浙江路橋檢測(cè)與評(píng)估

王金剛 徐 俊

(同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海 200092)

1 浙江路橋概況

浙江路橋建成于1908年，迄今已有百余年的歷史。其結(jié)構(gòu)為魚腹式鋼桁架梁，跨度59.74 m，主桁中心距7.32 m，兩側(cè)非機(jī)動(dòng)車道寬2.16 m，人行道寬1.08 m。

作為一座百年老橋，浙江路橋長(zhǎng)期遭受環(huán)境侵蝕、荷載作用以及結(jié)構(gòu)自然退化。雖然相關(guān)管理單位積極開展了養(yǎng)護(hù)工作，但無法扭轉(zhuǎn)浙江路橋各構(gòu)件不斷腐蝕、老化、損傷的趨勢(shì)?？紤]到浙江路橋所承載的歷史價(jià)值、景觀效應(yīng)及其所擔(dān)負(fù)的交通功能，對(duì)該橋的技術(shù)狀況進(jìn)行定期跟蹤檢測(cè)，確保結(jié)構(gòu)的使用安全是極其必要的。

圖1給出了浙江路橋的主要節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

圖1 浙江路橋節(jié)點(diǎn)編號(hào)

2 病害檢測(cè)和空間形位變化

檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，浙江路橋總體技術(shù)狀態(tài)較好，絕大部分的主桁構(gòu)件處于完好狀態(tài);采用超聲波探傷檢出的缺陷經(jīng)超聲相控陣技術(shù)檢驗(yàn)確認(rèn)不屬于疲勞導(dǎo)致的孔邊開裂，而是板件間的銹蝕所致;浙江路橋現(xiàn)有橋面防水措施不能有效地為主桁片下方的構(gòu)件提供防護(hù)，導(dǎo)致吊桿下端及跨中下弦桿附近構(gòu)件出現(xiàn)銹蝕，部分構(gòu)件的截面嚴(yán)重削弱;托架下方支撐管線的鋼板普遍存在銹蝕，無法有效對(duì)托架內(nèi)部的管線提供保護(hù);部分托架的豎向加勁肋發(fā)生局部屈曲變形，說明托架腹板曾經(jīng)歷較大荷載作用;橋梁北側(cè)伸縮縫被垃圾堵塞，且嚴(yán)重銹蝕;橋梁支座保存完好;浙江路橋主桁桿件和托架在橫橋向均有向上游偏斜的趨勢(shì)。其中，下游側(cè)主桁片和托架的偏斜尤為明顯，下游主桁在M′6節(jié)點(diǎn)處偏斜達(dá)到最大，為30 mm。下游托架在L′9節(jié)點(diǎn)處偏斜達(dá)到最大，為39 mm。上、下游部分托架存在明顯下?lián)稀?/p>

為了檢查浙江路橋主桁結(jié)構(gòu)是否存在整體下?lián)稀U件偏斜、截面扭曲等永久變形，利用本次檢測(cè)的機(jī)會(huì)對(duì)主桁桿件節(jié)點(diǎn)及托架端部布設(shè)測(cè)點(diǎn)實(shí)施了空間形位測(cè)量。浙江路橋主桁桿件總體表現(xiàn)出向上游偏斜的趨勢(shì)，且這種趨勢(shì)在下游側(cè)主桁片尤為明顯，最大值出現(xiàn)在下游主桁M6節(jié)點(diǎn)處，為30 mm。主桁桿件實(shí)際豎向位形與設(shè)計(jì)線形吻合良好，并未出現(xiàn)明顯的整體或局部下?lián)?。上游托架端部向上游偏斜的最大值? mm(位于L1節(jié)點(diǎn))，向下游偏斜的最大值為5 mm(位于L7節(jié)點(diǎn))，桿間節(jié)點(diǎn)最大相對(duì)偏斜值為14 mm;下游托架端部均向上游偏斜，最大值為39 mm(位于L′9節(jié)點(diǎn))，與主桁桿件的變形趨勢(shì)相似。下游托架端部測(cè)量曲線與設(shè)計(jì)線形基本吻合，未出現(xiàn)明顯豎向變形，而上游托架端部測(cè)量曲線相比設(shè)計(jì)線形有明顯的整體下?lián)希瑔蝹€(gè)節(jié)點(diǎn)最大下?lián)线_(dá)102 mm(位于L8節(jié)點(diǎn))。除個(gè)別節(jié)點(diǎn)外，大部分門架節(jié)點(diǎn)均有不同程度的朝上游側(cè)的橫向偏移，且這種趨勢(shì)在下游底部節(jié)點(diǎn)(L′0 ～ L′12)尤為明顯。上游側(cè) L11 托架以及下游側(cè) L′5，L′6，L′7托架下?lián)陷^大，最大達(dá)13.5 cm。

