Mechanical property of hinged voided slab with perforated steel plates at bottom of junction surface
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摘要: 针对现有铰接空心板桥的薄弱部位——铰缝, 提出一种在空心板与铰缝结合面底部设开孔钢板的空心板构造, 通过开孔钢板改变结合面裂缝开展的路径, 达到延缓空心板与铰缝结合面通缝形成的目的, 并进行了8m跨径的铰接空心板足尺模型试验。在试验和非线性有限元分析的基础上, 与结合面底部带钢筋的铰接空心板试验进行了对比。分析结果表明: 当试验荷载为100kN (1.43倍车辆荷载) 时, 空心板跨中出现横向裂缝, 空心板梁整体刚度降低, 空心板受力状态由弹性阶段进入弹塑性阶段; 在试验荷载加至300kN (4.29倍车辆荷载) 为止的整个加载过程, 未观察到空心板与铰缝结合面底部出现裂缝; 当结合面底部设门式钢筋时, 裂缝沿结合面从下向上扩展, 最终形成通缝, 然而, 当结合面底部设开孔钢板后, 铰缝沿结合面开裂至开孔钢板下方后, 裂缝的扩展需要绕过开孔钢板, 使得开孔钢板下方铰缝混凝土开裂后, 再沿开孔钢板上方结合面向上扩展, 形成通缝; 铰缝开裂荷载由结合面设置钢筋的69kN (0.99倍车辆荷载) 提高到314kN (4.49倍车辆荷载), 提高了3.50倍; 铰缝形成通缝时的荷载由结合面设置钢筋的199kN (2.84倍车辆荷载) 提高到489kN (6.99倍车辆荷载), 提高了4.51倍。可见, 在结合面底部设开孔钢板后, 铰缝裂缝开展路径发生变化, 延缓了空心板与铰缝结合面的开裂。Abstract: In view of the weakest point of hinged voided slab bridge, namely hinged joint, a kind of voided slab with perforated steel plates at the bottom of hinged joint-to-voided slab interface was put forward, the perforated steel plates were used to change the crack propagating path at the interface, so as to delay the formation of through crack at the hinged joint-to-voided slab interface, and the full-scale model experiment on 8 m-span hinged voided slab was conducted. Based on the experiment and nonlinear finite element (FE) analysis, the result was compared with the experiment result of hinged voided slab with gate-type steel bars at the bottom of interface. Analysis result shows that when the experiment load is 100 kN (1.43 times vehicle load), the lateral crack emerges in the mid-span of voided slab, the integral rigidity of voided slabdecreases, and the stress state of voided slab comes into elastoplastic stage from elastic stage. The test load is applied up to 300 kN (4.29 times vehicle load), no crack is detected at the bottom of hinged joint-to-voided slab interface during the entire loading process. For hinged voided slab with gate-type steel bars at the bottom of hinged joint-to-voided slab interface, the crack extends from the bottom to the top along the interface, and then forms a through crack. However, for the hinged joint-to-voided slab interface with perforated steel plates, after the crack propagates along the interface to the bottom of perforated steel plate, the expansion of the crack needs to bypass the perforated steel plate, so that the joint concrete below the perforated steel plate cracks, and then the crack expands upward along the junction surface above the perforated steel plate until the formation of through crack. The joint cracking load increases from 69 kN (0.99 times vehicle load) for the interface with gate-type steel bars to 314 kN (4.49 times vehicle load), and increases by 3.50 times. The through-crack-formation load increases from 199 kN (2.84 times vehicle load) for the junction surface with gate-type steel bars to 489 kN (6.99 times vehicle load), and increases by 4.51 times. It can be seen that the extension path of crack changes after the perforated steel plate is set at the bottom of junction surface, which slows down the cracking of the junction surface between the voided slab and the hinged joint.
