孫連峰

摘要：二十世紀初至二十世紀七十年代，我國修建了大量的鉚接鋼桁架橋，并且至今仍在運營。在各種自然因素和日益繁重的交通荷載作用下，這些老齡鉚接鋼橋均出現(xiàn)了不同程度的損傷，其承載能力已越來越受到橋梁管理部門的關注。為確保老齡鋼橋的使用安全，避免不必要的維護與更換，發(fā)展一套老齡鋼橋承載能力評估系統(tǒng)十分必要。以廣州海珠橋為例，詳細的闡述了老齡鉚接鋼橋承載能力評估的主要內(nèi)容與方法，為以后此類橋梁承載能力的評估提供參考，具有較大的社會與經(jīng)濟價值。

關鍵詞：無損檢測；剩余壽命評估；有限元分析；承載能力；安全性評估

中圖分類號：TB文獻標識碼：A文章編號：16723198（2014）08018304

1引言

廣州海珠橋始建于1929年，為廣州八景之一，位于市中心，橫跨珠江，是市區(qū)南北交通要道。該橋始建于1929年，1933年通車，原橋為三孔下承式簡支桁架梁體系，經(jīng)過以上歷次改造，海珠橋現(xiàn)為三跨連續(xù)索桁混合結構，跨徑布置為67.79+49.10+67.79=184.68m，總體布置見圖1。目前，隨著廣州市交通的發(fā)展，海珠大橋的交通量急劇增加，高峰時每小時機動車已達到3800余輛。同時，大橋卻因腐蝕、各種荷載的靜力和動力作用，出現(xiàn)了大量的病害和損傷，直接威脅到橋梁的正常運營和安全性。

圖1主橋總體布置圖本文結合海珠橋全面檢測評估項目，針對老齡鉚接鋼橋的病害，從多個方面（外觀普查、無損檢測、承載能力檢算及失效分析、疲勞壽命評估）對此類橋梁的承載能力檢測評估技術做了系統(tǒng)介紹，提供了一套完整的老齡鋼橋承載能力評估系統(tǒng)，為以后同類老齡鋼橋的評估提供參考，具有廣闊的推廣前景。

2基于外觀普查及無損檢測的評估方法及結果

2.1外觀普查

外觀普查內(nèi)容主要包括上部結構、下部結構、橋面系普查。

（1）上部結構普查主要內(nèi)容為鋼結構病害檢測和混凝土病害檢測。橋梁鋼結構病害檢測的構件為：主桁桿件、縱橫梁、橫向聯(lián)結系、托架、鉚釘?shù)龋粰z測時采用目測方法檢查桿件銹蝕、永久變形、宏觀裂紋、鉚接斷裂與缺失，采用錘子敲擊檢測鉚釘?shù)乃蓜忧闆r。橋梁混凝土病害檢測的構件為：混凝土橋面板。檢查混凝土橋面板混凝土有無裂縫、風化、蜂窩、麻面、鋼筋外露銹蝕、孔洞、磨損、表面腐蝕、碳化、剝落等病害情況，并檢查橋面板是否存在非正常的變位；檢查一般由目測完成，輔助以小型工具，如激光測距儀、卷尺、油漆、鋼板尺、游標卡尺、記號筆、數(shù)碼相機等進行，裂縫寬度用裂縫測寬儀完成，梁體變位情況可借助自動安平水準儀和標尺等簡單工具進行測量。

（2）下部結構普查內(nèi)容為支座檢查、橋墩和橋臺混凝土缺陷檢查等。

（3）橋面系普查內(nèi)容為橋面鋪裝檢查、伸縮裝置檢查、人行道檢查、欄桿、排水系統(tǒng)、照明及橋上各類標識的檢查等。

2.2無損檢測

無損檢測內(nèi)容包括混凝土強度及碳化層深度檢測、裂縫深度和寬度檢測、混凝土保護層厚度檢測、鋼筋銹蝕情況檢測、氯離子含量檢測、漆膜厚度檢測、橋墩基礎水下探摸檢測、鋼結構超聲探傷檢測、恒載吊桿力及背索索力測量、恒載線形測量、材質分析試驗。

（1）混凝土強度及碳化層深度檢測：采用超聲回彈綜合法對混凝土強度進行檢測；碳化深度用游標卡尺和1%酚酞酒精溶液進行測量。

（2）混凝土保護層厚度檢測：采用Hilti PS200鋼筋探測儀進行測量，鋼筋探測儀PS200采用電磁感應探測原理，可探測深度達到180mm，能高準確性給測出保護層的厚度，可以估算鋼筋的直徑。

