桁架橋

隨著我國道路基礎設施的不斷完善,在用橋樑的檢測與評估將逐步成為相關部門的工作重點。然而 ,國內外相關規範均未提供可靠的鋼結構橋樑評估方法。以《城市橋樑養護技術規範》(CJJ 99- 2003)為例,在其附錄表D-2 中規定鋼構件的鏽蝕程度採用經驗性的打分法按鏽蝕範圍進行評估, 但並沒有說明鏽蝕範圍對承載力的影響,無法滿足結構承載力與剩餘壽命評估的需要。其他相關文獻中涉及的橋樑的承載能力驗算方法及剩餘使用壽命評估方法同樣有待改良。鑒於此, 本文結合上海市外白渡橋,研究一種適用於老齡鋼桁架橋的檢測與評估方法。

外白渡橋建於1907 年,由跨徑52 m +52 m 的簡支鋼桁架構成,屬於老齡鋼桁架橋,是上海市文物保護建築。2008 年,為配合外灘通道施工,該橋被移至陸地進行檢測、評估與加固。為避免大面積更換構件,並保障該橋可再用50年,採用了一種科學的檢測與評估方法。本文著重介紹其中交通荷載分析、鏽蝕構件承載能力評估及利用斷裂力學法計算結構剩餘壽命3 部分內容。

外白渡橋原始設計活載為2 車道有軌電車,其後經歷了多次改造。在此次加固前該橋允許通行3 車道汽車荷載, 但實際荷載等級不知。為保證該橋今後50 年使用安全,必須對其交通荷載進行分析。

2 .1 交通荷載調查

交通荷載調查項目主要包括:荷載重量、荷載數量及荷載的空間載入位置, 這3個項目分別由車重調查、交通量調查及車頭間距、車頭時距檢測獲取。項目實施前外白渡橋已中斷交通, 無法採用BWIM 法實測車重,因此採用附近橋樑的統計資料作為該橋車重資料。

交通量數據及車頭間距信息由管理單位在外白渡橋橋頭預埋的車輛感應線圈獲取。該探測器根據對車輛底盤的電磁感應將車輛劃分為轎車、客車、小貨車、大貨車、拖掛車5 類,並以0 .5 h 為單位記錄各車道各類車型的交通流量。根據往年的相關記錄。

2 .2 交通荷載作用分析

採用Mo nte-Carlo 法建立交通荷載模型並分析交通荷載作用,步驟如下:

(1)分別按均勻分佈、經驗分佈及對數正態分佈生成車輛類型、車重、車頭間距隨機數序列。結合車道行車方向形成3 車道車隊。將模擬車隊以天為單位存儲,共模擬60 d的數據。

(2)將模擬車隊在待分析構件的彎矩影響線與軸力影響線上移動載入, 可得到對應的彎矩歷程和軸力歷程。按平截面假定疊加即為應力歷程。

(3)第i天應力歷程中的最大應力記為σi,max。假設σi,max服從正態分佈, 根據60個最大應力樣本,確定概率分佈參數。根據《公路工程結構可靠度設計統一標準》(GBT 50283-1999),該橋結構安全度為二級,可靠度指標為4.2。依此計算結構最大應力,作為驗算構件承載能力時的交通荷載作用。

(4)採用雨流法對60 d的應力歷程計數,得到構件的疲勞應力譜,用於受拉構件剩餘壽命評估。經分析確定該橋受力最不利的構件為跨中斜腹桿,其4.2可靠度指標對應的交通荷載作用為45.17M Pa ,最大疲勞應力幅為47 MPa 。

影響老齡鋼橋構件承載能力的主要病害為鏽蝕,為此在檢測中對所有存在目視截面損失的構件進行了細緻的鏽蝕程度檢測。檢測發現由於構造與位置不同,鋼板等輔助構件鏽蝕表現為全截面的均勻鏽蝕,主要受力桿件鏽蝕則多表現為局部蝕坑或截面銹損,因此分別以最大鏽蝕深度和截面銹損面積作為鏽蝕程度評價指標。

根據相關學者的研究成果, 鏽蝕對鋼結構穩定承載力影響不大,因此在該項目中僅研究鏽蝕對抗拉強度的影響。為確定鏽蝕程度對構件抗拉承載力的影響,從橋上切割不同鏽蝕程度的構件(試件取樣於嚴重損壞必須更換的構件)製作標準拉伸試件測試力學性能。其中三角形代表實測數據,可見隨著鏽蝕程度增加,鋼材的承載能力大致按線性規律降低。