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既有桥梁总会存在着不同程度的结构累积损伤, 这不但影响桥梁的正常运营, 而且会危及结构的使用安全。国内外多座桥梁的突然破坏与倒塌(见表 1), 已使桥梁工程界对桥梁损伤安全评定与维护管理对策这一新课题倍加关注。桥梁在建造和使用过程中, 必然会受到环境、有害化学物质的侵蚀, 并要承受车辆、风、地震、疲劳、超载、人为因素等外来作用, 同时桥梁所采用材料的自身性能也会不断退化, 从而导致结构各部分不同程度的损伤。常规桥梁承载能力试验与新近发展起来的健康监测技术都很难独自地对导致桥梁脆性破坏的潜在、隐蔽的损伤累积有效地进行检测。因此, 本文提出基于损伤机理的结构损伤安全评定方法的设想, 采用局部无损探测和整体、长期健康监测相结合的损伤判断、定位技术。在正确诊断桥梁损伤基础上, 综合应用基于损伤力学、疲劳断裂、可靠度理论、模糊评价等多种损伤安全评定方法和理论。根据适时安全评定结果, 按照不同桥梁结构的损伤特点, 即时给出桥梁维护管理对策, 以便桥梁管理部门采取相应措施确保桥梁安全使用, 并可优化维护支出, 合理延长桥梁剩余使用寿命。
表 1 桥梁失效Table 1. Tab.1 Bridge failure cases桥名 桥型 事故时间 事故简况 失效原因 美国Kings桥 钢桥 1962 倒塌 疲劳脆断 美国Point Pleasant桥 吊桥 1967 倒塌 疲劳脆断 英国Yuys-y-Gwas桥 混凝土梁桥 1985 倒塌 预应力筋锈蚀 美国乔治·华盛顿桥 吊桥 1992 纽约侧锚锭内主缆近70%丝股腐蚀严重 主缆腐蚀 韩国圣水大桥 斜拉桥 1994 中孔崩塌 疲劳断裂 广州海印大桥 斜拉桥 1995 一根斜拉索突然断落 斜拉索锈蚀 帕劳岛桥 预应力混凝土梁桥 1996 倒塌 力筋腐蚀 重庆綦江彩虹桥 钢管混凝土拱桥 1999 倒塌 施工质量低下 宜宾小南门桥 劲性骨架箱肋拱 2001 桥面局部倒塌 吊杆断裂 1. 损伤机理与因素
1.1 环境因素
桥梁从开始建造之日起就处在自然环境之中, 必然要承受环境的各种作用。空气中的水蒸气、有害的化学物质、温度变化等会引起结构各种形式的损伤, 如钢结构的腐蚀、加筋结构中力筋的腐蚀、混凝土结构冻害等。这些损伤行为不仅影响结构的耐久性, 而且会削弱结构的承载能力。钢桥防腐一直是人们所关注的问题之一, 为解决这一难题已开发了许多防腐涂料以及耐腐钢材。应力腐蚀、氢脆也不容忽视。力筋的锈蚀引起桥梁结构损伤的例子屡见不鲜, 由此开展的钢筋锈蚀机理研究已取得不少的成果。研究表明混凝土碳化及卤离子的侵入是引起钢筋锈蚀的主要原因。在引起锈蚀的电化学反应中, 氧和水是必要的, 但只有氯化物和其它污染物才能加速氢脆(应力腐蚀)。混凝土冻害机理研究始于20世纪30年代, 提出了静水压、渗透压等假设, 由于问题的复杂性, 至今尚无定论。可以明确的是混凝土中孔隙水、胶凝水是诱发混凝土冻融循环破坏的必要条件, 温度变化会引起混凝土结构的开裂。
1.2 材料性能退化
桥梁建筑材料必然会出现材料的老化、力学性能降低等, 如混凝土的碳化、碱骨料反应, 碳化现象在混凝土桥梁中十分普遍, 混凝土保护层的碳化是导致力筋锈蚀的重要原因之一, 此外氧化、辐射也会诱发材料的损伤, 混凝土收缩导致的裂缝也是一种材料损伤。
1.3 疲劳
桥梁所采用的材料往往含有微小的缺陷, 在循环荷载作用下, 这些微缺陷(微裂纹和微孔洞) 会成核、发展及合并形成损伤, 并逐步在材料中形成宏观裂纹。如果宏观裂纹不得到有效控制, 极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。疲劳损伤是钢桥设计中的核心问题, 有不少因疲劳断裂引起桥梁垮塌的案例。早期疲劳损伤往往不易被检测到, 但其带来的后果可能是灾难性的。近20年来, 疲劳损伤的研究已进入混凝土结构, 相信这会有力推动混凝土工程学的发展。
1.4 车辆荷载