（3）鋼筋銹蝕情況檢測：采用SW-3C型鋼筋銹蝕檢測儀，其檢測原理是測定鋼筋銹蝕電流和測定混凝土的電阻率來測定鋼筋的電位（極化電極原理）。

（4）氯離子含量檢測：通過現(xiàn)場對混凝土不同深度取樣，對樣品進行化學分析的方法加以測定，根據(jù)測定結果分析氯離子在混凝土中隨深度的分布，評判其對鋼筋銹蝕的影響程度。

（5）漆膜厚度檢測采用涂膜厚度檢測儀檢測鋼構件漆膜的厚度。

（6）橋墩基礎水下探摸檢測：由專業(yè)潛水員使用水下錄像設備和小塊磁鐵、鏟刀、鋼尺、引水定位垂繩、探照燈等簡單設備進行檢查和記錄，另外采用超聲波測深儀對橋梁上下游邊緣線投影對應位置的河床進行了連續(xù)的河床斷面測量。

（7）鋼結構超聲探傷檢測：橋梁在長期動載荷工況運行下，并在自然環(huán)境及各種應力（疲勞應力、腐蝕應力）作用下會產(chǎn)生裂紋，根據(jù)結構形式選用橫波探傷法，檢查鋼桁架部分主桁受拉桿件和拼接節(jié)點板處鉚釘孔端面與鉚釘結合面缺陷。（8）恒載吊桿力及背索索力測量：全橋吊桿及背索索力測試采用頻譜分析法進行，頻譜分析法是利用緊固在纜索上的高靈敏度傳感器，拾取纜索在環(huán)境振動激勵下的振動信號，經(jīng)過濾波、放大、譜分析，得出纜索的自振頻率，根據(jù)自振頻率與索力的關系，來確定索力。

（9）恒載線形測量：采用NA2自動安平精密水準儀進行精密閉合水準測量，并將測量結果與前期測量資料進行對比，以確定橋梁線形是否發(fā)生改變。

（10）材質分析試驗：海珠橋建造時間較早，鑒于當時的冶煉水平，為了確定海珠橋鋼材化學成分及其力學性能，在海珠橋實橋上取四塊桿件綴板，進行化學成分分析、力學性能測試和腐蝕分析，需注意的是鋼材取樣時應取連接構件。

2.3評估結果

通過外觀普查和無損檢測，海珠橋存在的主要病害如下。

（1）鋼結構銹蝕非常嚴重，其中端部節(jié)點板、下弦桿下翼緣、橫梁上翼緣、縱梁上翼緣、綴板以及鉚釘嚴重銹蝕，局部銹蝕深度有2mm～3mm，且個別部位（橫梁上翼緣等）銹蝕分層剝落，喪失承載能力。鉚釘銹蝕嚴重，部分鉚釘爛頭，主要分布在邊跨與中跨下弦節(jié)點部位，另外多處部位的鉚釘缺失。圖2為海珠橋主橋鋼結構銹蝕病害的典型圖片。

a）北邊跨L6L7上游下弦b）鉚釘嚴重銹蝕

桿角鋼嚴重銹蝕

圖2海珠橋主橋鋼結構銹蝕病害的典型圖片（2）個別次要連接桿件變形，但南北邊跨靠近支點的上平聯(lián)振動過大。

（3）鋼支座銹蝕非常嚴重，個別部位分層剝落，活動支座輥軸嚴重傾斜，輥軸銹死，鉚釘銹斷，已失去活動的能力，且支座旁堆放大量垃圾。

（4）主橋混凝土橋面板病害主要包括橋面板滲水、混凝開裂、壓碎、脫落以及鋼筋銹蝕等現(xiàn)象?；炷撂蓟疃绕骄蓟疃葹?1.5mm，碳化深度較大，混凝土有所劣化，但仍未超過鋼筋保護層厚度?；炷量箟簭姸韧贫ㄖ翟?80MPa～27.1 MPa之間，強度差別較大，說明個別混凝土板劣化嚴重。

（5）主纜鋼絲繩情況較好，表面黃油已干硬結塊，失去防護作用，吊桿上錨頭下部積水，表面銹蝕，另外發(fā)現(xiàn)主纜外裹膠帶已經(jīng)有老化現(xiàn)象，部分區(qū)域已失去密封防水功效，雨水可以進入內(nèi)部造成錨頭下部積水。吊桿下錨板均銹蝕，錨固螺栓油漆起皮剝落，輕微銹蝕，上游側跨中有一根吊桿錨固螺栓缺失，吊桿失效。

（6）橋面鋪裝局部有坑槽和壅包，多處橫向通長開裂破碎，主要位于南北邊跨橫梁上方，車輛通過時，沖擊效應明顯；兩側非機動車道露筋嚴重，人行道欄桿銹蝕，個別構件松動，個別泄水管堵塞；兩端伸縮縫堵塞，伸縮縫旁鋪裝碎邊，橋頭輕度跳車；中跨和邊跨連接處未設置伸縮縫，采用瀝青填塞，瀝青破碎開裂，最大寬度達到3cm，而且橋面線形在此處是個折角，跳車現(xiàn)象嚴重。

