桁架桥

以桁架作为上部结构主要的桥梁

桁架桥指的是以桁架作为上部结构主要承重构件的桥梁。桁架桥一般由主桥架、上下水平纵向联结系、桥门架和中间横撑架以及桥面系组成。在桁架中，弦杆是组成桁架外围的杆件，包括上弦杆和下弦杆，连接上、下弦杆的杆件叫腹杆，按腹杆方向之不同又区分为斜杆和竖杆。弦杆与腹杆所在的平面就叫主桁平面。大跨度桥架的桥高沿跨径方向变化，形成曲弦桁架；中、小跨度采用不变的桁高，即所谓平弦桁架或直弦桁架。

背景

随着我国道路基础设施的不断完善,在用桥梁的检测与评估将逐步成为相关部门的工作重点。然而 ,国内外相关规范均未提供可靠的钢结构桥梁评估方法。以《城市桥梁养护技术规范》(CJJ 99- 2003)为例,在其附录表D-2 中规定钢构件的锈蚀程度采用经验性的打分法按锈蚀范围进行评估, 但并没有说明锈蚀范围对承载力的影响,无法满足结构承载力与剩余寿命评估的需要。其他相关文献中涉及的桥梁的承载能力验算方法及剩余使用寿命评估方法同样有待改良。鉴于此, 本文结合上海市外白渡桥,研究一种适用于老龄钢桁架桥的检测与评估方法。

外白渡桥建于1907 年,由跨径52 m +52 m 的简支钢桁架构成,属于老龄钢桁架桥,是上海市文物保护建筑。2008 年,为配合外滩通道施工,该桥被移至陆地进行检测、评估与加固。为避免大面积更换构件,并保障该桥可再用50年,采用了一种科学的检测与评估方法。本文着重介绍其中交通荷载分析、锈蚀构件承载能力评估及利用断裂力学法计算结构剩余寿命3 部分内容。

交通荷载分析

外白渡桥原始设计活载为2 车道有轨电车,其后经历了多次改造。在此次加固前该桥允许通行3 车道汽车荷载, 但实际荷载等级不知。为保证该桥今后50 年使用安全,必须对其交通荷载进行分析。

2 .1 交通荷载调查

交通荷载调查项目主要包括:荷载重量、荷载数量及荷载的空间加载位置, 这3个项目分别由车重调查、交通量调查及车头间距、车头时距检测获取。项目实施前外白渡桥已中断交通, 无法采用BWIM 法实测车重,因此采用附近桥梁的统计资料作为该桥车重资料。

交通量数据及车头间距信息由管理单位在外白渡桥桥头预埋的车辆感应线圈获取。该探测器根据对车辆底盘的电磁感应将车辆划分为轿车、客车、小货车、大货车、拖挂车5 类,并以0 .5 h 为单位记录各车道各类车型的交通流量。根据往年的相关记录。

2 .2 交通荷载作用分析

采用Mo nte-Carlo 法建立交通荷载模型并分析交通荷载作用,步骤如下:

(1)分别按均匀分布、经验分布及对数正态分布生成车辆类型、车重、车头间距随机数序列。结合车道行车方向形成3 车道车队。将模拟车队以天为单位存储,共模拟60 d的数据。

(2)将模拟车队在待分析构件的弯矩影响线与轴力影响线上移动加载, 可得到对应的弯矩历程和轴力历程。按平截面假定叠加即为应力历程。

(3)第i天应力历程中的最大应力记为σi,max。假设σi,max服从正态分布, 根据60个最大应力样本,确定概率分布参数。根据《公路工程结构可靠度设计统一标准》(GBT 50283-1999),该桥结构安全度为二级,可靠度指标为4.2。依此计算结构最大应力,作为验算构件承载能力时的交通荷载作用。

(4)采用雨流法对60 d的应力历程计数,得到构件的疲劳应力谱,用于受拉构件剩余寿命评估。经分析确定该桥受力最不利的构件为跨中斜腹杆,其4.2可靠度指标对应的交通荷载作用为45.17M Pa ,最大疲劳应力幅为47 MPa 。

锈蚀构件评估

影响老龄钢桥构件承载能力的主要病害为锈蚀,为此在检测中对所有存在目视截面损失的构件进行了细致的锈蚀程度检测。检测发现由于构造与位置不同,钢板等辅助构件锈蚀表现为全截面的均匀锈蚀,主要受力杆件锈蚀则多表现为局部蚀坑或截面锈损,因此分别以最大锈蚀深度和截面锈损面积作为锈蚀程度评价指标。