桥梁承受的交通荷载是一种动荷载, 会在结构内产生循环变化的应力, 从而引起结构的疲劳损伤积累。行驶车辆还会引起结构振动, 减弱构件连接, 降低结构刚度。此外车辆引起的冲击作用会使伸缩缝、支座等构件产生损坏, 从而影响结构的正常使用功能, 严重时会危及结构的安全。
1.5 超载
桥梁的超载现象是客观存在的, 有两种情况: 其一是早期修建的老桥超龄、超负载运营; 另一种情况是违规超载车辆的存在。前者产生的原因主要是设计规范的变化和交通量的增加及重载车辆的发展所致, 这种现象是必然的; 而后者是由于车辆使用者违反交通运输法规超载营运, 这样的违规超载现象在中国公路运输中是很普遍的。超载会使桥梁损伤加剧, 甚至会出现一些过载引发的结构破坏事故。
1.6 风的作用
随着桥梁向大跨、轻柔方向发展, 风对桥梁的作用已引起广泛关注。风引起的桥梁损伤主要来自其动力作用: 强风作用时会引起主梁的颤振失稳破坏, 这是必须要避免的; 而自然风中的紊流成分会激发桥梁的抖振, 抖振是一种强迫振动, 虽然抖振是一种限幅振动, 但会使桥梁承受交变的抖振力, 导致结构的疲劳损伤[1]。斜拉桥的斜拉索自身固有频率较低, 风作用下会发生横向涡激振动, 在一定的风雨环境中斜拉索会发生强烈的风雨振动, 这一现象已在国内的杨浦大桥、南京长江二桥和洞庭湖三塔斜拉桥均发生过, 引起了桥梁界的关注。斜拉索的风雨振动会加剧拉索疲劳, 目前国内外正进行拉索的风雨振动机理与减振措施研究。
1.7 地震的作用
地震对结构而言是一种随机激励, 从而引起结构的振动。由于地震作用持续时间较短, 但往往结构响应较大, 存在高应力、大应变, 这与一般的高周疲劳不同, 结构产生的疲劳损伤属低周范围, 这方面的研究也处在发展之中。
1.8 人为因素
人为因素带来的结构损伤是不容忽视的, 如火灾、爆炸、交通事故、维修养护不当对桥梁带来的损伤。目前对人为因素(车、船撞击) 引起桥梁的损伤研究报道较少。
其次, 还有洪水、滑坡、不均匀沉降等自然灾害带来的损伤。
2. 损伤诊断技术
2.1 观测
目前桥梁管理部门在常规养护中一般采用现场观测方法, 由有经验的技术人员或专家目测, 根据各部位的损伤状况来综合评定整座桥梁的分值, 最终按有关养护规范或规程确定维护措施。该种损伤诊断方法简单、易行, 但评估结果粗糙, 主观性较强, 对隐蔽部位及初期损伤无法检测, 对于复杂结构更是无能为力。
2.2 承载能力试验
承载能力试验主要包括新建桥梁的竣工试验和旧桥的荷载试验。其中竣工试验是对桥梁设计、施工质量是否满足规范要求, 判断桥梁是否可以投入运营, 此种荷载试验对设计、施工所带来的初始损伤并不敏感。旧桥的承载能力试验是评定旧桥承载安全的有效手段之一, 但难以对桥梁的损伤状态做出细致的评价。虽然传统的桥梁承载能力试验在保证结构承载安全方面是必要的, 但却难以全面反映桥梁的损伤累积状况, 而且, 其实验结果也缺乏对桥梁安全储备以及退化途径作出系统的评估。
2.3 参数识别技术
结构参数识别可以采用静力法或动力法。静力法一般是基于桥梁的静态应变、位移测量来进行参数识别, 此种方法对试验条件要求较高, 但具有较高的识别精度与稳定性。目前此方法的研究报道较少, 相信随着试验技术的发展, 静力识别会有其应用的空间。动力法是利用结构的振动来进行参数识别与损伤检测, 这种渊源于航空、机械领域的高新技术在土木工程领域也现出了勃勃生机。研究表明结构动力响应中的频率、位移模态、应变模态对局部损伤(刚度变化) 的敏感性依次增强。鉴于模型误差、测量误差、环境噪声影响和测量数据的不完全性等因素的影响, 基于频率的识别几乎是不可能的。即使基于模态识别的敏感性较高, 但在损伤初期, 响应变化很小, 此外还要受到各种误差和噪声的干扰, 要进行损伤的有效识别是相当困难的。为此对识别方法进行了一些改进, 如用神经网络、二阶段识别等来提高损伤识别的精度。随着模型修正技术、测试技术和识别技术的改进, 动力识别的效率会大大提高。在目前的技术水平下, 动力与静力识别法各具特色, 为提高损伤识别效率, 将两种方法有机结合起来不失为一种解决问题的途径。