（7）主橋墩身及橋臺狀況較好，但局部有蜂窩麻面、坑槽、露筋銹蝕；由于江水沖刷，橋臺和橋墩下層砌縫明顯。氯離子含量測試值為0.014%，均遠小于規(guī)范要求值，不會影響墩身混凝土鋼筋的耐久性。河床斷面測量測量結果表明20#墩附近沖刷較其它部位大。水下基礎探摸發(fā)現(xiàn)主墩20#、21#墩身均存在破損、淘空，最大掏空深度為65cm。

（8）用橫波探傷法檢查鋼桁架部分主桁受拉桿件和拼接節(jié)點板處鉚釘孔端面與鉚釘結合面缺陷，檢測發(fā)現(xiàn)部分鋼桁架鉚釘孔端面與鉚釘結合面處有疲勞裂紋的超聲波波形顯示。

（9）對比恒載吊桿力及背索索力，可以看出隨著主纜鋼絲繩的松弛及桁架內(nèi)力變化等，橋梁結構發(fā)生了多次內(nèi)力重分布，恒載狀態(tài)下結構受力更為復雜，整體受力狀態(tài)與原設計狀態(tài)有所偏差。

（10）從化學成分來看，橋梁所用鋼材所含的對耐蝕有利的合金元素，如Cr、Ni、Cu等，相比現(xiàn)在的橋梁用鋼均低了一個數(shù)量級，耐蝕性較差；從該鋼的力學性能看，下屈服強度為275MPa，與A3鋼接近。其強度高，沖擊韌性不高是因為受當時的冶煉水平所限制，屬沸騰鋼，脫氧不完全，因此，夾雜物以橢球狀和短條狀硫氧化物為主。從銹層的形貌及物相可以看出，其銹蝕產(chǎn)物為海洋大氣和工業(yè)大氣腐蝕的結果，主要物相為：α—FeOOH針鐵礦、γ—FeOOH纖鐵礦，還有少量非晶態(tài)相Fe2O3；分析銹層的形貌及能譜成分表明：銹層的厚度120um左右，呈多層結構，以鐵的氧硫化物為主，還有一些其他的成分，比較復雜。

根據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護技術規(guī)范》中關于對營運階段橋梁技術狀況評估方法的規(guī)定，并結合橋梁結構檢測結果，海珠橋技術狀況評定等級為不合格級，即橋梁結構構件存在損傷，持續(xù)下去將影響橋梁結構安全，應立即進行修復。

3承載能力檢算及失效分析評估結果

3.1有限元模型

采用Midas有限元軟件進行結構建模，主桁、縱橫梁以及其它橫向聯(lián)結系采用梁單元，懸索、背索、吊桿采用桁架單元進行模擬，主桁節(jié)點板、橋面鋪裝、欄桿、橋梁附屬設施等對橋梁結構產(chǎn)生的作用等效為節(jié)點質量單元，施加在相應的節(jié)點上，并通過檢測數(shù)據(jù)對結構進行修正，海珠橋主橋有限元模型如圖3。

圖3海珠橋空間有限元模型3.2桿件內(nèi)力及應力計算分析

根據(jù)目前的交通需求，取基本可變荷載為3車道汽-15，人群荷載為3.5kN/m2計算。恒載作用下桿件應力結果見圖4，恒載+活載（汽車+人群）作用下桿件應力結果見圖5。由圖可見，由于中跨采用了主纜進行加固，邊跨桿件的應力狀態(tài)明顯大于中跨，最大受拉桿件為U9L8，恒載作用下應力為92.54MPa，恒載+活載組合作用下應力為11338MPa。

圖4海珠橋邊跨主要桿件軸向應力計算結果圖5海珠橋中跨主要桿件軸向應力計算結果3.3邊跨U1L1豎桿失效及纜索系統(tǒng)失效分析

考慮到邊跨U1L1豎桿的最易斷裂，為了保證結構的安全，計算模擬邊跨U1L1豎桿失效的情況，重新計算結構在恒載與活載作用下的應力分布情況，計算結果見圖6，從圖可見，桿件應力發(fā)生重分布，U9L8斜桿應力達113.06MPa。

另外，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，纜索系統(tǒng)內(nèi)力松弛現(xiàn)象嚴重，個別吊桿錨固螺母已缺失，因此計算模擬纜索系統(tǒng)失效的影響，重新計算結構在恒載與活載作用下的應力分布情況，計算結果見圖5、圖6。由圖可見，纜索系統(tǒng)失效后，U9L8桿件應力達129.16MPa，對比圖4、圖5可知，邊跨、中跨桿件內(nèi)力、應力變化均不大。

