老铆接钢桥剩余寿命与使用安全评估系统_王春生

第23卷　第2期2003年3月
长安大学学报(自然科学版)
Jo ur nal o f Chang ′a n Univ ersity(Natural Science Edition)
V ol.23　No.2
Ma r.2003
收稿日期:2002-06-05
基金项目:上海市市政工程管理处资助项目(200029)
作者简介:王春生(1972-),男,黑龙江绥化人,长安大学讲师,同济大学博士生.
文章编号:1671-8879(2003)02-0052-05
老铆接钢桥剩余寿命与使用安全评估系统
王春生
1,2
,陈惟珍1,陈艾荣
1
(1.同济大学桥梁工程系,上海　200092; 2.长安大学公路学院,陕西西安　710064)
摘　要:确保老钢桥的安全使用,合理延长其使用寿命,优化维护管理策略,是桥梁工程界面临的一个新挑战,建立老铆接钢桥剩余寿命与使用安全评估系统是解决这一问题的必由之路。

给出了老铆接钢桥剩余寿命与使用安全评估系统的基本内容,以上海市外白渡桥为例简要介绍该系统的实际应用成果,并对今后尚需研究的内容提出了建议。

关键词:老铆接钢桥;剩余寿命;使用安全;评估系统中图分类号:U448.23;U445.7 文献标识码:A
Assessment system on remaining life and service safety
of old riveted truss bridges
W AN G Chun -sheng
1,2
,C H EN Wei -zhen 1,C HEN Ai -rong
1
(1.Depa rtme nt o f Bridge Engineering ,T ong ji U niv er sity ,Shang hai 200092,China;
2.Schoo l of H igh way ,Chang ′an Univ ersity ,X i ′an 710064,China )
Abstract :How to retain service safety of o ld riv eted truss bridg es,to ex tend service life and to o ptimize maintenance manag ement are new challenge to bridge engineers.The unique way to resolv e this pro blem is to establish the assessm ent system on remaining life and service safety of
o ld riveted truss bridges.The main characteristics of the assessment system were presented.A new metho d w as taken into application thro ugh the ex ample of Waibaidu Bridg e in Shang hai,a nd some pro posals fo r the future research w ere sug gested .
Key words :old riv eted truss bridg es;remaining life;serv ice safety;assessm ent system 在19世纪末至20世纪中叶,由于钢铁冶炼技术的提高和交通运输系统发展的需要,西方工业国家修建了大量的铆接钢桥,并且至今仍在运营。

然而,这些将继续使用的老铆接钢桥的剩余寿命与使用安全性如何?一直困扰着各国桥梁学家。

尽管在设计一座新钢桥时遵守有效的规范能保证一个足够的安全度,但它决不会适用于100多岁的老桥,这些桥经历过两次世界大战,运营历史无法知晓。

其材料也与今天已有很大差异,况且它们的承载安全已被已有损伤(锈蚀与裂纹,甚至弹孔)部分耗散,其真实工作状态必须精确地加以调查。

因此,如何保障老钢桥的安全使用是摆在桥梁工作者面前的重要研究课
题。

目前,德国、美国与日本等国家都在对过去长期运营的旧钢桥加紧开展研究,以确保这些桥梁继续使用的安全性。

并证实应用断裂力学方法计算老钢桥的剩余寿命与安全度是一种行之有效的方法,并且已在德国等一些国家开始实际应用[1～
12]。

1　老钢桥评估的必要性和重要性
追踪发达国家桥梁事业的发展,我们不难发现这些国家大兴土木的时期已告结束,桥梁工程师已由桥梁设计者转变为维修工程师,他们的注意力主要集中在既有桥梁的剩余寿命评估、使用安全性分析和旧桥的维修、加固与改造,来确保老桥经济、安
全、可靠地使用。