2.4 健康监测[2-4]
近年来随着大跨度桥梁的兴建, 桥梁健康监测技术已成为国内外学者的研究热点, 并将其应用于工程实践。如英国的连续钢箱梁桥Foyle桥、挪威的Skamisundet斜拉桥(主跨530 m)、美国主跨440 m的Sunshine Skyway Bridge斜拉桥、丹麦主跨1624 m的大贝尔特悬索桥、英国主跨194 m的Flintshine独塔斜拉桥和加拿大的Confederation Bridge桥等均安装了一定的健康监测系统。中国香港的青马、汲水门、汀九三座大桥, 以及徐浦大桥、江阴长江大桥、南京长江二桥、芜湖长江大桥也建立了不同规模的结构监测系统。此外即将投入使用的重庆大佛寺长江大桥(主跨450 m的混凝土斜拉桥) 正在进行安全监测系统研究, 并将在国内首次采用光纤传感器应用于大跨桥梁的监控。
桥梁健康监测是应用现代传感和通信、网络技术, 实时监测桥梁在各种环境、荷载等因素作用下的结构响应, 及时发现桥梁的损伤与质量退化, 为桥梁维护、管理决策提供可信的依据。可见健康监测技术可以确保桥梁的安全运营, 延长桥梁使用寿命, 通过早期发现桥梁病害可以节约维护费用, 并可避免频繁的大修而影响车辆通行造成的重大损失。同时该系统实现了一种在线实验室, 它可以真实地揭示自然环境对桥梁安全的影响规律, 验证桥梁的设计理论与方法。总之健康监测是一种有效的桥梁损伤识别技术, 它可以实现对结构整体损伤的长期跟踪监测, 从而达到对局部、短期损伤诊断技术的有益补充。
2.5 无损检测(NDE)[5]
在桥梁的局部损伤诊断中, 无损检测(NDE) 技术是一类被广泛应用的有效检测手段, NDE技术融合了声、光、电、磁等多种领域的高技术成果。表 2列出了美国联邦公路总署(FHWA) 为解决全美187000座有损桥梁合理维护问题, 而开展的系列桥梁无损检测技术研究的先进成果。
表 2 桥梁无损检测技术Table 2. Tab.2 Nondestructive (NDE) inspection technology检测项目 检测技术 桥面板损伤检测 双频带红外自动温度成像系统和探地雷达成像技术 变形测量 水准仪、经纬仪、全站仪、相干激光雷达和GPS 超载检测 TRIP (transformation induced plasticity) 钢传感器 钢构件疲劳和裂缝检测 超声时程衍射、声发射、高分辨率热成像系统、无绳应变测量方法、无源疲劳荷载测量装置、涡流及交流场测量焊接裂缝、利用电磁声学传感器测量疲劳荷载 锈蚀检测 埋置式腐蚀微传感器、磁通泄漏检测系统、SoundPrint 1994声音监测系统 桥梁下部结构损伤检测 强迫振动法 索力测定 微型振动索力仪、相干激光雷达系统 混凝土强度无损检测 表面压痕法、回弹法、超声脉冲法、回弹-超声综合法、振动法、射线法 混凝土损伤检测 超声脉冲法、射线法、微波吸收和雷达扫描法、声发射法、透光法、介电法和电磁法等 由表 2可知, 无损检测技术在桥梁局部损伤检测中具有强大的功能, 但也有许多项目需进一步研究, 如声发射的基础研究、光纤应变传感器、利用微波检测疲劳裂缝、磁效伸缩传感器的基础研究等。
2.6 桥梁综合损伤检测(桥梁损伤诊断技术的综合运用)
以上介绍的桥梁损伤诊断技术概括来可分为两大类型: 其一是局部检测, 包括观测法、无损检测技术; 另一种是整体检测, 主要是指承载力试验、参数识别技术、健康监测等。
桥梁损伤检测工作是桥梁安全评估与维护管理的基础。局部损伤检测能对桥梁局部缺陷、损伤进行精细化的检查, 再分析相应损伤机理, 通过相应的维护措施可以防止局部损伤进一步发展而危及桥梁的整体使用安全。整体损伤监(检) 测能够及时监控桥梁整体工作状态, 从而对桥梁的耐久性、安全性、可靠性有一个整体的概念, 便于维护管理策略的制定和维护资金的合理支出。整体检测效率高, 并可通过参数识别法(工程中的反问题) 来进行损伤识别与定位, 减少局部检测的工作量, 从而弥补了局部人工检测的不足。可见局部与整体无损检测技术是相辅相成、互为补充的。在现有的技术水平下, 整体的长期监测较难对较小损伤准确定位, 这时应根据各种桥型的力学特点, 对设计和施工形成的易于损伤的薄弱细部按损伤机理分析并进行理论推断, 再有针对性地进行局部精细无损检测, 这样就充分发挥两者的长处, 有机结合来共同完成桥梁的损伤诊断, 为桥梁维护管理决策服务。
