摘要：二十世纪初至二十世纪七十年代，我国修建了大量的铆接钢桁架桥，并且至今仍在运营。在各种自然因素和日益繁重的交通荷载作用下，这些老龄铆接钢桥均出现了不同程度的损伤，其承载能力已越来越受到桥梁管理部门的关注。为确保老龄钢桥的使用安全，避免不必要的维护与更换，发展一套老龄钢桥承载能力评估系统十分必要。以广州海珠桥为例，详细的阐述了老龄铆接钢桥承载能力评估的主要内容与方法，为以后此类桥梁承载能力的评估提供参考，具有较大的社会与经济价值。
关键词：无损检测；剩余寿命评估；有限元分析；承载能力；安全性评估
中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：16723198（2014）08018304
1引言
广州海珠桥始建于1929年，为广州八景之一，位于市中心，横跨珠江，是市区南北交通要道。该桥始建于1929年，1933年通车，原桥为三孔下承式简支桁架梁体系，经过以上历次改造，海珠桥现为三跨连续索桁混合结构，跨径布置为67.79+49.10+67.79=184.68m，总体布置见图1。目前，随着广州市交通的发展，海珠大桥的交通量急剧增加，高峰时每小时机动车已达到3800余辆。同时，大桥却因腐蚀、各种荷载的静力和动力作用，出现了大量的病害和损伤，直接威胁到桥梁的正常运营和安全性。
图1主桥总体布置图本文结合海珠桥全面检测评估项目，针对老龄铆接钢桥的病害，从多个方面（外观普查、无损检测、承载能力检算及失效分析、疲劳寿命评估）对此类桥梁的承载能力检测评估技术做了系统介绍，提供了一套完整的老龄钢桥承载能力评估系统，为以后同类老龄钢桥的评估提供参考，具有广阔的推广前景。
2基于外观普查及无损检测的评估方法及结果
2.1外观普查
外观普查内容主要包括上部结构、下部结构、桥面系普查。
（1）上部结构普查主要内容为钢结构病害检测和混凝土病害检测。桥梁钢结构病害检测的构件为：主桁杆件、纵横梁、横向联结系、托架、铆钉等；检测时采用目测方法检查杆件锈蚀、永久变形、宏观裂纹、铆接断裂与缺失，采用锤子敲击检测铆钉的松动情况。桥梁混凝土病害检测的构件为：混凝土桥面板。检查混凝土桥面板混凝土有无裂缝、风化、蜂窝、麻面、钢筋外露锈蚀、孔洞、磨损、表面腐蚀、碳化、剥落等病害情况，并检查桥面板是否存在非正常的变位；检查一般由目测完成，辅助以小型工具，如激光测距仪、卷尺、油漆、钢板尺、游标卡尺、记号笔、数码相机等进行，裂缝宽度用裂缝测宽仪完成，梁体变位情况可借助自动安平水准仪和标尺等简单工具进行测量。
（2）下部结构普查内容为支座检查、桥墩和桥台混凝土缺陷检查等。
（3）桥面系普查内容为桥面铺装检查、伸缩装置检查、人行道检查、栏杆、排水系统、照明及桥上各类标识的检查等。
2.2无损检测
无损检测内容包括混凝土强度及碳化层深度检测、裂缝深度和宽度检测、混凝土保护层厚度检测、钢筋锈蚀情况检测、氯离子含量检测、漆膜厚度检测、桥墩基础水下探摸检测、钢结构超声探伤检测、恒载吊杆力及背索索力测量、恒载线形测量、材质分析试验。
（1）混凝土强度及碳化层深度检测：采用超声回弹综合法对混凝土强度进行检测；碳化深度用游标卡尺和1%酚酞酒精溶液进行测量。