目前,中国的交通主管部门和桥梁建设者主要将精力投入到了新建桥梁工程中,而对既有桥梁工作状态无暇关注,但这并不意味着中国不存在国外所面临的问题。

从20世纪初至建国初期,中国修建了一定数量的桥梁,其中运营超过50年的铆接钢桥就有1万多孔,有些还是德、日、英等列强留下的。

对这些长期甚至超期服役的老钢桥而言,锈蚀与疲劳是控制其寿命的两大主要因素,鉴于这些桥梁建造时期的技术水平,钢材质量较差,疲劳问题也不可能在当时桥梁的设计中加以考虑。

某些桥梁过去也曾进行过大修,但一般都不是针对疲劳问题而进行的。

同时随着中国经济建设的飞速发展,公路、铁路运输亦迅猛增加。

公路交通量、车辆重量和车速都在大幅提高,这使按老标准设计的公路桥的使用状况不容乐观,很多旧桥的病害与此密切相关。

近年来列车提速,一方面增加过桥列车频率和运量,另一方面由于速度增加引起较大的横向和竖向振动,这些因素将造成桥梁剩余使用寿命的急剧缩短;尤其是横向振动的加剧,使得原来薄弱的横向联系更为雪上加霜,从而大大降低桥梁的使用安全性,增加了桥梁失效倒塌风险。

以上事实充分说明中国桥梁工程界也面临着同样的挑战,对老桥的研究与评估势在必行。

老桥的留用或拆除,必须综合试验与理论方面的分析来确定。

正确评估它们的剩余寿命和剩余安全度,是采取加固措施保障它们使用安全的理论基础。

桥梁作为国家交通的命脉,在国民经济建设中处于十分重要地位。

因此,如何安全与经济地使用老桥,迫切需要加以研究和解决。

可见老钢桥剩余寿命与使用安全性评估系统的推广应用具有重要的实际意义,并将带来显著的经济效益。

2　评估内容与方法
2.1　评估系统内容
图1给出了老铆接钢桥评估系统流程,该评估系统包括如下主要内容。

(1)档案调查。

主要包括查阅、整理老桥原始设计,历次大修资料,以往荷载试验和加固质量检测报告。

(2)建立精确模拟桥梁实际工作状态的三维力学模型。

在档案调查的基础上可以初步建立老桥的力学模型。

为得到更精确、合理的力学分析模型,应
对老桥进行实桥静动力测试,从而获得该桥最新的
图1　老铆接钢桥评估系统流程
应力、位移和自振频率,并与已建力学模型的计算结果进行对比分析来修正力学模型,最终可建立与老桥当前工作状态相吻合的力学模型。