3. 损伤安全评定方法[6]
3.1 基于外观调查法
根据外观调查进行损伤评定的方法是由有经验的桥梁技术人员对桥梁进行详细检查, 并根据检查结果进行评定。此种方法仅能对结构进行定性评估, 一般可在桥梁管理部门决定采用何种维护方法时采用, 但不能给出定量的损伤程度, 且人为因素较多, 不同的评定人员, 评定结果可能相差较大。
3.2 基于设计规范的方法
基于设计规范的评定方法以分析计算为主, 通过对实桥进行详尽的外观调查, 以及设计、施工、维修和加固资料的收集整理, 根据设计规范的计算理论来分析桥梁的损伤状况。由于设计规范的广泛使用, 基于设计规范的方法易为设计者所接受。但计算分析中往往遇到很多困难, 如参数的取值、损伤的模拟、资料不全等, 与设计计算相比, 安全评定时能得到的信息是完全不同的(如出于政治上的压力要求保存既有结构), 尤其在调查层面、分析深度、结构理解程度和模拟方面。
3.3 基于荷载试验的方法
荷载试验法是对桥梁进行外观检查和简单评估后, 对实桥施加试验性荷载, 从而实现桥梁损伤评定的方法。该方法可靠、直观, 可弥补基于外观调查和设计规范评定方法的不足, 进一步明确结构的损伤状况。荷载试验分为静载和动载试验两种, 试验时根据结构的静、动力响应来识别结构的损伤。如果试验参数对损伤不敏感, 加之试验噪声影响, 往往会导致损伤识别的失败。荷载试验需要长时间封闭交通, 且试验费用高, 风险大, 从而制约该方法的应用。
3.4 层次分析法
目前采用层次分析法进行桥梁损伤评定时, 可采用灰色理论或模糊数学来实现评价方法的改进。有关研究表明灰色关联方法在桥梁工作状态底层评价指标评语的确定方面有一定的适用性, 并建议采用斜率关联度方法进行单项评价指标的非均匀性变化系数的计算; 同时指出采用变权综合法较常权综合法更能突出复杂桥梁结构中个别指标(杆件损伤) 明显变化的影响, 评定结果更接近专家评估的思维模式, 具有广泛的适用性。也有借助多次模糊综合评判和直接打分法相结合, 在专家咨询的基础上, 分析确定影响桥梁安全性的各因素的权重和隶属度, 从而计算出桥梁的总评分, 该方法可使繁杂的评估工作科学、简洁而又实用。
3.5 基于专家经验的方法
根据解决问题的方式可将基于专家经验的方法分为专家系统和专家意见调查两种类型。由于桥梁损伤安全评估涉及到桥梁的损伤状况、运营状态、可靠性分析、维护决策等问题, 影响因素众多, 关系复杂, 其间包含许多不定因素。对于这样复杂的问题要想采用精确的数学模型来描述是十分困难的, 但近些年发展起来的人工智能技术(专家系统) 可以解决这类问题。利用专家系统所具有的知识处理、表达和推断的能力, 实现桥梁损伤评估的模糊处理。桥梁损伤评估专家系统, 是用计算机模拟有经验专家的决策机理, 对损伤桥梁进行综合评估。日本已于1985年开发了主要用于桥梁损伤评估的“既有桥梁承载能力评估”专家系统。借助这样的系统, 可以实现在缺少专家的情况下提供决策咨询。中国这样的系统仍在开发之中, 进入工程实用阶段尚需时间。
专家意见调查是直接收集、分析、归纳专家意见, 对某一文件的可能结果作出评估的方法。这一方法可采用“专家论证”会的形式进行, 过程如下: 选择专家、情况介绍、讨论、问答、综合分析、重复调查、形成会议文件等。在意见调查过程中可以采取一些措施, 对不同专家的意见进行纠偏。实践表明专家可在缺乏相关资料的情况下, 综合有关信息, 凭借其工程经验和判断能力, 对文件作出合理的量化估计。
3.6 基于结构可靠性理论的方法
