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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
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)為加勁肋開裂以及
橋面頂板開裂。
q
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)
通過對(duì)比拱軸線前后變化，可見船撞前后，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)：
Eli蘇儉，劉釗，阮靜．連續(xù)梁橋的活載正應(yīng)力偏載系數(shù)研究
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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
強(qiáng)度驗(yàn)算，但大部分吊桿的的角點(diǎn)應(yīng)力超過規(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裂嚴(yán)重，橋面板結(jié)構(gòu)的退化
速度正在加速。基于以上分析，靈橋已不滿足使用要
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．
[3]Chen，W．Z．，Wang，C．S．，and Xu L．Safety Assessment
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Suzhou Creek1,J]．Second International Symposium on Steel
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