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基于檢測與試驗的老齡鋼橋結(jié)構(gòu)安全評估

文檔作者：古銳徐俊馬誠文檔來源：同濟大學橋梁工程系		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月10日
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◎s一?一
基于檢測與試驗的老齡鋼橋結(jié)構(gòu)安全評估
古銳，徐俊，馬誠
(同濟大學橋梁工程系，上海200092)
摘要： 對已運營7O余年的老齡鋼橋靈橋進行了上部結(jié)構(gòu)病害檢測、關(guān)鍵節(jié)點和桿件的超聲波探傷、拱圈與吊桿空間形位測量、
荷載試驗，再綜合歷年檢測數(shù)據(jù)和計算模型，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)暫時是安全的，但其病害加劇，尤其是橋面系破壞嚴重、拱腳嚴重腐蝕，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；橋梁病害；結(jié)構(gòu)退化；承載能力；安全評估
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，吊桿中心距為7．925 m。1994年，
主管部門對其橋面系實施了改造。圖1給出了靈橋
主要節(jié)點編號，括號外編號為上游側(cè)，括號內(nèi)編號為
下游側(cè)。
圖1 靈橋節(jié)點編號
經(jīng)過7O多年的運營，靈橋幾經(jīng)修繕，但荷載、腐
蝕等因素仍導致該橋力學性能退化_]]。特別是由于
河道通航等級提升、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)護技術(shù)規(guī)范》，事故發(fā)生后，立即對該橋?qū)?
施了檢測評定。
2 病害檢測
檢測中發(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，
導致拱肋箱壁嚴重銹蝕；吊桿病害主要表現(xiàn)為構(gòu)件表
面銹蝕，同時對吊桿鉚釘孔邊進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，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，導致
橫梁經(jīng)常被船撞，進而發(fā)生變形甚至嚴重撕裂。該橋
1994年加固時，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，此前曾多次對該橋開展空間形位的檢測，
最近的三次檢測分別是在2000年、2006年和2010
年。由于2O10年 與2011年測量結(jié)果時效性更
強，因此拱肋空間形位分析將主要圍繞這兩次的測
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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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 靈橋拱軸線相對高差(m)
圖4 靈橋拱軸線橫橋向變形(m)
通過對比拱軸線前后變化，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，偏移方向為向上
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，導致上游側(cè)拱肋向上
游側(cè)偏斜。
4 荷載試驗
通過前述分析可知靈橋存在嚴重的結(jié)構(gòu)變形，顯
示該橋可能處于不安全的工作狀態(tài)。為檢驗結(jié)構(gòu)的安
全性，采用實橋荷載試驗的方式對靈橋的力學性能進
行評估，并為進一步校核結(jié)構(gòu)有限元模型，更準確地評
估橋梁實際承載能力和使用壽命提供可靠合理的科學
依據(jù) ]。荷載試驗中，選用6輛30 t的三軸貨車為荷
載車進行加載，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 荷載試驗工況
N 1 2012上 么咯29

6 承載能力驗算
6．1 強度驗算
據(jù)2008年靈橋檢測報告，靈橋的鋼材性能接近甚
至超過Q235鋼¨1]，驗算時偏安全的按Q235鋼的相關(guān)
參數(shù)取值。汽車荷載采用汽一20級實施驗算，人群荷
載效應(yīng)按3．5kN／m 計算。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)計規(guī)范》
組合I計算。
構(gòu)件的承載能力采用下式驗算[4]：
±( + )÷≤
式中：N、 、My為軸向應(yīng)力、桿件 和Y方向彎矩；
A、w 、w 為驗算截面的計算面積和截面抵抗矩；C為
容許應(yīng)力增大系數(shù)，在驗算中偏安全的取為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)計規(guī)范》，Q235鋼在受彎時的設(shè)計強度為145 MPa，
與表1中數(shù)據(jù)對比可知，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
以下兩點原因：靈橋當前的交通荷載低于設(shè)計荷載，且
靈橋吊桿所用鋼材的實際屈服強度遠高于145 MPa；
靈橋有限元建模時未考慮橋面板對荷載的分攤作用，
導致桿件內(nèi)力高估。
表1 吊桿承載力驗算
組合內(nèi)力 角點組合應(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)定驗算
靈橋的拱肋同時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，因此按偏心受壓對主拱圈穩(wěn)定性進行驗算。其
面內(nèi)穩(wěn)定據(jù)GB50017—2003{鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》5．2．5
條實施驗算，驗算公式為：
N +
W
j＆ +叩 ≤
)， (卜o．8 ～ 聲 w
+ + N ≤
兒一舞 毋一篇
式中：下標z和Y分別對應(yīng)于強軸和弱軸；N 為軸心
壓力；N’ 為計算參數(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)定驗算結(jié)果列于表2中，可見在設(shè)計荷載
作用下拱肋不存在失穩(wěn)風險。
表2 拱肋穩(wěn)定驗算
拱肋 Mx Mv 強軸向效應(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
對寧波市靈橋進行了病害調(diào)查、試驗以及檢測，結(jié)
合歷年檢測數(shù)據(jù)和計算模型，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)
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
(1)在恒載作用下，從中墩頂往中跨跨中，弧形腹
板承擔剪力逐漸增加。但從各腹板的名義剪應(yīng)力的分
布情況可以看出，弧形腹板承擔的剪力絕對值不大，箱
梁的縱向受力對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)驗值1．15，箱梁的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯。
參考文獻：
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橋梁，2009(1)：33—35．
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法研究[【)]．同濟大學橋梁系，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)
計規(guī)范1,s2．
I-5]JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[s]．
(上接第31頁)
(I)靈橋在靜載試驗各工況下?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
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)計荷載組合作用下，靈橋拱肋截面均通過
強度驗算，但大部分吊桿的的角點應(yīng)力超過規(guī)范要求，
鑒于實橋交通荷載較小，且計算模型較保守，分析認為
該結(jié)果對結(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)范驗算。
(3)在現(xiàn)有交通條件下，靈橋的結(jié)構(gòu)狀態(tài)暫時是安
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)嚴重偏斜；拱腳積水，導致鋼板嚴重銹
蝕；正交異性板橋面疲勞開裂嚴重，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：
I-1]同濟大學橋梁工程系．寧波市靈橋結(jié)構(gòu)檢測評定與加固對
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[2]同濟大學橋梁工程系．靈橋結(jié)構(gòu)安全評估[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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[4]JTJ 025—1986公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范fs]．

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