桥梁损伤评估可采用可靠度理论作为评估的理论框架, 具体实现方法有两种: 其一是直接计算桥梁的可靠指标β, 与目标可靠指标βT进行对比; 另外一种是应用基于可靠度的桥梁评估规范。对于重要、复杂桥梁可应用直接计算β法, 其主要包括失效模式、结构分析模型、荷载和抗力模型、目标可靠度βT的确定, 以及可靠指标β的计算和结构安全判别。此种方法的主要困难集中在系统失效模式和损伤结构抗力模型、目标可靠度βT的确定, 这需要在理论与工程实践相结合中加以解决。对常规的桥梁采用基于可靠度的评估规范来进行评定是一种较为合理的可行之路。美、英、加等国家已制定了类似的旧桥评估规范, 中国公路旧桥梁承载力评定规范亦在修订之中。
3.7 基于损伤力学和疲劳断裂的方法
损伤力学认为材料内部某点出现损伤是由于该点应变值超过了门槛值, 所造成的变形不能愈合, 由此带来能量耗散。混凝土材料在外载或环境因素作用下, 只要受到不大的拉压剪切作用, 脆性损伤特别可能在水泥砂浆基体与骨料间的接合部位发生, 这种细观不可逆的变化将造成材料力学性能的劣化。目前损伤力学在复合材料中应用比较成功, 但用损伤能量释放率来评定混凝土材料的失效还需更细致的试验和理论研究。
钢桥损伤安全评定应采用疲劳断裂力学方法, 这是因为桥梁失效是由一条主裂纹失稳增长而造成, 并且弹塑性断裂力学分析技术已经成熟。桥梁设计中还是采用韦勒曲线与迈尔纳线性损伤累积规则进行疲劳验算。但许多老桥按此方法评估已经破坏, 这说明它的不准确性。另外, 还有许多桥梁的受力历史已无从知晓, 使得评估的精度不高。目前按照断裂力学原理发展起来的一套评估老钢桥的方法已经成熟可用, 它是根据实桥裂纹探测结果, 并在预测未来荷载作用下, 来评定桥梁使用安全和剩余寿命, 以确定下一检测间隔。这种方法已在上海市外白渡桥中进行了成功实践。
4. 加固与维护对策
4.1 加固改造措施
4.1.1 钢结构
钢结构可采用加贴钢板进行补强, 根据杆件具体情况采用焊接或栓接。为提高结构刚度, 也可采用增设体外预应力束进行改造。对于无法加固的构件也可进行更换, 如锈蚀严重的斜拉索、主缆索股、桁梁杆件等。根据改善受力需要也可增加新杆件, 如利用增设杆件减小压杆自由长度。防腐是钢结构使用中一项十分重要的工作, 应定期进行防腐涂装, 并应采取一些先进的防腐材料与措施。
4.1.2 配筋混凝土结构
对配筋混凝土结构进行加固改造的常见方法有如下几种: 为封闭混凝土裂缝, 提高结构承载力可采用传统的粘贴钢板法, 此种方法的关键是要确保钢板与结构混凝土共同受力, 钢板的防腐也不容忽视; 为提高结构刚度与承载力也可采用体外预应力进行加固, 这类方法关键是体外束的合理布置和锚固; 碳纤维(FRP) 加固混凝土结构是一种很时髦的方法, 由于碳纤维的优越力学性能和粘贴方便的工艺优势, 可能会成为混凝土结构一种主要的加固手段, 但要推广应用还需进一步研究; 为防止力筋的进一步锈蚀, 应对混凝土裂缝进行封闭处理, 处在腐蚀性气体环境(如沿海桥梁) 的混凝土桥梁还应采取必要防腐措施, 如对混凝土表面进行涂装; 对于损伤严重的混凝土结构如主梁等也可进行更换。
4.1.3 圬工结构
圬工结构在拱桥和桥梁墩、台、基础中应用较多。这类结构最常见的损伤是结构的开裂, 加固措施中首先应对裂缝进行封闭。还可采用加补混凝土层、穿筋施加预应力进行补强, 也可尝试采用碳纤维对圬工结构进行加固。
4.2 维护管理策略
桥梁养护管理部门主要职责是确保桥梁安全、耐久的使用, 确定维护对策, 合理支出养护费用。为此桥梁管理部门在制定维护管理策略时应注意如下问题: ①对桥梁的检测时间安排要合理, 要按基于损伤机理的桥梁安全评定理论确定检测间隔; ②采用综合损伤识别技术确定结构薄弱部位, 减少检测中的盲目性, 提高检测效率; ③检测中所采用的手段、方法, 应视结构的具体情况进行优选; ④如延长损伤严重或超龄桥梁的使用, 应根据评定结果限速、限载和减少车道等; ⑤对桥梁定期维护, 清理泄水管、伸缩缝、支座等处的杂物, 对结构破损及时修补; ⑥对钢筋、钢构件、斜拉索、主缆、吊杆等应加强锈蚀检测和防锈处理。
5. 应用研究实例
5.1 铆接与焊接钢桥的疲劳损伤[7-12]