圖6海珠橋失效分析邊跨主要桿件軸向應力計算結果圖7海珠橋纜索系統(tǒng)失效分析中跨主要

桿件軸向應力計算結果3.4評估結果

通過對海珠橋主桁桿件的受力分析可得：邊跨U9L8桿件為最不利受力桿件，在恒載+活載作用下應力達到113.38MPa，對于老齡鋼橋來說，已處于一個相當高的水平；邊跨U1L1失效后，邊跨桿件內(nèi)力重分布，但改變不大；通過對纜索系統(tǒng)的失效分析可知，現(xiàn)纜索系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的松弛，對主桁結構作用大為減弱。

4疲勞壽命評估結果

4.1疲勞壽命評估方法

海珠橋疲勞評估內(nèi)容與方法如下：

（1）調(diào)查海珠橋不同時期的交通流量，確定汽年車型、車重、車間距的概率模型，采用Monete-Carlo方法模擬過橋的交通流量；

（2）對最不利受拉桿件進行連續(xù)應力監(jiān)測，得到桿件的應力歷程，采用雨流計法進行統(tǒng)計，得到各測點的應力譜；

（3）采用Monete-Carlo方法模擬的車流對各應力測點的應力影響線進行加載，應用雨流計法統(tǒng)計得到各應力測點的模擬應力譜，并通過實測應力譜進行對比修正。

（4）查閱國內(nèi)外規(guī)范，確定鉚接鋼橋的疲勞強度，采用Miner線性疲勞累積損傷理論對主要受拉桿件的疲勞壽命進行評估。

疲勞壽命的計算流程見圖8。

圖8疲勞壽命的計算流程4.2應力譜模擬

實際過橋的車輛種類繁多，如果直接進行模擬，將會非常復雜，而且十分不方便，所以進行荷載模擬的車輛采用交通調(diào)查基礎上建立的模型車輛。采用Monete-Carlo方法模擬車流具體實現(xiàn)步驟如圖9所示。

圖9Monete-Carlo方法模擬車流將Monte-Carlo法形成的模擬車流按每個荷載步向前移動1m，作用到橋梁桿件的應力影響線上。對每個荷載步，應力由荷載乘以相應影響線坐標得到。這樣對一系列時間點，就可以得到關心桿件應力歷程，對所得應力歷程按雨流法計數(shù)來獲得應力譜。圖10、圖11為部分關心桿件的應力譜圖。

圖10U1L1桿件應力譜圖11中跨跨中橫梁應力譜4.3疲勞壽命分析

本橋偏安全考慮，采用AASHTO規(guī)范的細節(jié)D（71Mpa）作為鉚接鋼構件的疲勞強度S-N曲線，其中m=3，疲勞極限強度為17.9 Mpa。根據(jù)Miner線性累積損理論采用以下公式計算各階段年疲勞損傷度、總疲勞損傷度以及疲勞壽命。

di=nΔσ1NΔσ

D=diyi

Y=y1+y2+y3+1-D1y4

式中：di—各階階年疲勞損度，d為現(xiàn)階段年疲勞損度；nΔσ—在階段i，一年內(nèi)幅值為Δσ的有效應力循環(huán)次數(shù)；NΔσ—幅值為Δσ時構件達到疲勞破壞所需經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)；D—總疲勞損傷度；Y—疲勞壽命；yi—各階段持續(xù)的時間。

桿角鋼嚴重銹蝕

圖2海珠橋主橋鋼結構銹蝕病害的典型圖片（2）個別次要連接桿件變形，但南北邊跨靠近支點的上平聯(lián)振動過大。

（3）鋼支座銹蝕非常嚴重，個別部位分層剝落，活動支座輥軸嚴重傾斜，輥軸銹死，鉚釘銹斷，已失去活動的能力，且支座旁堆放大量垃圾。

（4）主橋混凝土橋面板病害主要包括橋面板滲水、混凝開裂、壓碎、脫落以及鋼筋銹蝕等現(xiàn)象?；炷撂蓟疃绕骄蓟疃葹?1.5mm，碳化深度較大，混凝土有所劣化，但仍未超過鋼筋保護層厚度。混凝土抗壓強度推定值在180MPa～27.1 MPa之間，強度差別較大，說明個別混凝土板劣化嚴重。

（5）主纜鋼絲繩情況較好，表面黃油已干硬結塊，失去防護作用，吊桿上錨頭下部積水，表面銹蝕，另外發(fā)現(xiàn)主纜外裹膠帶已經(jīng)有老化現(xiàn)象，部分區(qū)域已失去密封防水功效，雨水可以進入內(nèi)部造成錨頭下部積水。吊桿下錨板均銹蝕，錨固螺栓油漆起皮剝落，輕微銹蝕，上游側跨中有一根吊桿錨固螺栓缺失，吊桿失效。

