做好“外科手术”前的检查——浅谈钢结构桥梁检测与评估技术

随着时代的发展，中国桥梁建设正在逐步从新建为主的阶段向建养并重的阶段过渡。桥梁维修改造常面临老桥技术状态不明的难题，需要科学地进行检测、评估，为桥梁维修改造提供依据。笔者以上海松浦大桥维修改造工程、上海浙江路桥大修工程为背景，介绍既有钢结构桥梁检测及评估关键技术。浙江路桥始建于1908年，在2015年开展大修，对锈蚀损坏严重的构件加以更换。松浦大桥则始建于1976年，于2017年对其予以改造，将主桥上层公路桥面由双向两车道拓宽为双向6车道，下层由单线铁路则改为人非通道。两座钢桁桥维修改造后（图1、图2）均可继续使用50年。

图1 上海浙江路桥

图2 上海松浦大桥

两座钢桁梁的维修改造均采用EPC模式，项目的设计单位还同时负责检测评估及施工，因此可以将三方面的工作很好地融合。在两座桥梁维修改造中，逐步形成了检测与评估技术体系（图3）。下面将对该体系中各项关键技术进行介绍。

图3 检测与评估技术体系

钢结构桥梁病害具体包括船撞及失稳变形，锈蚀病害，疲劳裂纹及铆钉、螺栓、焊接等连接病害等。病害的检测应当量化病害程度，为后续维修及评估提供依据；同时，应分析病害产生原因，以保证后续维修能够治本。松浦大桥典型病害如图4所示。

（a）船撞变形

（b）锈蚀病害

（c）铆钉连接病害

图4 典型病害

钢桁梁所用钢材的力学性能决定了结构的技术性能和安全程度，必要时应进行相关检测试验。

1.化学成分检测

用以确定材料的基本材质，推测其力学性能，根据元素含量还可判断钢材的可焊性、耐蚀性等指标。可采用X射线荧光光谱分析对钢板中化学元素进行检测，其优点是操作方便、准确度高、分析速度快。技术人员对浙江路大桥实施材性检测，发现百年前生产的钢材不适于焊接，因此涉及老构件的连接均采用铆接的方式。而通过对钢板的化学成分检测，对照《桥梁用结构钢》(GB/T 714—2015)可知松浦大桥钢板材质等同于Q345qC。

2. 钢板拉伸试验

通过拉伸试验可得到材料的屈服点、抗拉强度、伸长率等。虽然松浦大桥钢材的屈服强度标准值达方式到Q370水平，但抗拉强度略低于Q370，因此将所用钢板等级偏安全地归为Q345。

3．铆钉剪切试验

松浦大桥铆钉剪切试验在加载前、加载中及加载后的状态如图5所示。图6则为典型荷载——位移变化结果。当进入弹性阶段后铆钉的剪切模量不断降低，当其达到最大值时迅速转入破坏状态。通过对图中数据进行分析处理，可知该铆钉的抗剪强度标准值为281.3MPa。

图5 铆钉剪切试验

图6 试件荷载-剪切位移曲线

4．断裂力学试验

计算铆接钢桥剩余寿命可以选用经典疲劳分析方法，即依照传统韦勒曲线，但前提是其受载历史必须准确已知，这对于松浦大桥主桥而言较为困难。依据断裂力学方法，可从已观察到的裂纹（很少发生）或假设的裂纹出发，模拟裂纹的扩展来计算桥梁的剩余寿命，其过程一般可分为以下三步：(1)根据铆接桁架桥疲劳受力特性，在工程断裂力学指导下进行关键部位的裂纹检测；(2)对构件建立断裂力学分析模型；(3)计算裂纹从探测长度或初始假定长度扩展至临界裂纹的时间，确定检测间隔。裂纹通常是从钉孔边萌生并沿垂直于构件方向扩展直至断裂，故可假定钉孔与裂纹近似为一个大裂纹。断裂力学模型简化过程如图7所示。

图7 断裂力学模型简化过程

由断裂力学试验测得松浦大桥裂纹扩展公式、材料的裂纹扩展门槛值以及断裂韧性，发现其断裂特性低于当前同类钢材。

经检测发现，松浦大桥有多处船撞变形，主要受力构件的船撞变形均采用冷矫正的方式进行维修。根据工程经验，多次船撞及冷矫正加工后由于冷作硬化会导致钢板力学性能发生变化，因此有必要进行拉伸试验、Charpy冲击韧性试验等研究。试件选择现场拆卸下来的废弃钢板经过10°、25°和40°三种弯曲变形,并利用冷矫正工艺将其恢复。