铆接时代指的是19世纪末至20世纪中叶, 这一时期建造的大量铆接钢桥至今仍在运营。限于当时的冶炼水平, 钢材质量较差, 尤其对早期铆接钢桥疲劳问题也没有在设计中加以考虑。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。目前在中国运营超过50年的铆接钢桥有1万多座, 其中有些桥梁过去也曾进行过大修, 但一般都不是针对疲劳损伤问题。国外在20世纪50~60年代, 由于高速公路网的扩建, 建造了大量的焊接钢桥。由于当时设计还没有提出对疲劳安全验算要求, 常常是出现许多疲劳强度很低的细节。调查发现许多桥梁已出现较大宏观裂纹, 但出于经济原因, 又必须使这些桥梁尽可能长地保持运营, 这就必须拟订相应的维护管理对策。中国自20世纪80年代以来也陆续建造了一些焊接钢桥, 对它们的真实工作状态有必要精确地加以调查。
近年来, 随着中国经济建设的飞速发展, 公路、铁路运输迅猛增加。公路交通量、车辆载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。最近列车提速, 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, 这将大大缩短桥梁的使用寿命, 降低桥梁的使用安全性, 增加了桥梁失效倒塌风险。为保障既有桥梁的安全使用, 就必须精确地对桥梁损伤进行评定, 以指导桥梁维护管理。
由于铆接形式的钢桥一般年龄较大, 因此可以认为某些薄弱细节中已存在疲劳裂纹, 这样就可以应用断裂力学方法预测裂纹扩展, 进而评定其使用安全性, 并给出下一检测间隔。文献[7]提出了一个混合方法, 它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, 与试验结果相比, 预测较为准确。对于焊接桥梁, 失效断裂一般发生在焊接接头。由于焊接缺陷和残余应力, 使得裂纹萌生时间相当短, 因此裂纹扩展在疲劳寿命中占主导地位。文献[11]曾假定初始缺陷为一个夹渣颗粒大小, 应用断裂力学方法预测裂纹扩展形状和寿命。并在慕尼黑工业大学进行了磁悬浮铁路水平连接板疲劳试验, 试验结果与理论预测相符。
5.2 上海市外白渡桥疲劳损伤安全评定与维护管理策略[13-14]
外白渡桥位于上海市外滩, 建成于1907年, 上部结构为二跨52.178 m的下承式简支不等高钢桁架桥。该桥自建成以来, 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。为了继续保持景观、交通、文物三种功能要求, 上海市市政工程管理处于2000年1月委托同济大学桥梁工程系对该桥的剩余寿命及使用安全性进行全面评估, 以正确对该桥进行损伤安全评定和确定维护管理对策。
该项目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, 并进行了承载性能试验, 从而形成了一套迄今为止最为完整的结构状态和行为的数据与资料, 为理论分析提供了十分可靠的依据。在此基础上建立了该桥的用于精密分析的三维空间力学模型(图 1), 详细计算了桥梁在各种荷载工况下的应力和振动特性。外白渡桥的锈蚀和疲劳是造成结构损伤的主要因素。针对锈蚀问题, 1991年对较严重的下弦节点进行了补强, 实测结果表明牢固可靠。针对疲劳, 从结构整体性能和外观检测判断, 结构不存在较大的损伤。因此首先用经典传统的疲劳分析方法确定各杆的检测优先级; 再用工程断裂力学观点指导全桥重要杆件超声波探伤, 并计算该桥的剩余寿命, 由此确定各杆下一检测间隔。表 3给出了14个主要临界构件在超声波探测和观测情况下的计算剩余寿命与探测间隔, 评定结果和维护管理对策如下。
