矩作用平面內(nèi)的軸心
受壓構(gòu)件彎曲系數(shù)； 為整體穩(wěn)定系數(shù)，對(duì)箱形截面可
取為1．0；W 為毛截面抗彎模量； 為平面內(nèi)等效彎
矩系數(shù)； 為平面外等效彎矩系數(shù)。
拱肋穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果列于表2中，可見(jiàn)在設(shè)計(jì)荷載
作用下拱肋不存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。
表2 拱肋穩(wěn)定驗(yàn)算
拱肋 Mx Mv 強(qiáng)軸向效應(yīng) 弱軸向效應(yīng)
N／kN
／kN ·111一 ／kN ·m ／MPa ／MPa
1A 2 9 504．9 3 746．1 234．4 52．4 57．0
A 2A 3 9 127．4 4 517．9 94．0 50．1 53．8
A 3A 4 8 718．6 6 137．8 1O5．0 47．8 51．1
A'4A'5 8 445．2 5 8O9．5 130．0 49．4 52．8
5A 6 8 089．6 5 123．1 95．3 47．4 50．8
6 1 8 117．7 4 136．6 55．8 47．3 50．0
7A 8 8 101．5 4 497．8 81．6 46．8 46．3
8 9 8 115．3 3 516．8 58．5 47．4 5O．5
A 9A 10 8 147．0 4 924．8 104．9 47．7 50．8
A'10 l1 8 297．7 5 947．9 93．9 48．6 51．9
A 11A 12 8 504．8 6 768．1 134．3 46．7 49．9
12 13 8 858．9 5 106．4 188．8 48．7 52．2
13A 14 9 278．4 4 1l2．4 503．1 51．2 55．8
7 結(jié)語(yǔ)
對(duì)寧波市靈橋進(jìn)行了病害調(diào)查、試驗(yàn)以及檢測(cè)，結(jié)
合歷年檢測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算模型，深入分析了靈橋的退化
程度和承載能力，得出以下主要結(jié)論：
(下轉(zhuǎn)第35頁(yè))
No．1 2012上 姥31
從表3可以看出：
(1)關(guān)鍵部位的截面偏載系數(shù)最小為1．36，大于
經(jīng)驗(yàn)值1．15，表明箱粱的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)比較明顯；
(2)中墩頂處截面的偏載系數(shù)普遍要大于跨中處
截面，這是由于橫隔板對(duì)箱梁縱向纖維的自由凹凸變
形有約束作用，由此產(chǎn)生較大的約束扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力。
4 結(jié)語(yǔ)
(1)在恒載作用下，從中墩頂往中跨跨中，弧形腹
板承擔(dān)剪力逐漸增加。但從各腹板的名義剪應(yīng)力的分
布情況可以看出，弧形腹板承擔(dān)的剪力絕對(duì)值不大，箱
梁的縱向受力對(duì)弧形腹板的抗剪需求不大。
(2)箱梁中墩頂梁段的剪力滯效應(yīng)較為明顯，最大
剪力滯系數(shù)達(dá)到了1．47；中跨跨中梁段的剪力滯效應(yīng)
要比邊跨中梁段的嚴(yán)重。
s一? G— s◎
(3)弧形腹箱梁中墩頂梁段截面的偏載系數(shù)普遍
要大于跨中處截面，且截面的偏載系數(shù)普遍都大于工
程經(jīng)驗(yàn)值1．15，箱梁的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯。
參考文獻(xiàn)：
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橋梁，2009(1)：33—35．
[3]徐科英．預(yù)應(yīng)力混凝土弧形底多室箱梁結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)方
法研究[【)]．同濟(jì)大學(xué)橋梁系，2005．
I-4]JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)
計(jì)規(guī)范1,s2．
I-5]JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[s]．
(上接第31頁(yè))
(I)靈橋在靜載試驗(yàn)各工況下?lián)隙群蛻?yīng)變回零情
況良好，說(shuō)明橋跨結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。靜載試驗(yàn)
中，靈橋最大豎向撓度79 mm，低于規(guī)范允許值L／
1000—98 mm，說(shuō)明結(jié)構(gòu)豎向剛度良好。
(2)在設(shè)計(jì)荷載組合作用下，靈橋拱肋截面均通過(guò)
強(qiáng)度驗(yàn)算，但大部分吊桿的的角點(diǎn)應(yīng)力超過(guò)規(guī)范要求，
鑒于實(shí)橋交通荷載較小，且計(jì)算模型較保守，分析認(rèn)為
該結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性影響不大；靈橋拱肋壓彎穩(wěn)定
承載力均通過(guò)規(guī)范驗(yàn)算。
(3)在現(xiàn)有交通條件下，靈橋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)暫時(shí)是安
全的。但靈橋的橋下凈空不足，橫梁頻繁遭受船撞，并
致拱肋向上游側(cè)嚴(yán)重偏斜；拱腳積水，導(dǎo)致鋼板嚴(yán)重銹
蝕；正交異性板橋面疲勞開(kāi)裂嚴(yán)重，橋面板結(jié)構(gòu)的退化
速度正在加速?；谝陨戏治觯`橋已不滿足使用要
求，應(yīng)盡快維修或改造。
參考文獻(xiàn)：
I-1]同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系．寧波市靈橋結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)定與加固對(duì)
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[2]同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系．靈橋結(jié)構(gòu)安全評(píng)估[R]，2010．
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Suzhou Creek1,J]．Second International Symposium on Steel
Structures(ISSS’02)，Seoul，2002．21 22．
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