（2）混凝土保护层厚度检测：采用Hilti PS200钢筋探测仪进行测量，钢筋探测仪PS200采用电磁感应探测原理，可探测深度达到180mm，能高准确性给测出保护层的厚度，可以估算钢筋的直径。
（3）钢筋锈蚀情况检測：采用SW-3C型钢筋锈蚀检测仪，其检测原理是测定钢筋锈蚀电流和测定混凝土的电阻率来测定钢筋的电位（极化电极原理）。
（4）氯离子含量检测：通过现场对混凝土不同深度取样，对样品进行化学分析的方法加以测定，根据测定结果分析氯离子在混凝土中随深度的分布，评判其对钢筋锈蚀的影响程度。
（5）漆膜厚度检测采用涂膜厚度检测仪检测钢构件漆膜的厚度。
（6）桥墩基础水下探摸检测：由专业潜水员使用水下录像设备和小块磁铁、铲刀、钢尺、引水定位垂绳、探照灯等简单设备进行检查和记录，另外采用超声波测深仪对桥梁上下游边缘线投影对应位置的河床进行了连续的河床断面测量。
（7）钢结构超声探伤检测：桥梁在长期动载荷工况运行下，并在自然环境及各种应力（疲劳应力、腐蚀应力）作用下会产生裂纹，根据结构形式选用横波探伤法，检查钢桁架部分主桁受拉杆件和拼接节点板处铆钉孔端面与铆钉结合面缺陷。（8）恒载吊杆力及背索索力测量：全桥吊杆及背索索力测试采用频谱分析法进行，频谱分析法是利用紧固在缆索上的高灵敏度传感器，拾取缆索在环境振动激励下的振动信号，经过滤波、放大、谱分析，得出缆索的自振频率，根据自振频率与索力的关系，来确定索力。
（9）恒载线形测量：采用NA2自动安平精密水准仪进行精密闭合水准测量，并将测量结果与前期测量资料进行对比，以确定桥梁线形是否发生改变。
（10）材质分析试验：海珠桥建造时间较早，鉴于当时的冶炼水平，为了确定海珠桥钢材化学成分及其力学性能，在海珠桥实桥上取四块杆件缀板，进行化学成分分析、力学性能测试和腐蚀分析，需注意的是钢材取样时应取连接构件。
2.3评估结果
通过外观普查和无损检测，海珠桥存在的主要病害如下。
（1）钢结构锈蚀非常严重，其中端部节点板、下弦杆下翼缘、横梁上翼缘、纵梁上翼缘、缀板以及铆钉严重锈蚀，局部锈蚀深度有2mm～3mm，且个别部位（横梁上翼缘等）锈蚀分层剥落，丧失承载能力。铆钉锈蚀严重，部分铆钉烂头，主要分布在边跨与中跨下弦节点部位，另外多处部位的铆钉缺失。图2为海珠桥主桥钢结构锈蚀病害的典型图片。
a）北边跨L6L7上游下弦b）铆钉严重锈蚀
杆角钢严重锈蚀
图2海珠桥主桥钢结构锈蚀病害的典型图片（2）个别次要连接杆件变形，但南北边跨靠近支点的上平联振动过大。
（3）钢支座锈蚀非常严重，个别部位分层剥落，活动支座辊轴严重倾斜，辊轴锈死，铆钉锈断，已失去活动的能力，且支座旁堆放大量垃圾。
（4）主桥混凝土桥面板病害主要包括桥面板渗水、混凝开裂、压碎、脱落以及钢筋锈蚀等现象。混凝土碳化深度平均碳化深度为11.5mm，碳化深度较大，混凝土有所劣化，但仍未超过钢筋保护层厚度。混凝土抗压强度推定值在180MPa～27.1 MPa之间，强度差别较大，说明个别混凝土板劣化严重。
（5）主缆钢丝绳情况较好，表面黄油已干硬结块，失去防护作用，吊杆上锚头下部积水，表面锈蚀，另外发现主缆外裹胶带已经有老化现象，部分区域已失去密封防水功效，雨水可以进入内部造成锚头下部积水。吊杆下锚板均锈蚀，锚固螺栓油漆起皮剥落，轻微锈蚀，上游侧跨中有一根吊杆锚固螺栓缺失，吊杆失效。