3 有限元建模

浙江路橋迄今已運(yùn)營(yíng)了100余年。由于竣工后的實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)圖紙存在施工誤差，歷年的維修與加固改變了結(jié)構(gòu)剛度和恒載作用，且車船撞擊和環(huán)境作用也一定程度上改變了結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，因此按設(shè)計(jì)圖紙建立的有限元模型并不能反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。為降低分析誤差的影響，按照以下步驟對(duì)有限元模型進(jìn)行修正與計(jì)算:

1)為減少建模工作量，利用《浙江路橋使用安全性評(píng)定與維護(hù)對(duì)策研究報(bào)告》中所采用的有限元模型實(shí)施模型修正。該模型經(jīng)過荷載試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，可認(rèn)為是符合當(dāng)時(shí)浙江路橋的結(jié)構(gòu)特征的。2)比較2008年大修前后浙江路橋結(jié)構(gòu)異同點(diǎn)，按實(shí)際結(jié)構(gòu)特征修改有限元模型中相關(guān)單元的幾何參數(shù)和約束條件，使其符合構(gòu)件加固后的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。3)根據(jù)修正好的模型計(jì)算結(jié)構(gòu)的恒載內(nèi)力以及動(dòng)力特性。

針對(duì)浙江路橋構(gòu)造與受力特點(diǎn)，采用大型通用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)系統(tǒng)建模。依據(jù)浙江路橋2008年大修的竣工圖紙對(duì)該橋的有限元模型實(shí)施了修正，并根據(jù)修正后的模型重新分析了浙江路橋的恒載內(nèi)力與動(dòng)力響應(yīng)。從計(jì)算結(jié)果的分析可知，由于浙江路橋2008年大修未改變結(jié)構(gòu)形式，僅局部貼補(bǔ)鋼板，因此結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性無明顯改變。

4 交通車輛荷載模型

交通車輛作為鋼桁架橋的主要可變荷載，在桁架桿件總作用效應(yīng)中占比例較高，有時(shí)可達(dá)50%以上，故用于結(jié)構(gòu)評(píng)估的車輛荷載模型能否客觀地反映實(shí)橋交通狀況將顯著影響結(jié)構(gòu)的安全評(píng)定結(jié)果。

為客觀準(zhǔn)確地描述實(shí)際交通狀況，必須首先對(duì)浙江路橋的交通荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)。調(diào)查的主要交通參數(shù)包括:交通量、車輛軸距、車頭間距、車輛總重。其中，單位時(shí)間內(nèi)的交通量影響荷載的作用頻率，其值通過浙江路橋橋頭埋設(shè)的感應(yīng)線圈采集;車輛軸距和車頭間距共同影響車軸的縱橋向加載位置，而車輛總重則決定了軸載的大小，由于車輛軸距、車頭間距和車輛總重三個(gè)參數(shù)的隨機(jī)特性在上海城區(qū)內(nèi)的變化不大，所以可直接采用其他橋址的調(diào)查結(jié)果。

分析表明，浙江路橋日均交通量為9 846輛，較2002年增加40%。各車型中，摩托車與電動(dòng)車占日均總交通量的80.3%，較2002年大幅提升;小轎車占13.6%，大客車占3.5%，小貨車占2.5%，而大貨車僅占0.1%，這四種車的占比較2002年均有所降低。在重車中，大客車交通量降低19%，大貨車降低5%，說明浙江路橋的交通荷載較2002年有一定幅度的減輕。

通過收集浙江路橋?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)與類似橋梁的交通荷載數(shù)據(jù)，建立交通荷載模型，包括承載能力極限狀態(tài)和疲勞荷載模型，結(jié)論如下:

1)浙江路橋的實(shí)際交通車輛荷載水平低于城—B級(jí)荷載水平，故在驗(yàn)算中采用城—B級(jí)荷載作為結(jié)構(gòu)極限承載力安全評(píng)定的車輛荷載模型是偏于安全的;

2)考慮到構(gòu)件疲勞損傷與眾多交通荷載因素有關(guān)，且車輛荷載又具有復(fù)雜的隨機(jī)特性，故直接采用數(shù)值方法模擬的交通流作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件疲勞壽命驗(yàn)算分析的車輛荷載模型。

5 主桁承載能力驗(yàn)算

5.1 驗(yàn)算目的與依據(jù)

根據(jù)《浙江路橋使用安全性評(píng)定與維護(hù)對(duì)策研究》中記錄的材料試驗(yàn)結(jié)果，浙江路橋所使用材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)類似于現(xiàn)在使用的Q235鋼。因此，檢算中材料的允許應(yīng)力根據(jù)Q235(即A3)鋼采用如下數(shù)據(jù):［σ］=140 MPa，［σw］=145 MPa，［τ］=85 MPa，其容許應(yīng)力的提高系數(shù)k=1.0。

