浙江路桥检测与评估

王金刚 徐 俊

(同济大学桥梁工程系，上海 200092)

1 浙江路桥概况

浙江路桥建成于1908年，迄今已有百余年的历史。其结构为鱼腹式钢桁架梁，跨度59.74 m，主桁中心距7.32 m，两侧非机动车道宽2.16 m，人行道宽1.08 m。

作为一座百年老桥，浙江路桥长期遭受环境侵蚀、荷载作用以及结构自然退化。虽然相关管理单位积极开展了养护工作，但无法扭转浙江路桥各构件不断腐蚀、老化、损伤的趋势。考虑到浙江路桥所承载的历史价值、景观效应及其所担负的交通功能，对该桥的技术状况进行定期跟踪检测，确保结构的使用安全是极其必要的。

图1给出了浙江路桥的主要节点编号。

图1 浙江路桥节点编号

2 病害检测和空间形位变化

检测中发现，浙江路桥总体技术状态较好，绝大部分的主桁构件处于完好状态;采用超声波探伤检出的缺陷经超声相控阵技术检验确认不属于疲劳导致的孔边开裂，而是板件间的锈蚀所致;浙江路桥现有桥面防水措施不能有效地为主桁片下方的构件提供防护，导致吊杆下端及跨中下弦杆附近构件出现锈蚀，部分构件的截面严重削弱;托架下方支撑管线的钢板普遍存在锈蚀，无法有效对托架内部的管线提供保护;部分托架的竖向加劲肋发生局部屈曲变形，说明托架腹板曾经历较大荷载作用;桥梁北侧伸缩缝被垃圾堵塞，且严重锈蚀;桥梁支座保存完好;浙江路桥主桁杆件和托架在横桥向均有向上游偏斜的趋势。其中，下游侧主桁片和托架的偏斜尤为明显，下游主桁在M′6节点处偏斜达到最大，为30 mm。下游托架在L′9节点处偏斜达到最大，为39 mm。上、下游部分托架存在明显下挠。

为了检查浙江路桥主桁结构是否存在整体下挠、杆件偏斜、截面扭曲等永久变形，利用本次检测的机会对主桁杆件节点及托架端部布设测点实施了空间形位测量。浙江路桥主桁杆件总体表现出向上游偏斜的趋势，且这种趋势在下游侧主桁片尤为明显，最大值出现在下游主桁M6节点处，为30 mm。主桁杆件实际竖向位形与设计线形吻合良好，并未出现明显的整体或局部下挠。上游托架端部向上游偏斜的最大值为9 mm(位于L1节点)，向下游偏斜的最大值为5 mm(位于L7节点)，杆间节点最大相对偏斜值为14 mm;下游托架端部均向上游偏斜，最大值为39 mm(位于L′9节点)，与主桁杆件的变形趋势相似。下游托架端部测量曲线与设计线形基本吻合，未出现明显竖向变形，而上游托架端部测量曲线相比设计线形有明显的整体下挠，单个节点最大下挠达102 mm(位于L8节点)。除个别节点外，大部分门架节点均有不同程度的朝上游侧的横向偏移，且这种趋势在下游底部节点(L′0 ～ L′12)尤为明显。上游侧 L11 托架以及下游侧 L′5，L′6，L′7托架下挠较大，最大达13.5 cm。

3 有限元建模

浙江路桥迄今已运营了100余年。由于竣工后的实际桥梁结构与设计图纸存在施工误差，历年的维修与加固改变了结构刚度和恒载作用，且车船撞击和环境作用也一定程度上改变了结构的受力状态，因此按设计图纸建立的有限元模型并不能反映结构的实际受力状态。为降低分析误差的影响，按照以下步骤对有限元模型进行修正与计算:

1)为减少建模工作量，利用《浙江路桥使用安全性评定与维护对策研究报告》中所采用的有限元模型实施模型修正。该模型经过荷载试验结果的验证，可认为是符合当时浙江路桥的结构特征的。2)比较2008年大修前后浙江路桥结构异同点，按实际结构特征修改有限元模型中相关单元的几何参数和约束条件，使其符合构件加固后的结构特点。3)根据修正好的模型计算结构的恒载内力以及动力特性。

针对浙江路桥构造与受力特点，采用大型通用有限元分析软件ANSYS进行结构系统建模。依据浙江路桥2008年大修的竣工图纸对该桥的有限元模型实施了修正，并根据修正后的模型重新分析了浙江路桥的恒载内力与动力响应。从计算结果的分析可知，由于浙江路桥2008年大修未改变结构形式，仅局部贴补钢板，因此结构动力特性无明显改变。

4 交通车辆荷载模型

交通车辆作为钢桁架桥的主要可变荷载，在桁架杆件总作用效应中占比例较高，有时可达50%以上，故用于结构评估的车辆荷载模型能否客观地反映实桥交通状况将显著影响结构的安全评定结果。

为客观准确地描述实际交通状况，必须首先对浙江路桥的交通荷载数据进行调查统计。调查的主要交通参数包括:交通量、车辆轴距、车头间距、车辆总重。其中，单位时间内的交通量影响荷载的作用频率，其值通过浙江路桥桥头埋设的感应线圈采集;车辆轴距和车头间距共同影响车轴的纵桥向加载位置，而车辆总重则决定了轴载的大小，由于车辆轴距、车头间距和车辆总重三个参数的随机特性在上海城区内的变化不大，所以可直接采用其他桥址的调查结果。