（6）桥面铺装局部有坑槽和壅包，多处横向通长开裂破碎，主要位于南北边跨横梁上方，车辆通过时，冲击效应明显；两侧非机动车道露筋严重，人行道栏杆锈蚀，个别构件松动，个别泄水管堵塞；两端伸缩缝堵塞，伸缩缝旁铺装碎边，桥头轻度跳车；中跨和边跨连接处未设置伸缩缝，采用沥青填塞，沥青破碎开裂，最大宽度达到3cm，而且桥面线形在此处是个折角，跳车现象严重。
（7）主桥墩身及桥台状况较好，但局部有蜂窝麻面、坑槽、露筋锈蚀；由于江水冲刷，桥台和桥墩下层砌缝明显。氯离子含量测试值为0.014%，均远小于规范要求值，不会影响墩身混凝土钢筋的耐久性。河床断面测量测量结果表明20#墩附近冲刷较其它部位大。水下基础探摸发现主墩20#、21#墩身均存在破损、淘空，最大掏空深度为65cm。
（8）用横波探伤法检查钢桁架部分主桁受拉杆件和拼接节点板处铆钉孔端面与铆钉结合面缺陷，检测发现部分钢桁架铆钉孔端面与铆钉结合面处有疲劳裂纹的超声波波形显示。
（9）对比恒载吊杆力及背索索力，可以看出随着主缆钢丝绳的松弛及桁架内力变化等，桥梁结构发生了多次内力重分布，恒载状态下结构受力更为复杂，整体受力状态与原设计状态有所偏差。
（10）从化学成分来看，桥梁所用钢材所含的对耐蚀有利的合金元素，如Cr、Ni、Cu等，相比现在的桥梁用钢均低了一个数量级，耐蚀性较差；从该钢的力学性能看，下屈服强度为275MPa，与A3钢接近。其强度高，冲击韧性不高是因为受当时的冶炼水平所限制，属沸腾钢，脱氧不完全，因此，夹杂物以椭球状和短条状硫氧化物为主。从锈层的形貌及物相可以看出，其锈蚀产物为海洋大气和工业大气腐蚀的结果，主要物相为：α—FeOOH针铁矿、γ—FeOOH纤铁矿，还有少量非晶态相Fe2O3；分析锈层的形貌及能谱成分表明：锈层的厚度120um左右，呈多层结构，以铁的氧硫化物为主，还有一些其他的成分，比较复杂。
根据《城市桥梁养护技术规范》中关于对营运阶段桥梁技术状况评估方法的规定，并结合桥梁结构检测结果，海珠桥技术状况评定等级为不合格级，即桥梁结构构件存在损伤，持续下去将影响桥梁结构安全，应立即进行修复。
3承载能力检算及失效分析评估结果
3.1有限元模型
采用Midas有限元软件进行结构建模，主桁、纵横梁以及其它横向联结系采用梁单元，悬索、背索、吊杆采用桁架单元进行模拟，主桁节点板、桥面铺装、栏杆、桥梁附属设施等对桥梁结构产生的作用等效为节点质量单元，施加在相应的节点上，并通过检测数据对结构进行修正，海珠桥主桥有限元模型如图3。
图3海珠桥空间有限元模型3.2杆件内力及应力计算分析
根据目前的交通需求，取基本可变荷载为3车道汽-15，人群荷载为3.5kN/m2计算。恒载作用下杆件应力结果见图4，恒载+活载（汽车+人群）作用下杆件应力结果见图5。由图可见，由于中跨采用了主缆进行加固，边跨杆件的应力状态明显大于中跨，最大受拉杆件为U9L8，恒载作用下应力为92.54MPa，恒载+活载组合作用下应力为11338MPa。
图4海珠桥边跨主要杆件轴向应力计算结果图5海珠桥中跨主要杆件轴向应力计算结果3.3边跨U1L1竖杆失效及缆索系统失效分析