(3)对老桥进行承载能力复核。

老桥建造年代久远,其设计荷载较小,难于满足重载、高速、大交通量的发展要求,同时老桥均存在一定程度的结构损伤与退化。

因此为确保老桥的使用安全,对其进行极限承载能力复核是十分必要的。

(4)建立老桥的交通荷载模型以及对未来交通的预测。

为建立老桥的交通荷载模型,应首先进行现场交通观测和参数估计,在此基础上初步建立交通荷载模型。

为检验初建交通荷载模型的正确性,还要
进行若干杆件应力谱实测,通过实测应力谱与计算应力谱的对比来校正交通荷载模型。

为模拟老桥受载历史,应对老桥自建成投入使用后的车辆荷载、列车运营记录进行详细调查,对未来交通状况进行合理预测,从而提高疲劳分析的可靠性。

(5)模拟老桥应力历程和应力谱。

应用已建立的力学模型与交通荷载模型,可进行老桥应力历程和应力谱的模拟计算。

(6)老桥安全失效分析,确定危及桥梁安全运营的薄弱环节。

评价老桥安全的出发点首先是识别重要构件,重要构件的破坏将导致桥梁的损坏或可能出现倒塌。

重要构件可分为四个等级:串联构件、冗余构件、次要构件、桥面系。

通过将构件按上列分级,可以决定安全分析是对单个构件、全桥或者不进行。

对受压杆通常是进行稳定验算。

对受拉杆裂纹的出现将可能导致突然破坏,要用断裂力学方法进行分析。

一旦受拉的重要构件被识别,其断面的危险性能够借助于强壮度计算加以判断。

一个构件在丧失它的承载力之前,有足够长的时间显现它遭受疲劳裂纹带来的损伤,这个构件是强壮的。

一个构件的强壮度强烈地受到截面型式、荷载状态、温度及材料特征的影响。

对不具有足够构造强壮性的受拉的重要构件,必须进行断裂安全调查;否则杆件为非临界构
53第2期 王春生,等:老铆接钢桥剩余寿命与使用安全评估系统
件,杆件截面被视为是强壮的,因此这个截面在进一步的安全分析中不被考虑,只要在正常检测间隔内能及时发现相关截面成份的损伤,它不会带来桥梁丧失继续承载的风险。

(7)估计老桥的使用寿命和各细部调查优先级。

在应力历程和应力谱计算的基础上,可分别按传统疲劳分析方法估算老桥的剩余寿命。

为合理确定构件的疲劳抗力曲线,首先要分析国外大量试验资料,并进行必要的材料及大构件疲劳试验。

应该说明,由于老桥的应力历史较难精确确定,因此传统疲劳分析方法很难准确计算老桥的剩余寿命。

尽管传统疲劳分析不能准确计算老桥的使用寿命,但通过疲劳分析能给出各杆件的使用系数,从而可初步确定各杆件调查优先级,并为应用断裂力学方法计算老桥的剩余寿命奠定基础。

(8)计算老桥的剩余寿命。

为准确计算老桥的剩余寿命,应采用断裂力学方法。

可采用观测和超声波两种方法来确定初始裂纹大小,并根据各杆的截面组合型式进行简化,建立断裂力学模型,并计算各杆的临界裂纹大小,进而估计各杆的剩余寿命和使用安全。

(9)确定老桥的维修对策。

在疲劳损伤和断裂力学方法分析的基础上,确定老桥的维修对策。

首先判断老桥是否能够继续使用?若不能继续使用,应拆除;若能继续使用,还要判断是降级使用或加强部分断面。

为保证该桥的安全使用,还应确定调查间隔与裂纹探测的技术手段。

2.2　新方法和先进技术
本评估系统联合应用传统的疲劳分析方法和近几十年来发展起来的断裂力学新方法,并结合有限元方法与可靠度理论,来预测老铆接钢桥的剩余寿命并给出其继续使用的维修对策。

在剩余寿命与使用安全性评估中应用了如下新方法与先进技术。

(1)基于大构件疲劳试验进行损伤估计。

目前,对老公路钢桥还没有有效规范可供使用来评估其剩余寿命。

许多文献报道的当今交通流量增加和车辆加重而引起的老钢桥剩余寿命评估方法,一般都是采用现桥实测应力谱,并利用现有S-N曲线来计算。

S-N曲线疲劳分级以及长寿命区形状的取用不同,往往会造成计算剩余寿命与实际情况相差很大,主要原因是铆接结构受力复杂,使得构件疲劳强度的分散性很大。

针对这一问题,国外做了很多大构件、部分结构甚至整个桁梁试验,来验证桥梁评估采用的基本假定、观测裂纹的扩展以及识别桥梁结构中的薄弱细节,尤其是裂纹发展比较隐蔽的部位。

(2)工程断裂力学方法。

应用断裂力学方法确保桥梁使用安全的一般过程可分四步:第1步,确定临界构件(杆件或节点板),即必须进行安全验算的构件,并验算这些构件的构造强壮度;第2步,对那些没有足够强壮度的构件计算其最大容许裂纹大小;第3步,从裂纹探测长度或初始裂纹假定a0至断裂的裂纹增长时间,并验算是否超过正常可接受的检测间隔;第4步,对那些剩余寿命小于正常检测间隔的构件进行必要的加强以延长整个桥梁的使用寿命。