（6）橋面鋪裝局部有坑槽和壅包，多處橫向通長開裂破碎，主要位于南北邊跨橫梁上方，車輛通過時，沖擊效應明顯；兩側非機動車道露筋嚴重，人行道欄桿銹蝕，個別構件松動，個別泄水管堵塞；兩端伸縮縫堵塞，伸縮縫旁鋪裝碎邊，橋頭輕度跳車；中跨和邊跨連接處未設置伸縮縫，采用瀝青填塞，瀝青破碎開裂，最大寬度達到3cm，而且橋面線形在此處是個折角，跳車現(xiàn)象嚴重。

（7）主橋墩身及橋臺狀況較好，但局部有蜂窩麻面、坑槽、露筋銹蝕；由于江水沖刷，橋臺和橋墩下層砌縫明顯。氯離子含量測試值為0.014%，均遠小于規(guī)范要求值，不會影響墩身混凝土鋼筋的耐久性。河床斷面測量測量結果表明20#墩附近沖刷較其它部位大。水下基礎探摸發(fā)現(xiàn)主墩20#、21#墩身均存在破損、淘空，最大掏空深度為65cm。

（8）用橫波探傷法檢查鋼桁架部分主桁受拉桿件和拼接節(jié)點板處鉚釘孔端面與鉚釘結合面缺陷，檢測發(fā)現(xiàn)部分鋼桁架鉚釘孔端面與鉚釘結合面處有疲勞裂紋的超聲波波形顯示。

（9）對比恒載吊桿力及背索索力，可以看出隨著主纜鋼絲繩的松弛及桁架內(nèi)力變化等，橋梁結構發(fā)生了多次內(nèi)力重分布，恒載狀態(tài)下結構受力更為復雜，整體受力狀態(tài)與原設計狀態(tài)有所偏差。

（10）從化學成分來看，橋梁所用鋼材所含的對耐蝕有利的合金元素，如Cr、Ni、Cu等，相比現(xiàn)在的橋梁用鋼均低了一個數(shù)量級，耐蝕性較差；從該鋼的力學性能看，下屈服強度為275MPa，與A3鋼接近。其強度高，沖擊韌性不高是因為受當時的冶煉水平所限制，屬沸騰鋼，脫氧不完全，因此，夾雜物以橢球狀和短條狀硫氧化物為主。從銹層的形貌及物相可以看出，其銹蝕產(chǎn)物為海洋大氣和工業(yè)大氣腐蝕的結果，主要物相為：α—FeOOH針鐵礦、γ—FeOOH纖鐵礦，還有少量非晶態(tài)相Fe2O3；分析銹層的形貌及能譜成分表明：銹層的厚度120um左右，呈多層結構，以鐵的氧硫化物為主，還有一些其他的成分，比較復雜。

根據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護技術規(guī)范》中關于對營運階段橋梁技術狀況評估方法的規(guī)定，并結合橋梁結構檢測結果，海珠橋技術狀況評定等級為不合格級，即橋梁結構構件存在損傷，持續(xù)下去將影響橋梁結構安全，應立即進行修復。

3承載能力檢算及失效分析評估結果

3.1有限元模型

采用Midas有限元軟件進行結構建模，主桁、縱橫梁以及其它橫向聯(lián)結系采用梁單元，懸索、背索、吊桿采用桁架單元進行模擬，主桁節(jié)點板、橋面鋪裝、欄桿、橋梁附屬設施等對橋梁結構產(chǎn)生的作用等效為節(jié)點質量單元，施加在相應的節(jié)點上，并通過檢測數(shù)據(jù)對結構進行修正，海珠橋主橋有限元模型如圖3。

圖3海珠橋空間有限元模型3.2桿件內(nèi)力及應力計算分析

根據(jù)目前的交通需求，取基本可變荷載為3車道汽-15，人群荷載為3.5kN/m2計算。恒載作用下桿件應力結果見圖4，恒載+活載（汽車+人群）作用下桿件應力結果見圖5。由圖可見，由于中跨采用了主纜進行加固，邊跨桿件的應力狀態(tài)明顯大于中跨，最大受拉桿件為U9L8，恒載作用下應力為92.54MPa，恒載+活載組合作用下應力為11338MPa。