考虑到边跨U1L1竖杆的最易断裂，为了保证结构的安全，计算模拟边跨U1L1竖杆失效的情况，重新计算结构在恒载与活载作用下的应力分布情况，计算结果见图6，从图可见，杆件应力发生重分布，U9L8斜杆应力达113.06MPa。
另外，经检测发现，缆索系统内力松弛现象严重，个别吊杆锚固螺母已缺失，因此计算模拟缆索系统失效的影响，重新计算结构在恒载与活载作用下的应力分布情况，计算结果见图5、图6。由图可见，缆索系統失效后，U9L8杆件应力达129.16MPa，对比图4、图5可知，边跨、中跨杆件内力、应力变化均不大。
图6海珠桥失效分析边跨主要杆件轴向应力计算结果图7海珠桥缆索系统失效分析中跨主要
杆件轴向应力计算结果3.4评估结果
通过对海珠桥主桁杆件的受力分析可得：边跨U9L8杆件为最不利受力杆件，在恒载+活载作用下应力达到113.38MPa，对于老龄钢桥来说，已处于一个相当高的水平；边跨U1L1失效后，边跨杆件内力重分布，但改变不大；通过对缆索系统的失效分析可知，现缆索系统出现明显的松弛，对主桁结构作用大为减弱。
4疲劳寿命评估结果
4.1疲劳寿命评估方法
海珠桥疲劳评估内容与方法如下：
（1）调查海珠桥不同时期的交通流量，确定汽年车型、车重、车间距的概率模型，采用Monete-Carlo方法模拟过桥的交通流量；
（2）对最不利受拉杆件进行连续应力监测，得到杆件的应力历程，采用雨流计法进行统计，得到各测点的应力谱；
（3）采用Monete-Carlo方法模拟的车流对各应力测点的应力影响线进行加载，应用雨流计法统计得到各应力测点的模拟应力谱，并通过实测应力谱进行对比修正。
（4）查阅国内外规范，确定铆接钢桥的疲劳强度，采用Miner线性疲劳累积损伤理论对主要受拉杆件的疲劳寿命进行评估。
疲劳寿命的计算流程见图8。
图8疲劳寿命的计算流程4.2应力谱模拟
实际过桥的车辆种类繁多，如果直接进行模拟，将会非常复杂，而且十分不方便，所以进行荷载模拟的车辆采用交通调查基础上建立的模型车辆。采用Monete-Carlo方法模拟车流具体实现步骤如图9所示。
图9Monete-Carlo方法模拟车流将Monte-Carlo法形成的模拟车流按每个荷载步向前移动1m，作用到桥梁杆件的应力影响线上。对每个荷载步，应力由荷载乘以相应影响线坐标得到。这样对一系列时间点，就可以得到关心杆件应力历程，对所得应力历程按雨流法计数来获得应力谱。图10、图11为部分关心杆件的应力谱图。
图10U1L1杆件应力谱图11中跨跨中横梁应力谱4.3疲劳寿命分析
本桥偏安全考虑，采用AASHTO规范的细节D（71Mpa）作为铆接钢构件的疲劳强度S-N曲线，其中m=3，疲劳极限强度为17.9 Mpa。根据Miner线性累积损理论采用以下公式计算各阶段年疲劳损伤度、总疲劳损伤度以及疲劳寿命。
di=nΔσ1NΔσ
D=diyi
Y=y1+y2+y3+1-D1y4
式中：di—各阶阶年疲劳损度，d为现阶段年疲劳损度；nΔσ—在阶段i，一年内幅值为Δσ的有效应力循环次数；NΔσ—幅值为Δσ时构件达到疲劳破坏所需经历的循环次数；D—总疲劳损伤度；Y—疲劳寿命；yi—各阶段持续的时间。