在役钢结构桥梁提升跨的承载状态综合分析与评价①

(中铁十八局集团第五工程有限公司, 天津 300451)

0 引 言

随着交通流量不断增加，大型重载交通工具逐渐增多，桥梁作为联系交通的重要环节，负荷压力越来越大，确保在役桥梁主体结构安全性能显得尤为重要[1～3],然而，运营中的桥梁结构发生局部或整体倒塌事故不在少数[4,5]，例如，1940年美国塔科马海峡大桥，在低于设计风荷载作用下发生共振效应而发生桥面折断式垮塌；1994年韩国年圣水大桥发生倒塌事故，主要原因在于偷工减料及疏于管理；2007年美国密西西比河大桥，因支座严重腐蚀等结构缺陷未得到相关部门的重视而导致倒塌事故。由此可见，采用合理的检测技术评估桥梁的工作性能，对防止桥梁倒塌等严重事故发生具有重要意义。

上世纪国外研究人员便提出诸多研究成果，并开发了桥梁无损检测技术，同时集成化、轻量化的检测技术相继被提出，例如激光全息干涉技术、振动仿真技术等。在我国上世纪80年代中期，在国外研究成果的基础上，四川、广东及北京等地分别建立了桥梁数据管理系统，在役桥梁承载力安全状态逐渐受到关注。上世纪90年代，交通部提出在役桥梁的检测与加固技术要求，进一步提高重视程度，在役桥梁的承载能力状态评价也逐渐成为研究热点。由此可见，在役桥梁的承载状态已受到了国内外工程人员的广泛关注。

可提升钢结构桥梁能满足多种交通形式，因此在沿海地区应用较广泛。然而由于钢结构耐腐蚀差、稳定性要求高等特点对桥梁结构的安全性提出了更高的要求[6-8]。既有桥梁的承载力是桥梁结构工作性能的重要方面，目前主要采用静载试验及动载试验进行分析评价[9-11]。基于此，将依托工程实例，开展可提升钢结构桥梁的安全性评价研究，并通过历年检测数据对比分析提出该桥梁结构关键杆件应力变化趋势及动力特性变化规律，具有重要的理论价值和实际意义。

1 工程概况

该工程始建于1980年，位于沿海地区，主桥部分为全钢结构升降式开启桥。主桥共5跨，跨度分别为48m、64m(中间升降部分)。桥面宽度为20m，下部支承结构为高度8m的三角形桁架。最大提升高度为24m。该桥梁分别于1985 年、1996 年、2005 年、2007 年、2016年对进行了静载试验及动力性能测试，同时于1997年对桥梁部分杆件进行局部加强处理。

2 工程实例

2.1 模型建立

根据该桥梁提升跨的结构特点，采用大型有限元软件MIDAS Civil进行建模分析。该软件能够合理运用桥梁分析理论，将桥梁基本设计过程与研究分析过程有机结合，因此得到了工程界和学术界的广泛认可。建模分析中，单元类型主要采用桁架单元、一般梁单元及板单元三种单元类型，提升跨模型构造图如下图2所示。其中，桁架单元定义为单向承受拉力和压力的三维空间单元，仅2个自由度；梁单元则定义为等截面的三维梁单元，具有6个自由度；板单元定义为4节点平面板单元，由同一平面上的3个或4个节点构成，具有6个自由度。此外，结构局部存在的加劲肋，通过计入平板厚度方式考虑其刚度影响。桁架单元与梁单元相连接时采用约束桁架单元旋转自由度的方式来避免计算发生奇异。

图1 桥梁全景图

图2 提升跨模型

图3 自振频率计算结果

2.2 荷载取值

永久荷载包括结构自重、桥面铺装以及螺栓、人行道荷载等。其中结构自重由程序根据结构构件密度自动计算；桥面铺装主要为环氧树脂沥青，取25kN/m3；螺栓、人行道等其他荷载根据实际情况，取2325kN，折算为均布荷载施加于桥面。

可变荷载主要为汽车荷载，其中汽车车道荷载由均布荷载和一个集中荷载组成，均布荷载标准值为qk=10.5kN/m，集中荷载标准值为Pk=360kN。汽车荷载冲击力标准值为汽车荷载标准值乘以冲击系数μ。冲击系数μ结构基频由程序自动计算。

2.3 动力特性分析

依据有限元分析方法，提出如图3所示的主桥提升跨结构的前6 阶频率、周期和振型，可以看出，结构基本振型为全桥竖向弯曲振动，基频为2.32Hz。

3 静载试验

3.1 加载方案

为了便于与历年静载试验结果进行对比分析，本次对主桥提升跨的静载试验采取3个试验工况，即：(1)主桁架跨中上弦杆最大压力；(2)主桁架跨中下弦杆最大拉力；(3)主桁架边斜杆最大压力。根据静载试验荷载效率要求，确定每一试验工况所需加载车辆的数量和布置方式。本次对主桥提升跨的静载试验采取一种布置方案满足3个试验工况要求。表1列出了主桥提升跨静载试验的试验工况和荷载效率系数。

