浙江路橋檢測與評估

王金剛 徐 俊

(同濟大學橋梁工程系，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。其結構為魚腹式鋼桁架梁，跨度59.74 m，主桁中心距7.32 m，兩側非機動車道寬2.16 m，人行道寬1.08 m。

作為一座百年老橋，浙江路橋長期遭受環境侵蝕、荷載作用以及結構自然退化。雖然相關管理單位積極開展了養護工作，但無法扭轉浙江路橋各構件不斷腐蝕、老化、損傷的趨勢。考慮到浙江路橋所承載的歷史價值、景觀效應及其所擔負的交通功能，對該橋的技術狀況進行定期跟蹤檢測，確保結構的使用安全是極其必要的。

圖1給出了浙江路橋的主要節點編號。

圖1 浙江路橋節點編號

2 病害檢測和空間形位變化

檢測中發現，浙江路橋總體技術狀態較好，絕大部分的主桁構件處于完好狀態;采用超聲波探傷檢出的缺陷經超聲相控陣技術檢驗確認不屬于疲勞導致的孔邊開裂，而是板件間的銹蝕所致;浙江路橋現有橋面防水措施不能有效地為主桁片下方的構件提供防護，導致吊桿下端及跨中下弦桿附近構件出現銹蝕，部分構件的截面嚴重削弱;托架下方支撐管線的鋼板普遍存在銹蝕，無法有效對托架內部的管線提供保護;部分托架的豎向加勁肋發生局部屈曲變形，說明托架腹板曾經歷較大荷載作用;橋梁北側伸縮縫被垃圾堵塞，且嚴重銹蝕;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。其中，下游側主桁片和托架的偏斜尤為明顯，下游主桁在M′6節點處偏斜達到最大，為30 mm。下游托架在L′9節點處偏斜達到最大，為39 mm。上、下游部分托架存在明顯下撓。

為了檢查浙江路橋主桁結構是否存在整體下撓、桿件偏斜、截面扭曲等永久變形，利用本次檢測的機會對主桁桿件節點及托架端部布設測點實施了空間形位測量。浙江路橋主桁桿件總體表現出向上游偏斜的趨勢，且這種趨勢在下游側主桁片尤為明顯，最大值出現在下游主桁M6節點處，為30 mm。主桁桿件實際豎向位形與設計線形吻合良好，并未出現明顯的整體或局部下撓。上游托架端部向上游偏斜的最大值為9 mm(位于L1節點)，向下游偏斜的最大值為5 mm(位于L7節點)，桿間節點最大相對偏斜值為14 mm;下游托架端部均向上游偏斜，最大值為39 mm(位于L′9節點)，與主桁桿件的變形趨勢相似。下游托架端部測量曲線與設計線形基本吻合，未出現明顯豎向變形，而上游托架端部測量曲線相比設計線形有明顯的整體下撓，單個節點最大下撓達102 mm(位于L8節點)。除個別節點外，大部分門架節點均有不同程度的朝上游側的橫向偏移，且這種趨勢在下游底部節點(L′0 ～ L′12)尤為明顯。上游側 L11 托架以及下游側 L′5，L′6，L′7托架下撓較大，最大達13.5 cm。

3 有限元建模

浙江路橋迄今已運營了100余年。由于竣工后的實際橋梁結構與設計圖紙存在施工誤差，歷年的維修與加固改變了結構剛度和恒載作用，且車船撞擊和環境作用也一定程度上改變了結構的受力狀態，因此按設計圖紙建立的有限元模型并不能反映結構的實際受力狀態。為降低分析誤差的影響，按照以下步驟對有限元模型進行修正與計算:

1)為減少建模工作量，利用《浙江路橋使用安全性評定與維護對策研究報告》中所采用的有限元模型實施模型修正。該模型經過荷載試驗結果的驗證，可認為是符合當時浙江路橋的結構特征的。2)比較2008年大修前后浙江路橋結構異同點，按實際結構特征修改有限元模型中相關單元的幾何參數和約束條件，使其符合構件加固后的結構特點。3)根據修正好的模型計算結構的恒載內力以及動力特性。

針對浙江路橋構造與受力特點，采用大型通用有限元分析軟件ANSYS進行結構系統建模。依據浙江路橋2008年大修的竣工圖紙對該橋的有限元模型實施了修正，并根據修正后的模型重新分析了浙江路橋的恒載內力與動力響應。從計算結果的分析可知，由于浙江路橋2008年大修未改變結構形式，僅局部貼補鋼板，因此結構動力特性無明顯改變。

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中占比例較高，有時可達50%以上，故用于結構評估的車輛荷載模型能否客觀地反映實橋交通狀況將顯著影響結構的安全評定結果。