1．拉伸试验

钢材力学参数随变形程度变化规律如图8所示，可见随着变形折角的增加，钢板的强度经历了先升高后降低的过程，钢板的断裂延伸率则不断增加。

图8 变形钢板力学参数变化

2．Charpy冲击韧性试验

Charpy试验结果汇总于图9。可见随着试验温度降低，试件的冲击功逐渐减少，最终达到5J左右（下平台），而整个试验中钢材冲击功的最大值未超过100J（上平台）；而随钢板变形程度的增加，钢板的上平台冲击功不断降低、韧脆转变温度则持续升高，说明随着变形程度的增加，经过机械矫正后的钢板的冲击韧性在不断降低。

图9 冲击韧性拟合曲线

为获得锈蚀作用对承载力及疲劳性能的影响，采用取自浙江路大桥的锈蚀钢板进行试验分析。

1．承载力试验

共加工了36块不同锈蚀程度的试件，部分锈蚀试件的力学性能变化规律如图10所示。可见，当试件仅轻微锈蚀时，其荷载位移曲线与无锈蚀钢构件的本构关系曲线形状相似；当构件的锈蚀程度增加时，它的名义强度和伸长量均有所下降，屈服平台逐步缩短；而当锈蚀特别严重时，试件屈服平台将彻底消失。

图10 典型试件的荷载-伸长量曲线

对钢构件锈蚀后屈服强度变化趋势进行拟合，结果如图11所示。对图中公式进行无量纲化处理，再进一步进行等效板厚的变换后，可以得到：t _c /t ₀ =(1-0.0082ρ _t )或t _c /t ₀ =(1-0.0157ρ _m )，式中，t _c 和t ₀ 分别为锈蚀后等效板厚和锈蚀前原始板厚，失重率ρ _m 、失厚率ρ _t 均为百分数。

图11 锈蚀钢板名义屈服强度变化规律

2．疲劳试验

试验中共加工了13块不同锈蚀程度的试件，试验结果体现在图12中。经推导后，可得Δσ' _c =k _cf Δσ _c =10 ^{0.133-0.015pt} +Δσ _c ，式中Δσ _c 为构件疲劳细节抗力，Δσ' _c 为考虑锈蚀折减后的构件折算疲劳细节抗力，k _cf 为锈蚀构件的疲劳折减系数。

图12 疲劳试验结果及拟合

3．锈蚀速度预测

在自然环境中，通常认为钢材的锈蚀速度呈幂指数规律变化。依据松浦大桥纵梁钢板化学成分检测结果及近10年上海气象资料所得到相关环境参数，可推算出完好钢构件在一年时间内的锈蚀深度为0.034mm。如不考虑涂装防护，钢构件使用50年的锈损深度为0.50mm。

由于早期修建的桥梁，荷载水平相对较低，因而在进行改造设计验算时，宜根据现行标准或桥梁实际荷载调查确定相关作用。

交通荷载模拟就是在交通量调查基础上对车辆类型、重量以及间距等加以模拟。可采用蒙特卡洛（Monte-Carlo）方法，确定交通荷载模拟参数。将交通荷载加载在典型构件的影响线上，即可得到活载应力历程。对于桁架构件而言，车辆通过时形成的应力历程可以用穿越次数的方式加以计数。如果分别计算对应于不同荷载效应的穿越次数，最终就可以形成如图13所示的穿越次数统计。此外，采用基于Rice公式的外推法可算出对应于50年重现期的车辆荷载效应极限值，而选用雨流法则可计算得到疲劳荷载效应。

图13 穿越次数统计

钢桁桥结构较为复杂，为保证工程的安全，在桥梁改造时需确定老桥的技术状态。老桥可能采用各种不同的施工方法达到不同的成桥状态，结构的损伤也将引起结构模型特征参数的相应变化。通过对支座反力和主桁架动力特性进行识别，并与理论计算结果进行对比，可验证并评估结构总体的技术状况。

对于松浦大桥，结合桥梁顶升及支座更换对实桥支点反力进行测试，实测支座反力与按一次落架计算基本一致（表1），表明桥梁改造时的初始状态可按一次落架计算得到。桥梁结构的动力特性取决于结构本身的材料特性及结构刚度、质量及其分布规律。通过动力特性识别及分析可见老桥实测与理论动力特性基本一致（表2），老桥虽有局部锈蚀及船撞变形等病害，但对钢桁桥整体的影响非常有限。

本文简要介绍了钢结构桥梁检测和评估中构件层面、结构层面、外部荷载等方面的关键技术，用以保证桥梁维修改造后设计使用寿命期的安全，技术概略总结如图14所示。

图14  技术概略总结