評估鋼橋疲勞壽命的主要方法有2 種:基於韋勒曲線與Mine r 線性積商理論的傳統疲勞壽命分析方法和基於斷裂力學理論的損傷容限計算方法。與前一種方法相比,后一種方法具有2大優點:①不必考慮結構的載入歷史;②計算公式中的相關材料參數可以通過標準CT 試件得到,而不必採用成本高昂的足尺試件。因此,在該研究中主要採用斷裂力學方法研究結構的剩餘使用壽命。別為構件的初始裂紋長度和臨界裂紋長度;ΔK為應力強度因子幅, 可根據疲勞應力幅查應力強度因子手冊計算。

損傷容限方法的分析步驟如下:

(1)進行斷裂力學試驗測定裂紋擴展率～應力強度因子幅曲線, 根據曲線確定C和m。

(2)按介紹的斷裂力學模型簡化方法將含鉚釘孔邊缺陷的構件簡化為雙邊裂紋構件或中心裂紋構件。

(3)採用超聲波無損探傷法檢測受拉構件, 確定初始裂紋(缺陷)長度a0。如未檢測到缺陷的構件則假定其鉚釘孔邊存在對應於90 %檢出概率的裂紋。

(4)計算構件在使用壽命中可能出現的最大拉應力,KIC為斷裂韌性, 是材料常數;σmax為最大拉應力;Y(acr)為與裂紋長度相關的形狀函數。

(5)將疲勞應力譜載入於式(2)中,採用迭代法計算剩餘使用壽命N 。其中步驟(3)是該方案實施的難點,我國規範將超聲波探傷檢測結果用缺陷等效於3 mm 圓孔的反射聲強值表示,檢測后必須將檢測結果轉化為對應的裂紋長度,兩者間的對應關係可以根據文獻[ 5] 中提供的方法計算:a =α+βln(P)+ε (4)式中,a為裂紋長度;α、β 為與儀器有關的參數;ε為誤差,是均值為0的正態函數;P為檢測結果。

為確定其中的參數α、β, 取實橋拆卸下來的含鉚釘構件進行疲勞載入, 得到初裂紋后先採用超聲波探傷反覆檢測, 再用X射線法確定裂紋長度, 最後通過裂紋長度和檢測結果反算得到α=0.218 6, β=0.340 9,ε的方差為0.408 5。

斷裂力學材料參數通過斷裂力學試驗測得, 選取實橋上嚴重損壞的構件製作標準CT 試件,按《金屬材料疲勞裂紋擴展測試方法》(GB/T 6398-2000)進行等幅疲勞荷載下的裂紋擴展試驗,同步記錄裂紋擴展量和應力強度因子幅,並將此次試驗結果與國外相關試驗結果進行對比。對比結果表明:國外試驗數據偏於保守,如果直接照搬國外推薦的參數可能導致不利結果。將此次試驗數據按90 %的保證率進行公式擬合,偏安全的取C=1.28×10,m=3。計算,最終發現外白渡橋在現行荷載作用下,有8個構件剩餘壽命無法滿足繼續使用的要求, 必須進行加固。

本文結合外白渡橋介紹了一種適用於老齡栓鉚接鋼桁架橋樑承載能力與剩餘壽命評估的方法。與現有養護規範及評估方法相比, 該方法通過試驗確定鏽蝕對結構承載力的影響, 並根據量化的鏽蝕程度檢測結果推測構件的剩餘承載力;採用實橋交通荷載進行承載力驗算而不是採用設計荷載, 便於了解結構實際的安全程度;在結構剩餘使用壽命評估前採用試驗及超聲波探測方法得到相關參數, 提高了結構疲勞壽命評估的計算精度。根據該方法研究所得結論, 外白渡橋已於2008年12月完成對桿件及節點板的更換與加固, 並於2009年初重新投入使用。

桁架結構可以形成梁式、拱式橋，也可以作為纜索支撐體系橋樑中的主梁(或加勁梁)。桁架橋樑絕大多數採用鋼材修建，亦有採用預應力混凝土修建的例子。我國比較有名的桁架橋樑有：武漢長江大橋(三聯3×128m連續鋼桁梁，1957年，為“萬里長江第一橋”)、南京長江大橋(三聯3×160m連續鋼桁梁，1969年)、九江長江大橋(180m+260m+160m梁拱組合體系，1993年)、蕪湖長江大橋(180m+312m+180m鋼桁斜拉橋，1999年)和香港青馬大橋(主跨1377m鋼桁加勁梁懸索橋，1997年)，目前已動工修建的重慶朝天門大橋為190m+552m+190m鋼桁拱橋，將成為世界最大跨徑拱橋。桁架橋為空腹結構，因而對雙層橋面有很好的適應性，以上列舉的幾座橋均布置為雙層橋面。