(3)可靠度理论。

为了真实地预测桥梁结构性能,结构可靠度理论是不可或缺的。

在统计评价构件时其荷载与抗力均是随机变量,由此得到一个构件或结构的破坏概率(或可靠度)。

首先从老钢桥已长期运营的事实出发,假定结构构件已损伤或已存在裂纹,再依据Pa ris方程,通过检测确定计算初始裂纹大小,应用概率断裂力学方法和可靠度理论计算老钢桥的剩余安全度[10]。

概率断裂力学理论为老钢桥的继续使用提供了理论依据。

剩余寿命是按结构安全度要求根据剩余安全度曲线来确定的。

尽管应用断裂力学方法计算老钢桥的剩余安全度还有许多问题需要深入研究,但它与基于韦勒曲线的分析方法相比较,其优点是:每次检测结果可以通过对初始裂纹大小的假定反映到计算模型中,从而使得未来使用阶段的安全度水平得到回升。

根据剩余安全度曲线可以确定老钢桥的下一检测时间和构件修补的尺度,合理延长老钢桥的使用寿命。

(4)精密有限元分析方法。

在老桥结构整体静、动力分析中,采用大型通用结构分析软件来建立精确的三维空间计算模型,从而提高结构分析的精度,为疲劳与断裂奠定良好基础。

在应力谱模拟计算中,编制了应力影响线(面)的动态加载程序和雨流法计数软件。

在应用断裂力学方法进行使用安全性评定时,把解析方法与有限元方法结合起来,采用静力凝聚技术和移动裂尖区策略,一步一个应力循环或多个循环来模拟裂纹扩展[1]。

采用有限元方法计算J 积分[5]。

(5)超声波探测技术。

采用断裂力学方法计算剩余寿命具有良好精度,但由于铆钉较多,铆接构造也较复杂,诸如节点板和补强焊缝,使得初始裂纹大小的确定比较困难。

国外最常用的是观测方法,它使得计算结果过于保守。

如今国外致力于发展一些无损或微损探测方法。

在老钢桥材料疲劳断裂常数的确定方
54
长安大学学报(自然科学版) 2003年　
面亚琛工业大学做了较系统的试验研究,发展了一种实桥钻孔取样的试验方法,但它会给老桥造成一定的损伤。

本评估系统推荐采用现代超声波无损探测技术探测裂纹,从而提高断裂力学评估的准确度。

(6)Mo nte -Ca rlo 模拟技术。

蒙特卡洛(M onte -Carlo )方法,或简称M -C 方法,是一种用数值模拟来解决与随机数量有关的实际工程问题的方法。

对随机变量的数值模拟相当于一种“试验”,故又称为统计实验方法或计算机仿真。

本评估系统采用M -C 方法来形成模拟车流,实现步骤为:①用均匀分布随机数产生相应的车型;②确定车型前、后轴承载比例,轮距及自重;③将均匀分布随机数通过函数关系转化为极值Ⅰ型随机变量,并根据车型得到车重值,用所得数值求出前后轮所承重量;④将均匀分布随机数通过函数关系转化为对数正态分布随机变量求出车间距;⑤将以上各值组成荷载数组,写入数据文件中。

2.3　试验技术
在老钢桥剩余寿命与使用安全性评估系统中采用的试验技术有:材料化学成分分析,材料力学性能试验,实桥裂纹探测,实桥位移、应变、振动测试,构件疲劳试验,应力谱实测。

评估老钢桥剩余寿命与使用安全的关键在于:对老桥的检测必须正确无误;在构件相交的节点处要采用较先进的裂纹探测方法;真实模拟桥梁的工作状态、应力历程和疲劳裂纹的扩展。