圖4海珠橋邊跨主要桿件軸向應力計算結果圖5海珠橋中跨主要桿件軸向應力計算結果3.3邊跨U1L1豎桿失效及纜索系統(tǒng)失效分析

考慮到邊跨U1L1豎桿的最易斷裂，為了保證結構的安全，計算模擬邊跨U1L1豎桿失效的情況，重新計算結構在恒載與活載作用下的應力分布情況，計算結果見圖6，從圖可見，桿件應力發(fā)生重分布，U9L8斜桿應力達113.06MPa。

另外，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，纜索系統(tǒng)內(nèi)力松弛現(xiàn)象嚴重，個別吊桿錨固螺母已缺失，因此計算模擬纜索系統(tǒng)失效的影響，重新計算結構在恒載與活載作用下的應力分布情況，計算結果見圖5、圖6。由圖可見，纜索系統(tǒng)失效后，U9L8桿件應力達129.16MPa，對比圖4、圖5可知，邊跨、中跨桿件內(nèi)力、應力變化均不大。

圖6海珠橋失效分析邊跨主要桿件軸向應力計算結果圖7海珠橋纜索系統(tǒng)失效分析中跨主要

桿件軸向應力計算結果3.4評估結果

通過對海珠橋主桁桿件的受力分析可得：邊跨U9L8桿件為最不利受力桿件，在恒載+活載作用下應力達到113.38MPa，對于老齡鋼橋來說，已處于一個相當高的水平；邊跨U1L1失效后，邊跨桿件內(nèi)力重分布，但改變不大；通過對纜索系統(tǒng)的失效分析可知，現(xiàn)纜索系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的松弛，對主桁結構作用大為減弱。

4疲勞壽命評估結果

4.1疲勞壽命評估方法

海珠橋疲勞評估內(nèi)容與方法如下：

（1）調(diào)查海珠橋不同時期的交通流量，確定汽年車型、車重、車間距的概率模型，采用Monete-Carlo方法模擬過橋的交通流量；

（2）對最不利受拉桿件進行連續(xù)應力監(jiān)測，得到桿件的應力歷程，采用雨流計法進行統(tǒng)計，得到各測點的應力譜；

（3）采用Monete-Carlo方法模擬的車流對各應力測點的應力影響線進行加載，應用雨流計法統(tǒng)計得到各應力測點的模擬應力譜，并通過實測應力譜進行對比修正。

（4）查閱國內(nèi)外規(guī)范，確定鉚接鋼橋的疲勞強度，采用Miner線性疲勞累積損傷理論對主要受拉桿件的疲勞壽命進行評估。

疲勞壽命的計算流程見圖8。

圖8疲勞壽命的計算流程4.2應力譜模擬

實際過橋的車輛種類繁多，如果直接進行模擬，將會非常復雜，而且十分不方便，所以進行荷載模擬的車輛采用交通調(diào)查基礎上建立的模型車輛。采用Monete-Carlo方法模擬車流具體實現(xiàn)步驟如圖9所示。

圖9Monete-Carlo方法模擬車流將Monte-Carlo法形成的模擬車流按每個荷載步向前移動1m，作用到橋梁桿件的應力影響線上。對每個荷載步，應力由荷載乘以相應影響線坐標得到。這樣對一系列時間點，就可以得到關心桿件應力歷程，對所得應力歷程按雨流法計數(shù)來獲得應力譜。圖10、圖11為部分關心桿件的應力譜圖。

圖10U1L1桿件應力譜圖11中跨跨中橫梁應力譜4.3疲勞壽命分析

本橋偏安全考慮，采用AASHTO規(guī)范的細節(jié)D（71Mpa）作為鉚接鋼構件的疲勞強度S-N曲線，其中m=3，疲勞極限強度為17.9 Mpa。根據(jù)Miner線性累積損理論采用以下公式計算各階段年疲勞損傷度、總疲勞損傷度以及疲勞壽命。

di=nΔσ1NΔσ

D=diyi

Y=y1+y2+y3+1-D1y4

式中：di—各階階年疲勞損度，d為現(xiàn)階段年疲勞損度；nΔσ—在階段i，一年內(nèi)幅值為Δσ的有效應力循環(huán)次數(shù)；NΔσ—幅值為Δσ時構件達到疲勞破壞所需經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)；D—總疲勞損傷度；Y—疲勞壽命；yi—各階段持續(xù)的時間。

桿角鋼嚴重銹蝕

圖2海珠橋主橋鋼結構銹蝕病害的典型圖片（2）個別次要連接桿件變形，但南北邊跨靠近支點的上平聯(lián)振動過大。

（3）鋼支座銹蝕非常嚴重，個別部位分層剝落，活動支座輥軸嚴重傾斜，輥軸銹死，鉚釘銹斷，已失去活動的能力，且支座旁堆放大量垃圾。

（4）主橋混凝土橋面板病害主要包括橋面板滲水、混凝開裂、壓碎、脫落以及鋼筋銹蝕等現(xiàn)象?；炷撂蓟疃绕骄蓟疃葹?1.5mm，碳化深度較大，混凝土有所劣化，但仍未超過鋼筋保護層厚度?；炷量箟簭姸韧贫ㄖ翟?80MPa～27.1 MPa之間，強度差別較大，說明個別混凝土板劣化嚴重。