分析表明，浙江路桥日均交通量为9 846辆，较2002年增加40%。各车型中，摩托车与电动车占日均总交通量的80.3%，较2002年大幅提升;小轿车占13.6%，大客车占3.5%，小货车占2.5%，而大货车仅占0.1%，这四种车的占比较2002年均有所降低。在重车中，大客车交通量降低19%，大货车降低5%，说明浙江路桥的交通荷载较2002年有一定幅度的减轻。

通过收集浙江路桥实测数据与类似桥梁的交通荷载数据，建立交通荷载模型，包括承载能力极限状态和疲劳荷载模型，结论如下:

1)浙江路桥的实际交通车辆荷载水平低于城—B级荷载水平，故在验算中采用城—B级荷载作为结构极限承载力安全评定的车辆荷载模型是偏于安全的;

2)考虑到构件疲劳损伤与众多交通荷载因素有关，且车辆荷载又具有复杂的随机特性，故直接采用数值方法模拟的交通流作为结构构件疲劳寿命验算分析的车辆荷载模型。

5 主桁承载能力验算

5.1 验算目的与依据

根据《浙江路桥使用安全性评定与维护对策研究》中记录的材料试验结果，浙江路桥所使用材料的各项性能指标类似于现在使用的Q235钢。因此，检算中材料的允许应力根据Q235(即A3)钢采用如下数据:［σ］=140 MPa，［σw］=145 MPa，［τ］=85 MPa，其容许应力的提高系数k=1.0。

浙江路桥主桁铆钉直径为22.225 mm，验算中均偏保守地按工地铆钉计算。其抗剪强度为100 MPa，抗压强度为250 MPa，抗拉强度为80 MPa。

浙江路桥的基本可变荷载按城—B荷载进行验算，人群荷载取为4 kPa。承载能力验算依据JTJ 025-86公路桥梁钢结构与木结构设计规范与CJJ 11-2011城市桥梁设计规范。

由本次病害检测结果可知，浙江路桥的部分构件严重锈蚀并存在截面损失，因此在验算中应考虑锈蚀对结构的影响。考虑锈蚀时间对锈蚀程度的影响，分别按10年、20年、30年对应的锈蚀程度验算浙江路桥主桁构件的承载能力。

5.2 截面特征修正

根据上海的气候条件以及所处地理位置，浙江路桥钢结构锈蚀速度可参照青岛的大气腐蚀数据进行计算。公式如下:

其中，D为腐蚀程度，mm;t为腐蚀持续时间，年。

5.3 截面强度验算

根据桥规，构件的承载能力采用下式验算:

荷载组合Ⅰ应力验算公式:

经计算，恒载作用下吊杆应力最高，活载作用下下弦杆应力最高。浙江路桥的多数杆件以受拉为主。端立柱和上弦杆为主要受压杆件。所有杆件应力均小于145 MPa，说明各个杆件可以通过强度验算。

5.4 稳定验算

仅端立柱以及上弦杆存在失稳破坏的危险，故仅需对这些杆件进行稳定验算，验算内容包括杆的稳定验算以及板的局部稳定验算两部分。

因由于油漆退化所导致的局部锈蚀仅限于杆件的局部位置，因此，在验算杆的稳定时不必考虑锈蚀的影响。杆件稳定计算根据相关规范进行，结果列于表1中，所有杆件均通过验算。

表1 城—B荷载作用下的稳定验算

6 结语

对上海市浙江路桥上部钢结构实施了病害检测、超声波无损探伤;建立了反映真实桥梁工作状态的力学模型和交通荷载模型;按现行规范验算了结构承载能力，综合实桥检测与理论分析的结果，得出以下主要结论:1)通过现场荷载调查与分析，通过浙江路桥的车辆荷载对主桁构件的作用效应未超过单车道城—B级荷载。浙江路桥主桁杆件的强度、稳定、节点连接数量以及节点板抗撕裂能力均通过验算。在现行交通荷载状况下，浙江路桥在短期(30年)内不会出现裂纹失稳扩展，但仍建议每6年进行一次超声波探伤。2)尽快对桥下存在锈蚀穿孔的纵横梁构件实施补强或更换。设法对桥面与主桁片接缝进行密封，杜绝桥面雨水通过主桁片流到桥下。3)浙江路桥的养护应严格按CJJ 99-2003城市桥梁养护技术规范执行。对重要铆钉应每隔6年进行一次超声波或其他无损方法探伤检测。4)浙江路桥必须严格限载和限制日交通量。

［1］ 浙江路桥使用安全性评定与维护对策研究［R］.上海:同济大学桥梁工程系，2008.

［2］ 崔晋阳.谈桥梁结构检查和检测［J］.山西建筑，2012，38(9):211-212.

［3］ CJJ 11-2011，城市桥梁设计规范［S］.

［4］ JTJ 025-86，公路桥梁钢结构与木结构设计规范［S］.

［5］ 陈惟珍.钢桁梁桥评定与加固:理论、方法和实践［M］.北京:科学出版社，2012.