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基于检测与试验的老龄钢桥结构安全评估

文档作者：古锐徐俊马诚文档来源：同济大学桥梁工程系		点击数：	更新时间： 2021年05月10日
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◎s一⋯一
基于检测与试验的老龄钢桥结构安全评估
古锐，徐俊，马诚
(同济大学桥梁工程系，上海200092)
摘要： 对已运营7O余年的老龄钢桥灵桥进行了上部结构病害检测、关键节点和杆件的超声波探伤、拱圈与吊杆空间形位测量、
荷载试验，再综合历年检测数据和计算模型，深入分析了灵桥的退化程度和承载能力，得出以下主要结论：在现有交通条件下，灵桥的
结构状态暂时是安全的，但其病害加剧，尤其是桥面系破坏严重、拱脚严重腐蚀，致使该桥已不满足使用要求，应尽快维修或改造。
关键词： 钢桥；荷载试验；桥梁病害；结构退化；承载能力；安全评估
1 灵桥概况
宁波市灵桥建于1936年，为单跨中承式三铰拱
结构钢桥，跨长97．536 m，矢跨比为1／6．5，竖曲线
为半径R===88．2Ol m的圆弧线，设计桥宽20．17 m，
主拱圈采用帽形断面，全桥共设等间距布置的H 形
截面吊杆l2对，吊杆中心距为7．925 m。1994年，
主管部门对其桥面系实施了改造。图1给出了灵桥
主要节点编号，括号外编号为上游侧，括号内编号为
下游侧。
图1 灵桥节点编号
经过7O多年的运营，灵桥几经修缮，但荷载、腐
蚀等因素仍导致该桥力学性能退化_]]。特别是由于
河道通航等级提升、桥下净空不足致使灵桥近年来
屡遭船撞。2011年11月灵桥被一艘打桩船撞击后
发现部分构件变形，危及安全。依据CJJ 2003《城
市桥梁养护技术规范》，事故发生后，立即对该桥实
施了检测评定。
2 病害检测
检测中发现，灵桥存在着多种病害(见图2)，主要
表现为：拱肋涂装失效、铆钉缺失与烂头，并且由于拱
肋与桥面相接处密封措施失效，拱脚钢箱中大量积水，
导致拱肋箱壁严重锈蚀；吊杆病害主要表现为构件表
面锈蚀，同时对吊杆铆钉孔边进行了超声波横波探伤
收稿日期：2Ol1 12 06
28上 么咯No．1 2012
检测，探伤未发现铆钉孔边裂纹。灵桥的纵横梁可以
区分为原结构纵横梁以及后焊接纵横梁，后焊的纵横
梁焊接于原纵横梁下方，这降低了桥下通航净空，导致
横梁经常被船撞，进而发生变形甚至严重撕裂。该桥
1994年加固时，将原混凝土桥面改建为开口肋正交异
性桥面板并铺设沥青路面，由于施工质量不高，桥面板
如今存在着较多的缺陷，主要表现为加劲肋开裂以及
桥面顶板开裂。
q
图2 灵桥典型病害
3 拱肋空间形位变化
2011年11月发生船撞前，灵桥即存在着明显的
船撞变形，此前曾多次对该桥开展空间形位的检测，
最近的三次检测分别是在2000年、2006年和2010
年。由于2O10年 与2011年测量结果时效性更
强，因此拱肋空间形位分析将主要围绕这两次的测
量结果展开比较。整理灵桥拱轴线数据变化示于图
3、4中。
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fa)上游侧拱肋 (b)下游侧拱肋
图3 灵桥拱轴线相对高差(m)
图4 灵桥拱轴线横桥向变形(m)
通过对比拱轴线前后变化，可见船撞前后，拱轴
线高差线性基本保持不变，但此次船撞后上游侧跨
中出现超过30 mm 的横桥向偏移，偏移方向为向上
游侧偏斜。灵桥受船撞主要来自上游船只，在撞击
力作用下，灵桥发生扭转变形，导致上游侧拱肋向上
游侧偏斜。
4 荷载试验
通过前述分析可知灵桥存在严重的结构变形，显
示该桥可能处于不安全的工作状态。为检验结构的安
全性，采用实桥荷载试验的方式对灵桥的力学性能进
行评估，并为进一步校核结构有限元模型，更准确地评
估桥梁实际承载能力和使用寿命提供可靠合理的科学
依据 ]。荷载试验中，选用6辆30 t的三轴货车为荷
载车进行加载，为模拟双车道加载方式，6辆货车分为
纵向两列，每列3辆，按偏下游侧加载与中载两种方式
加载。图5为荷载试验工况示意图，其中1～5工况为
偏载工况，7～11工况为中载工况。
0工况
1、7工况
2、8工况
3、9工况
4、10工况
5、11工况
6、12lT况
图5 荷载试验工况
N 1 2012上 么咯29