（5）主纜鋼絲繩情況較好，表面黃油已干硬結塊，失去防護作用，吊桿上錨頭下部積水，表面銹蝕，另外發(fā)現(xiàn)主纜外裹膠帶已經(jīng)有老化現(xiàn)象，部分區(qū)域已失去密封防水功效，雨水可以進入內(nèi)部造成錨頭下部積水。吊桿下錨板均銹蝕，錨固螺栓油漆起皮剝落，輕微銹蝕，上游側跨中有一根吊桿錨固螺栓缺失，吊桿失效。

（6）橋面鋪裝局部有坑槽和壅包，多處橫向通長開裂破碎，主要位于南北邊跨橫梁上方，車輛通過時，沖擊效應明顯；兩側非機動車道露筋嚴重，人行道欄桿銹蝕，個別構件松動，個別泄水管堵塞；兩端伸縮縫堵塞，伸縮縫旁鋪裝碎邊，橋頭輕度跳車；中跨和邊跨連接處未設置伸縮縫，采用瀝青填塞，瀝青破碎開裂，最大寬度達到3cm，而且橋面線形在此處是個折角，跳車現(xiàn)象嚴重。

（7）主橋墩身及橋臺狀況較好，但局部有蜂窩麻面、坑槽、露筋銹蝕；由于江水沖刷，橋臺和橋墩下層砌縫明顯。氯離子含量測試值為0.014%，均遠小于規(guī)范要求值，不會影響墩身混凝土鋼筋的耐久性。河床斷面測量測量結果表明20#墩附近沖刷較其它部位大。水下基礎探摸發(fā)現(xiàn)主墩20#、21#墩身均存在破損、淘空，最大掏空深度為65cm。

（8）用橫波探傷法檢查鋼桁架部分主桁受拉桿件和拼接節(jié)點板處鉚釘孔端面與鉚釘結合面缺陷，檢測發(fā)現(xiàn)部分鋼桁架鉚釘孔端面與鉚釘結合面處有疲勞裂紋的超聲波波形顯示。

（9）對比恒載吊桿力及背索索力，可以看出隨著主纜鋼絲繩的松弛及桁架內(nèi)力變化等，橋梁結構發(fā)生了多次內(nèi)力重分布，恒載狀態(tài)下結構受力更為復雜，整體受力狀態(tài)與原設計狀態(tài)有所偏差。

（10）從化學成分來看，橋梁所用鋼材所含的對耐蝕有利的合金元素，如Cr、Ni、Cu等，相比現(xiàn)在的橋梁用鋼均低了一個數(shù)量級，耐蝕性較差；從該鋼的力學性能看，下屈服強度為275MPa，與A3鋼接近。其強度高，沖擊韌性不高是因為受當時的冶煉水平所限制，屬沸騰鋼，脫氧不完全，因此，夾雜物以橢球狀和短條狀硫氧化物為主。從銹層的形貌及物相可以看出，其銹蝕產(chǎn)物為海洋大氣和工業(yè)大氣腐蝕的結果，主要物相為：α—FeOOH針鐵礦、γ—FeOOH纖鐵礦，還有少量非晶態(tài)相Fe2O3；分析銹層的形貌及能譜成分表明：銹層的厚度120um左右，呈多層結構，以鐵的氧硫化物為主，還有一些其他的成分，比較復雜。

根據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護技術規(guī)范》中關于對營運階段橋梁技術狀況評估方法的規(guī)定，并結合橋梁結構檢測結果，海珠橋技術狀況評定等級為不合格級，即橋梁結構構件存在損傷，持續(xù)下去將影響橋梁結構安全，應立即進行修復。

3承載能力檢算及失效分析評估結果

3.1有限元模型

采用Midas有限元軟件進行結構建模，主桁、縱橫梁以及其它橫向聯(lián)結系采用梁單元，懸索、背索、吊桿采用桁架單元進行模擬，主桁節(jié)點板、橋面鋪裝、欄桿、橋梁附屬設施等對橋梁結構產(chǎn)生的作用等效為節(jié)點質量單元，施加在相應的節(jié)點上，并通過檢測數(shù)據(jù)對結構進行修正，海珠橋主橋有限元模型如圖3。