3　应用实例[4,12]
3.1　实例简介
外白渡桥建成于1907年,上部结构为二跨52.178m 下承式简支钢桁架桥(图2)。

该桥设11个节间,每节长4.744m ,桁高变化,中间高9.144m ,主桁中心距为12.192m ,原设计荷载为英制H -15级(合中国汽-11.3级)。

该桥自建成以来,历尽沧桑,几经加固检修,在荷载、桥面结构方面虽有很大改变,但目前仍保持正常的运营状态。

为适应上海在新世纪中的改革开放和发展的形势,满足上海市外滩地区飞速增长交通量的需要,上海市政工程管理处于2000年1月与同济大学桥梁工程系合作对该桥的剩余寿命及使用安全性进行全面评估,以正确地确定该桥的使用等级和养护方法。

由于该桥在近30年中已三次进行过承载能力试验,并有一系列可靠的结论,因此,要求本项目研究能从
理论上对该桥今后的使用提出确定性的意见。

在研
图2　外白渡桥
究工作中,详细地调查和收集了该桥的建桥、加固、修理、检测和运营历史,重新建立了当前行驶车辆的荷载谱,进行了承载性能试验,并用工程断裂力学观点指导了全桥的重要杆件的超声波探伤,从而形成
了一套迄今为止最为完整的结构状态和行为数据和资料,为理论分析奠定十分可靠的依据。

在进一步的理论分析中,首先建立了该桥的用于精细分析的三维空间力学模型,详细计算了桥梁在各种荷载工况下的应力和振动特性,并用经典传统的疲劳分析方法和现代工程断裂力学方法计算了该桥的使用寿命和剩余寿命,并使二者之间有良好的印证。

3.2　基本结论
通过实测与理论分析,对外白渡桥的剩余寿命和使用安全性的评估结论和建议如下。

(1)1991年的补强有效地处理了下弦节点的锈蚀问题,补强节点板参与了共同受力,桁杆焊趾处未发现裂纹萌生。

虽焊缝中存在缺陷,经计算表明不会发生断裂。

(2)在实测基础上建立的三维力学模型较真实再现了外白渡桥的结构受力特性,经与实测应力谱相比,较为安全地反映了现在构件中的应力历程,用于预测未来车流情况下的应力谱具有相当的可靠性。

(3)由于疲劳分析未能按准确的应力历史进行,故使得计算结果过于保守。

但相对来看,可以确定各杆关注的先后次序,其中第一吊杆A 1E 1的损伤最大。

(4)经观测和用超声波探测,并应用断裂力学方法分别对各杆的安全与剩余寿命进行了计算(图3)。

发现A 2E 1和A 4E 3存在脆断危险,但它的剩余寿命很长。

故建议对杆内各铆钉孔,尤其在节点板处
55第2期 王春生,等:老铆接钢桥剩余寿命与使用安全评估系统
图3　杆件计算剩余寿命
加强观测和必要的超声波探测。

A 1E 1杆虽然为塑
性破坏,但剩余寿命较短。

(5)通过对外白渡桥各杆的剩余寿命分析后建议:对A 1E 1、A 3E 3、A 4E 5、A 5E 5四个杆件进行截面补强。

为了保证外白渡桥的外貌特征,建议采用内贴钢板的加强方案。

(6)对加强后的外白渡桥,每4a 采用观测方法检查一遍,每10a 采用超声波探测一遍,以确定裂纹是否有扩展;如无扩展时,本项目中的剩余寿命分析仍可适用;如扩展量不大时,可利用研究报告中提供的图表,重新安排以后的维修对策。

4　建　议
为完善老钢桥评估系统,建议对如下内容进行深入研究:建立基于损伤机理的老桥损伤评估系统;进行大跨度桥梁风致疲劳研究;建立桥梁疲劳荷载谱,为桥梁评估规范的制定与完善服务;建立桥梁腐蚀损伤分析模型;发展基于结构系统可靠度理论的老桥使用安全评估与维护管理系统;通过老桥损伤评估系统的研究,为新建桥梁提供借鉴,改善桥梁设计、施工与使用中的薄弱环节。