表 3 剩余寿命及探测间隔Table 3. Tab.3 Remaining fatigue life and inspection interval杆号 超声波探测 观测 剩余寿命/a 探测间隔/a 剩余寿命/a 探测间隔/a A1E1 7.95 3.98 1.79 1.19 A1E2 36.34 18.17 11.11 7.41 A2E2 32.41 16.21 11.18 7.45 A2E3 37.36 18.68 11.51 7.67 A3E3 16.11 8.06 5.79 3.86 A3E4 27.93 13.97 7.73 5.15 A4E3 23.53 11.77 7.04 4.69 A4E4 22.45 11.23 5.76 3.84 A4E5 18.05 9.02 4.20 2.80 A5E4 50.72 25.36 8.82 5.88 A5E5 19.15 9.57 6.03 4.02 A5E6 20.87 10.44 5.62 3.75 A6E5 21.53 10.77 5.71 3.81 E5E6 534.14 267.07 219.45 146.30 (1) 经观测和用超声波探测, 并分别应用断裂力学方法对各杆的安全与剩余寿命进行评定, 发现部分杆件存在脆断危险, 但它们的剩余寿命很长, 故建议对杆内各铆钉孔, 尤其在节点板处加强观测和必要的超声波探测, 第一吊杆虽然为塑性破坏, 但剩余寿命较短。
(2) 通过对外白渡桥各杆的剩余寿命分析后建议对主桁第一吊杆等4个腹杆进行截面补强, 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。
(3) 对加强后的外白渡桥, 每4 a采用观测方法检查一遍, 每10 a采用超声波探测一遍, 以确定裂纹是否有扩展, 如无扩展时, 剩余寿命分析结果仍可适用, 如扩展量不大时, 可利用研究报告中的有关图表, 重新安排以后的维修对策。
6. 结语
(1) 开展基于损伤机理的桥梁损伤安全评定与维护管理系统研究, 包括机理分析、检(监) 测手段、安全评定、损伤预测和维护管理对策。
(2) 对传统的桥梁损伤检测、监测手段的效能进行剖析, 提出更加有效的检测方法, 开发检测效率更高的测试设备, 以提高桥梁损伤识别能力, 并按损伤机理进行桥梁损伤检测的研究。
(3) 对由于设计错误、构造处理不当、施工质量低下所造成的“初始损伤”进行深入研究。
(4) 目前桥梁损伤评定理论不尽完善, 尚需进一步深化研究。要加深对结构、构件的损伤演变、失效模式和破坏形态的研究, 进行必要的大构件试验, 以模拟整体与局部的损伤累积行为。
(5) 建立联合整体与局部、长期监测与短期检测的桥梁损伤诊断、定位方法, 提高结构灾变行为的识别效率, 并建立符合损伤机理的数据处理技术。
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图 10 试验得到的空心板跨中挠度曲线
Figure 10. Curves of mid-span deflections of voided slabs obtained by experiment
图 15 试验与有限元得到的空心板跨中挠度
Figure 15. Mid-span deflections of voided slabs obtained by experiment and FEA
图 16 试验与有限元得到的空心板跨中截面底部应变
Figure 16. Strains of voided slabs at mid-span bottoms obtained by experiment and FEA
图 17 不同铰缝形式的空心板跨中挠度
Figure 17. Mid-span deflections of voided slabs with different hinged joint structures
图 18 不同铰缝形式的空心板跨中截面底部应变
Figure 18. Strains of voided slabs at mid-span bottoms with different hinged joint structures
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