為客觀準確地描述實際交通狀況，必須首先對浙江路橋的交通荷載數據進行調查統計。調查的主要交通參數包括:交通量、車輛軸距、車頭間距、車輛總重。其中，單位時間內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的感應線圈采集;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參數的隨機特性在上海城區內的變化不大，所以可直接采用其他橋址的調查結果。

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。

通過收集浙江路橋實測數據與類似橋梁的交通荷載數據，建立交通荷載模型，包括承載能力極限狀態和疲勞荷載模型，結論如下:

1)浙江路橋的實際交通車輛荷載水平低于城—B級荷載水平，故在驗算中采用城—B級荷載作為結構極限承載力安全評定的車輛荷載模型是偏于安全的;

2)考慮到構件疲勞損傷與眾多交通荷載因素有關，且車輛荷載又具有復雜的隨機特性，故直接采用數值方法模擬的交通流作為結構構件疲勞壽命驗算分析的車輛荷載模型。

5 主桁承載能力驗算

5.1 驗算目的與依據

根據《浙江路橋使用安全性評定與維護對策研究》中記錄的材料試驗結果，浙江路橋所使用材料的各項性能指標類似于現在使用的Q235鋼。因此，檢算中材料的允許應力根據Q235(即A3)鋼采用如下數據:［σ］=140 MPa，［σw］=145 MPa，［τ］=85 MPa，其容許應力的提高系數k=1.0。

浙江路橋主桁鉚釘直徑為22.225 mm，驗算中均偏保守地按工地鉚釘計算。其抗剪強度為100 MPa，抗壓強度為250 MPa，抗拉強度為80 MPa。

浙江路橋的基本可變荷載按城—B荷載進行驗算，人群荷載取為4 kPa。承載能力驗算依據JTJ 025-86公路橋梁鋼結構與木結構設計規范與CJJ 11-2011城市橋梁設計規范。

由本次病害檢測結果可知，浙江路橋的部分構件嚴重銹蝕并存在截面損失，因此在驗算中應考慮銹蝕對結構的影響。考慮銹蝕時間對銹蝕程度的影響，分別按10年、20年、30年對應的銹蝕程度驗算浙江路橋主桁構件的承載能力。

5.2 截面特征修正

根據上海的氣候條件以及所處地理位置，浙江路橋鋼結構銹蝕速度可參照青島的大氣腐蝕數據進行計算。公式如下:

其中，D為腐蝕程度，mm;t為腐蝕持續時間，年。

5.3 截面強度驗算

根據橋規，構件的承載能力采用下式驗算:

荷載組合Ⅰ應力驗算公式:

經計算，恒載作用下吊桿應力最高，活載作用下下弦桿應力最高。浙江路橋的多數桿件以受拉為主。端立柱和上弦桿為主要受壓桿件。所有桿件應力均小于145 MPa，說明各個桿件可以通過強度驗算。

5.4 穩定驗算

僅端立柱以及上弦桿存在失穩破壞的危險，故僅需對這些桿件進行穩定驗算，驗算內容包括桿的穩定驗算以及板的局部穩定驗算兩部分。

因由于油漆退化所導致的局部銹蝕僅限于桿件的局部位置，因此，在驗算桿的穩定時不必考慮銹蝕的影響。桿件穩定計算根據相關規范進行，結果列于表1中，所有桿件均通過驗算。

表1 城—B荷載作用下的穩定驗算

6 結語

對上海市浙江路橋上部鋼結構實施了病害檢測、超聲波無損探傷;建立了反映真實橋梁工作狀態的力學模型和交通荷載模型;按現行規范驗算了結構承載能力，綜合實橋檢測與理論分析的結果，得出以下主要結論:1)通過現場荷載調查與分析，通過浙江路橋的車輛荷載對主桁構件的作用效應未超過單車道城—B級荷載。浙江路橋主桁桿件的強度、穩定、節點連接數量以及節點板抗撕裂能力均通過驗算。在現行交通荷載狀況下，浙江路橋在短期(30年)內不會出現裂紋失穩擴展，但仍建議每6年進行一次超聲波探傷。2)盡快對橋下存在銹蝕穿孔的縱橫梁構件實施補強或更換。設法對橋面與主桁片接縫進行密封，杜絕橋面雨水通過主桁片流到橋下。3)浙江路橋的養護應嚴格按CJJ 99-2003城市橋梁養護技術規范執行。對重要鉚釘應每隔6年進行一次超聲波或其他無損方法探傷檢測。4)浙江路橋必須嚴格限載和限制日交通量。

［1］ 浙江路橋使用安全性評定與維護對策研究［R］.上海:同濟大學橋梁工程系，2008.

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

［3］ CJJ 11-2011，城市橋梁設計規范［S］.

［4］ JTJ 025-86，公路橋梁鋼結構與木結構設計規范［S］.

［5］ 陳惟珍.鋼桁梁橋評定與加固:理論、方法和實踐［M］.北京:科學出版社，2012.