参考文献:
[1]　CHEN W ei-zh en.Restsicherheit und Restlebe nsda ue r
a elte rer
Stahlbr uecken
auf
der
Ba sis
br uchmechanische r V erfah ren mittels Finite Element
M etho den [D ].M uenchen :Technisch e U niv er sitaet
M uenchen,1999.
[2]　C HEN W ei-zhen.Berechnung smodell zur r estlebens-da ue rabschaet zung aeltere r genie teter stahlbruecken [J].Stahlba u,2000,69(1):25—29.
[3]　C HEN W ei-zhen.Simulation de r Rissausbreitung und
Spro edbr uchna chw eis in Schw eissv er bindung en [J ].Ba uing enieur ,2000,75(5):247
—253.[4]　C HEN W ei-zhen,W AN G Ch un-sheng ,X U Lei.Rem-aining fatig ue life and sa fety of old rive ted truss bridg e [A ].Pro ceeding of Six th Pacific Structura l Steel
Confer ence [C ].Beijing .Seismological Pr ess ,2001:1268—1275.
[5]　C HEN W ei-zhen.Co mputa tion o f J -Integ ral with fin-it e element method [J ].Co mputer Aided Enginee ring ,2000,9(1):59—64.
[6]　C HEN W ei-zhen.Study o n fa tig ue desig n me tho ds fo r
steel bridg es [J]。

Bridg e Co nstr uc tion,2000,(2):1—3.[7]　C HEN W ei -zhen .Th e o lder steel bridg e r est life cal -culated by the metho d o f appliance fractur e mecha nics [J].East China H ighw ay ,2000,(4):43—46.
[8]　C HEN W ei -zh en.Assessme nt of load ca rr ying safety
fo r riv eted tr uss bridges [J ].China J o urnal o f Hig hwa y and T ra nspor t,2000,13(4):53—56.
[9]　陈惟珍.老钢桥疲劳剩余寿命的计算方法[A ].第14
届全国桥梁学术会议论文集[C ].上海:同济大学出版社,2000.535—541.
[10]C HEN Wei -zhen ,Albrech t G ,Ko steas D.Fatigue life
predictio n fo r th e w elded members in steel bridges [J ].J o urnal of T ong j i U niv er sity ,2001,29(1):45—49.
[11]C HEN Wei -zh en ,Albr echt G ,K osteas D.Remaining
reliability a nd fatigue life o f old steel bridg es [J].J o urnal of T ong j i U niv er sity ,2001,29(4):45
—49.[12]C HEN W ei -zhen ,W AN G Chun -sh eng ,X U Lei .
Remaining fatig ue life and sa fety of W aibaidu bridg e in Sha ng hai [J].Bridg e Constr uction,2002,(2):6—10.
[责任编辑　孙守增
]
广东公路网络水平全国居首
一级公路里程、高等级公路里程、水泥混凝土路面里程、桥梁座数等均居全国各省首位的广东省,近年致力加大高速公路建设的力度,到2001年底,全省已通车的高速公路达1500km 多,21个地级市有18个开通了高速公路,并规划到2007年高速公路突破3500k m,为建设广东经济强省构筑输血框架。

在“九五”以来的6年多内,广东省先后注资1500多亿元,大力推进以高速公路为主动脉,国道、省道、县道、村道为脉络和毛细血管的公路网络建设,使全省到2001年底止公路总里程达104700km ,其中高速公路1500km 多,桥梁 2.15万座,公路密度59k m /100km 2,逐步形成一个初具规模的现代化公路网络。

据了解,广东省公路建设的9项指标均进入全国前五名,其中5项名列首位,公路网络的总体水平居全国之首。

56 长安大学学报(自然科学版) 2003年　。