圖3海珠橋空間有限元模型3.2桿件內(nèi)力及應力計算分析

根據(jù)目前的交通需求，取基本可變荷載為3車道汽-15，人群荷載為3.5kN/m2計算。恒載作用下桿件應力結果見圖4，恒載+活載（汽車+人群）作用下桿件應力結果見圖5。由圖可見，由于中跨采用了主纜進行加固，邊跨桿件的應力狀態(tài)明顯大于中跨，最大受拉桿件為U9L8，恒載作用下應力為92.54MPa，恒載+活載組合作用下應力為11338MPa。

圖4海珠橋邊跨主要桿件軸向應力計算結果圖5海珠橋中跨主要桿件軸向應力計算結果3.3邊跨U1L1豎桿失效及纜索系統(tǒng)失效分析

考慮到邊跨U1L1豎桿的最易斷裂，為了保證結構的安全，計算模擬邊跨U1L1豎桿失效的情況，重新計算結構在恒載與活載作用下的應力分布情況，計算結果見圖6，從圖可見，桿件應力發(fā)生重分布，U9L8斜桿應力達113.06MPa。

另外，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，纜索系統(tǒng)內(nèi)力松弛現(xiàn)象嚴重，個別吊桿錨固螺母已缺失，因此計算模擬纜索系統(tǒng)失效的影響，重新計算結構在恒載與活載作用下的應力分布情況，計算結果見圖5、圖6。由圖可見，纜索系統(tǒng)失效后，U9L8桿件應力達129.16MPa，對比圖4、圖5可知，邊跨、中跨桿件內(nèi)力、應力變化均不大。

圖6海珠橋失效分析邊跨主要桿件軸向應力計算結果圖7海珠橋纜索系統(tǒng)失效分析中跨主要

桿件軸向應力計算結果3.4評估結果

通過對海珠橋主桁桿件的受力分析可得：邊跨U9L8桿件為最不利受力桿件，在恒載+活載作用下應力達到113.38MPa，對于老齡鋼橋來說，已處于一個相當高的水平；邊跨U1L1失效后，邊跨桿件內(nèi)力重分布，但改變不大；通過對纜索系統(tǒng)的失效分析可知，現(xiàn)纜索系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的松弛，對主桁結構作用大為減弱。

4疲勞壽命評估結果

4.1疲勞壽命評估方法

海珠橋疲勞評估內(nèi)容與方法如下：

（1）調(diào)查海珠橋不同時期的交通流量，確定汽年車型、車重、車間距的概率模型，采用Monete-Carlo方法模擬過橋的交通流量；

（2）對最不利受拉桿件進行連續(xù)應力監(jiān)測，得到桿件的應力歷程，采用雨流計法進行統(tǒng)計，得到各測點的應力譜；

（3）采用Monete-Carlo方法模擬的車流對各應力測點的應力影響線進行加載，應用雨流計法統(tǒng)計得到各應力測點的模擬應力譜，并通過實測應力譜進行對比修正。

（4）查閱國內(nèi)外規(guī)范，確定鉚接鋼橋的疲勞強度，采用Miner線性疲勞累積損傷理論對主要受拉桿件的疲勞壽命進行評估。

疲勞壽命的計算流程見圖8。

圖8疲勞壽命的計算流程4.2應力譜模擬

實際過橋的車輛種類繁多，如果直接進行模擬，將會非常復雜，而且十分不方便，所以進行荷載模擬的車輛采用交通調(diào)查基礎上建立的模型車輛。采用Monete-Carlo方法模擬車流具體實現(xiàn)步驟如圖9所示。

圖9Monete-Carlo方法模擬車流將Monte-Carlo法形成的模擬車流按每個荷載步向前移動1m，作用到橋梁桿件的應力影響線上。對每個荷載步，應力由荷載乘以相應影響線坐標得到。這樣對一系列時間點，就可以得到關心桿件應力歷程，對所得應力歷程按雨流法計數(shù)來獲得應力譜。圖10、圖11為部分關心桿件的應力譜圖。

圖10U1L1桿件應力譜圖11中跨跨中橫梁應力譜4.3疲勞壽命分析

本橋偏安全考慮，采用AASHTO規(guī)范的細節(jié)D（71Mpa）作為鉚接鋼構件的疲勞強度S-N曲線，其中m=3，疲勞極限強度為17.9 Mpa。根據(jù)Miner線性累積損理論采用以下公式計算各階段年疲勞損傷度、總疲勞損傷度以及疲勞壽命。

di=nΔσ1NΔσ

D=diyi

Y=y1+y2+y3+1-D1y4

式中：di—各階階年疲勞損度，d為現(xiàn)階段年疲勞損度；nΔσ—在階段i，一年內(nèi)幅值為Δσ的有效應力循環(huán)次數(shù)；NΔσ—幅值為Δσ時構件達到疲勞破壞所需經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)；D—總疲勞損傷度；Y—疲勞壽命；yi—各階段持續(xù)的時間。