6 承载能力验算
6．1 强度验算
据2008年灵桥检测报告，灵桥的钢材性能接近甚
至超过Q235钢¨1]，验算时偏安全的按Q235钢的相关
参数取值。汽车荷载采用汽一20级实施验算，人群荷
载效应按3．5kN／m 计算。最终的荷载作用按现行
JTJ 025—1986{公路桥梁钢结构及木结构设计规范》
组合I计算。
构件的承载能力采用下式验算[4]：
±( + )÷≤
式中：N、 、My为轴向应力、杆件 和Y方向弯矩；
A、w 、w 为验算截面的计算面积和截面抵抗矩；C为
容许应力增大系数，在验算中偏安全的取为1．0。
按现行JTJ 025—1986{公路桥梁钢结构及木结构
设计规范》，Q235钢在受弯时的设计强度为145 MPa，
与表1中数据对比可知，灵桥大多数吊杆在组合I作
用下应力超过了规范允许范围。但在现实结构中，灵
桥的这些吊杆并未出现显著屈服变形，这主要是基于
以下两点原因：灵桥当前的交通荷载低于设计荷载，且
灵桥吊杆所用钢材的实际屈服强度远高于145 MPa；
灵桥有限元建模时未考虑桥面板对荷载的分摊作用，
导致杆件内力高估。
表1 吊杆承载力验算
组合内力 角点组合应力／MPa
吊杆
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 稳定验算
灵桥的拱肋同时承受着弯曲与轴力作用，但由于
◎
拱肋截面为箱形，抗扭惯矩大，构件侧倾失稳的可能性
极低，因此按偏心受压对主拱圈稳定性进行验算。其
面内稳定据GB50017—2003{钢结构设计规范》5．2．5
条实施验算，验算公式为：
N +
W
j＆ +叩 ≤
)， (卜o．8 ～ 声 w
+ + N ≤
儿一舞 毋一篇
式中：下标z和Y分别对应于强轴和弱轴；N 为轴心
压力；N’ 为计算参数； 为弯矩作用平面内的轴心
受压构件弯曲系数； 为整体稳定系数，对箱形截面可
取为1．0；W 为毛截面抗弯模量； 为平面内等效弯
矩系数； 为平面外等效弯矩系数。
拱肋稳定验算结果列于表2中，可见在设计荷载
作用下拱肋不存在失稳风险。
表2 拱肋稳定验算
拱肋 Mx Mv 强轴向效应 弱轴向效应
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 结语
对宁波市灵桥进行了病害调查、试验以及检测，结
合历年检测数据和计算模型，深入分析了灵桥的退化
程度和承载能力，得出以下主要结论：
(下转第35页)
No．1 2012上 姥31
从表3可以看出：
(1)关键部位的截面偏载系数最小为1．36，大于
经验值1．15，表明箱粱的扭转效应比较明显；
(2)中墩顶处截面的偏载系数普遍要大于跨中处
截面，这是由于横隔板对箱梁纵向纤维的自由凹凸变
形有约束作用，由此产生较大的约束扭转正应力。
4 结语
(1)在恒载作用下，从中墩顶往中跨跨中，弧形腹
板承担剪力逐渐增加。但从各腹板的名义剪应力的分
布情况可以看出，弧形腹板承担的剪力绝对值不大，箱
梁的纵向受力对弧形腹板的抗剪需求不大。
(2)箱梁中墩顶梁段的剪力滞效应较为明显，最大
剪力滞系数达到了1．47；中跨跨中梁段的剪力滞效应
要比边跨中梁段的严重。
s一⋯ G— s◎
(3)弧形腹箱梁中墩顶梁段截面的偏载系数普遍
要大于跨中处截面，且截面的偏载系数普遍都大于工
程经验值1．15，箱梁的扭转效应明显。
参考文献：
Eli苏俭，刘钊，阮静．连续梁桥的活载正应力偏载系数研究
[J]．世界桥梁，2009(4)：34—37．
[2]张忠良．扁平流线型混凝土箱梁横向计算与分析[J]．世界
桥梁，2009(1)：33—35．
[3]徐科英．预应力混凝土弧形底多室箱梁结构分析及设计方
法研究[【)]．同济大学桥梁系，2005．
I-4]JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设
计规范1,s2．
I-5]JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范[s]．
(上接第31页)
(I)灵桥在静载试验各工况下挠度和应变回零情
况良好，说明桥跨结构处于弹性工作状态。静载试验
中，灵桥最大竖向挠度79 mm，低于规范允许值L／
1000—98 mm，说明结构竖向刚度良好。
(2)在设计荷载组合作用下，灵桥拱肋截面均通过
强度验算，但大部分吊杆的的角点应力超过规范要求，
鉴于实桥交通荷载较小，且计算模型较保守，分析认为
该结果对结构的安全性影响不大；灵桥拱肋压弯稳定
承载力均通过规范验算。
(3)在现有交通条件下，灵桥的结构状态暂时是安
全的。但灵桥的桥下净空不足，横梁频繁遭受船撞，并
致拱肋向上游侧严重偏斜；拱脚积水，导致钢板严重锈
蚀；正交异性板桥面疲劳开裂严重，桥面板结构的退化
速度正在加速。基于以上分析，灵桥已不满足使用要
求，应尽快维修或改造。
参考文献：
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策研究[R]，2008．
[2]同济大学桥梁工程系．灵桥结构安全评估[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公路桥梁钢结构及木结构设计规范fs]．

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