浙江路橋主桁鉚釘直徑為22.225 mm，驗(yàn)算中均偏保守地按工地鉚釘計(jì)算。其抗剪強(qiáng)度為100 MPa，抗壓強(qiáng)度為250 MPa，抗拉強(qiáng)度為80 MPa。

浙江路橋的基本可變荷載按城—B荷載進(jìn)行驗(yàn)算，人群荷載取為4 kPa。承載能力驗(yàn)算依據(jù)JTJ 025-86公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)與木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范與CJJ 11-2011城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范。

由本次病害檢測(cè)結(jié)果可知，浙江路橋的部分構(gòu)件嚴(yán)重銹蝕并存在截面損失，因此在驗(yàn)算中應(yīng)考慮銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)的影響?？紤]銹蝕時(shí)間對(duì)銹蝕程度的影響，分別按10年、20年、30年對(duì)應(yīng)的銹蝕程度驗(yàn)算浙江路橋主桁構(gòu)件的承載能力。

5.2 截面特征修正

根據(jù)上海的氣候條件以及所處地理位置，浙江路橋鋼結(jié)構(gòu)銹蝕速度可參照青島的大氣腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。公式如下:

其中，D為腐蝕程度，mm;t為腐蝕持續(xù)時(shí)間，年。

5.3 截面強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)橋規(guī)，構(gòu)件的承載能力采用下式驗(yàn)算:

荷載組合Ⅰ應(yīng)力驗(yàn)算公式:

經(jīng)計(jì)算，恒載作用下吊桿應(yīng)力最高，活載作用下下弦桿應(yīng)力最高。浙江路橋的多數(shù)桿件以受拉為主。端立柱和上弦桿為主要受壓桿件。所有桿件應(yīng)力均小于145 MPa，說明各個(gè)桿件可以通過強(qiáng)度驗(yàn)算。

5.4 穩(wěn)定驗(yàn)算

僅端立柱以及上弦桿存在失穩(wěn)破壞的危險(xiǎn)，故僅需對(duì)這些桿件進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算，驗(yàn)算內(nèi)容包括桿的穩(wěn)定驗(yàn)算以及板的局部穩(wěn)定驗(yàn)算兩部分。

因由于油漆退化所導(dǎo)致的局部銹蝕僅限于桿件的局部位置，因此，在驗(yàn)算桿的穩(wěn)定時(shí)不必考慮銹蝕的影響。桿件穩(wěn)定計(jì)算根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行，結(jié)果列于表1中，所有桿件均通過驗(yàn)算。

表1 城—B荷載作用下的穩(wěn)定驗(yàn)算

6 結(jié)語

對(duì)上海市浙江路橋上部鋼結(jié)構(gòu)實(shí)施了病害檢測(cè)、超聲波無損探傷;建立了反映真實(shí)橋梁工作狀態(tài)的力學(xué)模型和交通荷載模型;按現(xiàn)行規(guī)范驗(yàn)算了結(jié)構(gòu)承載能力，綜合實(shí)橋檢測(cè)與理論分析的結(jié)果，得出以下主要結(jié)論:1)通過現(xiàn)場(chǎng)荷載調(diào)查與分析，通過浙江路橋的車輛荷載對(duì)主桁構(gòu)件的作用效應(yīng)未超過單車道城—B級(jí)荷載。浙江路橋主桁桿件的強(qiáng)度、穩(wěn)定、節(jié)點(diǎn)連接數(shù)量以及節(jié)點(diǎn)板抗撕裂能力均通過驗(yàn)算。在現(xiàn)行交通荷載狀況下，浙江路橋在短期(30年)內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，但仍建議每6年進(jìn)行一次超聲波探傷。2)盡快對(duì)橋下存在銹蝕穿孔的縱橫梁構(gòu)件實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)或更換。設(shè)法對(duì)橋面與主桁片接縫進(jìn)行密封，杜絕橋面雨水通過主桁片流到橋下。3)浙江路橋的養(yǎng)護(hù)應(yīng)嚴(yán)格按CJJ 99-2003城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范執(zhí)行。對(duì)重要鉚釘應(yīng)每隔6年進(jìn)行一次超聲波或其他無損方法探傷檢測(cè)。4)浙江路橋必須嚴(yán)格限載和限制日交通量。

［1］ 浙江路橋使用安全性評(píng)定與維護(hù)對(duì)策研究［R］.上海:同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，2008.

［2］ 崔晉陽.談橋梁結(jié)構(gòu)檢查和檢測(cè)［J］.山西建筑，2012，38(9):211-212.

［3］ CJJ 11-2011，城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］ JTJ 025-86，公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)與木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］ 陳惟珍.鋼桁梁橋評(píng)定與加固:理論、方法和實(shí)踐［M］.北京:科學(xué)出版社，2012.