表1 加载工况和荷载效率系数

表中，“-”表示内力值为轴向压力，“+”表示内力值为轴线拉力(省略)。

为了保证主桥提升跨静载试验时的结构安全，试验加载采用2级加载，图4分别给出了第一级加载(即半载)和第二级加载(即满载)时车辆布置平面图。

3.2 测点布置

应力测试主要量测主桁架的跨中上弦杆、跨中下弦杆和斜杆的应力，共6个测试杆件，在每根杆件测试截面内外侧各对称布置1个测点(编号分别为测点A和B)，共布置12个应力测点，如图5所示。挠度测试的测点布置，挠度测试主要量测提升跨的跨中竖向挠度，在提升跨跨中位置桥面沿横桥向布置3个测点，在提升跨两端位置各布置1 个测点，同时在桥墩上布置1 个基准测点，如图6所示。

3.3 应变测试结果

表2分别给出了主桥提升跨主桁架各检测杆件的实测应力变化值及校验系数。表中应力变化值的正值表示拉应力增加或压应力减小，负值“-”表示拉应力减小或压应力增加；校验系数为满载时A号测点和B号测点实测应力的平均值与理论计算值的比值。图7给出了上述各检测杆件的残余应变和残余应变率，残余应变率是残余应变值与满载时应变值的比值。

图4 加载方案

测试杆件测点杆件应力测试值/MPa半载满载杆件应力计算值/MPa校验系数D-1A-36.20-55.64B-33.27-53.68-50.441.09D-2A-36.54-54.96B-33.19-53.50-50.441.07D-3A20.2038.64B20.7641.7557.620.70D-4A20.8341.31B22.1542.9157.620.73 D-5A-15.06-40.02B-13.78-35.97-34.141.12D-6A-13.40-35.92B-13.75-36.72-34.141.07

图5 应变测点布置图

图6 挠度测点布置图

图7 残余应变测试结果

图8 历年测试结果对比

图9 挠度测试结果

图10 自振频率测试结果

可以看出，该桥梁提升跨跨中上弦杆的校验系数为1.09 和1.07，均大于1；跨中下弦杆的校验系数为0.70 和0.73，均小于1；边斜杆的校验系数为1.12 和1.07，均大于1。理论计算值采用平面桁架模型，没有考虑桥面系的影响对结果存在一定影响，但上弦杆及斜腹杆的内力校验系数均大于1，将影响结构的整体刚度。同时所有杆件残余应变均在5%以内，满足相关规范规定小于20%的要求，说明桥梁结构处于弹性工作状态。

为了进一步分析桥梁结构的承载能力，将静载试验所测得的杆件应力和校验系数结果与历年静载试验结果进行对比，如下图8所示。图中可以看出，随着服役时间的增加，该桥梁提升跨测试杆件的内力校验系数均不断增加，并于1996年达到峰值，且此时大部分测试杆件的内力校验系数均大于1.05，趋于不安全状态。经历1997年对局部杆件进行补强加固后，2007年各杆件的内力校验系数显著降低，结构安全性能显著提高。随后此次试验结果表明，各测试杆件的内力校验系数在一定程度上有所提高。

3.4 挠度测试结果

图9给出了静载试验中该桥梁提升跨各测点挠度变化规律。可以看出桥面跨中各测点处竖向挠度的最大值为40.51mm，各测点处竖向挠度的校验系数为0.92～1.09。根据相关规定，车辆荷载作用下的跨中竖向挠度限值为L/800，其中L为简支梁的计算跨径。据此可以计算得到主桥提升跨跨中竖向挠度限值为4000mm/800=80mm，实测提升跨跨中竖向挠度的最大值为40.51mm<80mm，因此主桥提升跨的跨中竖向挠度满足规范要求。

4 动力性能试验

结构的动力特性主要包括结构的固有频率、振型和阻尼比，它们仅取决于结构的组成形式、刚度、质量分布、材料性质等，是结构本身的固有参数；结构的动力特性可以反映出结构的工作是否正常、安全，存在何种问题，薄弱环节在何处。为了对该桥梁结构的运行状态进行深入分析，对主桥提升跨进行竖向自振频率的测试，并与理论计算值以及历年的测试结果进行比较。

随着服役年限的增长，该桥梁提升跨自振频率呈降低趋势，且经历1997年局部杆件补强加固后，结构竖向自振频率略微提高，随后2016年所测的自振频率显著降低。对提升跨竖向自振频率的测试结果较1986 年的测试结果降低了6.5%，较1996 年的测试结果降低了10%，较2006 年的测试结果降低了7.4%。结构自振频率的平方与结构的刚度成正比，在结构质量变化不大的情况下，结构自振频率的变化可以反映结构刚度的变化，因此自振频率的降低，反映出提升跨整体刚度有所下降。

5 结 论

为了深入分析钢结构桥梁可提升跨的安全性能高，为相关桥梁的加固、维护等提供重要的科学依据，依托实际工程，通过静载试验及动力特性测试，结合有限元分析方法，对安全性能进行深入分析与研究，得到以下主要结论：

1)结合有限元计算及动力测试结果，目前该桥梁提升跨的运行状态较差，需要进行加固处理。

2)随着服役年限的增加，提升跨的桁架各杆件均存在承载力退化现象，且上弦杆及斜腹杆退化速度更快；随着服役年限增加，结构整体振动频率不断下降，表明结构刚度不断降低，运行状态变差。

3)对局部杆件进行加固后，杆件的承载力显著改善，整体振动频率略微增加，但在其后服役年限内上述指标的劣化速度加快。