根据相关学者的研究成果, 锈蚀对钢结构稳定承载力影响不大,因此在该项目中仅研究锈蚀对抗拉强度的影响。为确定锈蚀程度对构件抗拉承载力的影响,从桥上切割不同锈蚀程度的构件(试件取样于严重损坏必须更换的构件)制作标准拉伸试件测试力学性能。其中三角形代表实测数据,可见随着锈蚀程度增加,钢材的承载能力大致按线性规律降低。

使用寿命评估

评估钢桥疲劳寿命的主要方法有2 种:基于韦勒曲线与Mine r 线性积商理论的传统疲劳寿命分析方法和基于断裂力学理论的损伤容限计算方法。与前一种方法相比,后一种方法具有2大优点:①不必考虑结构的加载历史;②计算公式中的相关材料参数可以通过标准CT 试件得到,而不必采用成本高昂的足尺试件。因此,在该研究中主要采用断裂力学方法研究结构的剩余使用寿命。别为构件的初始裂纹长度和临界裂纹长度;ΔK为应力强度因子幅, 可根据疲劳应力幅查应力强度因子手册计算。

损伤容限方法的分析步骤如下:

(1)进行断裂力学试验测定裂纹扩展率～应力强度因子幅曲线, 根据曲线确定C和m。

(2)按介绍的断裂力学模型简化方法将含铆钉孔边缺陷的构件简化为双边裂纹构件或中心裂纹构件。

(3)采用超声波无损探伤法检测受拉构件, 确定初始裂纹(缺陷)长度a0。如未检测到缺陷的构件则假定其铆钉孔边存在对应于90 %检出概率的裂纹。

(4)计算构件在使用寿命中可能出现的最大拉应力,KIC为断裂韧性, 是材料常数;σmax为最大拉应力;Y(acr)为与裂纹长度相关的形状函数。

(5)将疲劳应力谱加载于式(2)中,采用迭代法计算剩余使用寿命N 。其中步骤(3)是该方案实施的难点,我国规范将超声波探伤检测结果用缺陷等效于3 mm 圆孔的反射声强值表示,检测后必须将检测结果转化为对应的裂纹长度,两者间的对应关系可以根据文献[ 5] 中提供的方法计算:a =α+βln(P)+ε (4)式中,a为裂纹长度;α、β 为与仪器有关的参数;ε为误差,是均值为0的正态函数;P为检测结果。

为确定其中的参数α、β, 取实桥拆卸下来的含铆钉构件进行疲劳加载, 得到初裂纹后先采用超声波探伤反复检测, 再用X射线法确定裂纹长度, 最后通过裂纹长度和检测结果反算得到α=0.218 6, β=0.340 9,ε的方差为0.408 5。

断裂力学材料参数通过断裂力学试验测得, 选取实桥上严重损坏的构件制作标准CT 试件,按《金属材料疲劳裂纹扩展测试方法》(GB/T 6398-2000)进行等幅疲劳荷载下的裂纹扩展试验,同步记录裂纹扩展量和应力强度因子幅,并将此次试验结果与国外相关试验结果进行对比。对比结果表明:国外试验数据偏于保守,如果直接照搬国外推荐的参数可能导致不利结果。将此次试验数据按90 %的保证率进行公式拟合,偏安全的取C=1.28×10,m=3。计算,最终发现外白渡桥在现行荷载作用下,有8个构件剩余寿命无法满足继续使用的要求, 必须进行加固。

结语

本文结合外白渡桥介绍了一种适用于老龄栓铆接钢桁架桥梁承载能力与剩余寿命评估的方法。与现有养护规范及评估方法相比, 该方法通过试验确定锈蚀对结构承载力的影响, 并根据量化的锈蚀程度检测结果推测构件的剩余承载力;采用实桥交通荷载进行承载力验算而不是采用设计荷载, 便于了解结构实际的安全程度;在结构剩余使用寿命评估前采用试验及超声波探测方法得到相关参数, 提高了结构疲劳寿命评估的计算精度。根据该方法研究所得结论, 外白渡桥已于2008年12月完成对杆件及节点板的更换与加固, 并于2009年初重新投入使用。

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