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(太平洋國立大學(xué) 土木工程系，俄羅斯 哈巴羅夫斯克 901071)

0 引言

20世紀(jì)20年代起，歐美一些發(fā)達國家已經(jīng)開始大量建造鋼結(jié)構(gòu)橋梁，但由于鋼材非常容易受到腐蝕，以及當(dāng)時防腐蝕涂漆等技術(shù)還不夠成熟，所以鋼橋在投入運營后常常出現(xiàn)承載能力下降的情況，致使橋梁需要降級使用，嚴(yán)重的腐蝕曾經(jīng)導(dǎo)致重大事故發(fā)生，使人民的生命財產(chǎn)受到了損失。1967年美國東部Norgaard的一座鋼橋，在使用40 a后塌落于俄亥俄河中，調(diào)查結(jié)果顯示，原因為大氣腐蝕造成的結(jié)構(gòu)開裂。1962年由意大利R.莫蘭第在委內(nèi)瑞拉設(shè)計修建了世界上第一座預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋Maracaibo Lake Bridge，因為鋼索錨端處受到嚴(yán)重腐蝕，為避免事故發(fā)生，運營16 a后于1978年被迫換索，耗資5 000萬美元，工期長達2 a之久[1]。有資料顯示，日本109座橋梁斷裂事故中，有19例是由于鋼材腐蝕有關(guān)[2]。海洋環(huán)境是鋼橋結(jié)構(gòu)腐蝕的一種較高等級類型，跨海大橋受到腐蝕速度較快，承載能力大幅度降低，容易導(dǎo)致事故發(fā)生。所以，對橋梁的受力性能評估是保證橋梁正常運營和人民生命財產(chǎn)的重要工作。以俄羅斯薩哈林的“卡薩弗斯”跨海大橋作為研究對象，描述了如何對該橋的受力性能進行初步的評估。

1 橋梁概況

薩哈林島是俄羅斯聯(lián)邦的最大島嶼，地處俄羅斯國東部，四面環(huán)海?！翱ㄋ_弗斯”跨海大橋是連接城市中心與貨運港口的重要通道之一，貨運量較大。該橋于1975年由前蘇聯(lián)“基輔橋梁科學(xué)研究院”設(shè)計，1982年在南薩哈林建成通車。由于全球變暖及其他因素等原因，海平面上漲，以致海浪可以直擊橋梁上部結(jié)構(gòu)，部分結(jié)構(gòu)甚至浸泡于積水中，腐蝕較為嚴(yán)重，年久失修。該橋采用俄羅斯(前蘇聯(lián))國家標(biāo)準(zhǔn)GOST6713—91的10HSND型號鋼材，結(jié)構(gòu)形式為39.5 m+4×39.8 m+39.5 m的連續(xù)梁鋼混橋，全長239.0 m。主梁采用4個高為1 m的工字鋼組成，并設(shè)有橫向連接，梁上鋪設(shè)160 mm厚的混凝土行車道板。橋梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 橋梁橫截面(單位：mm)

2 檢測結(jié)果

2.1 檢測結(jié)果的綜述

利用“表觀檢查法”對橋梁進行現(xiàn)場調(diào)查，主要針對橋梁混凝土行車道板和鋼梁損傷程度進行評估。2007年太平洋國立大學(xué)橋梁與地基基礎(chǔ)教研室對該橋進行了一次檢測，并記載在研究報告中[3]，其檢測結(jié)果顯示，橋梁主要有5種破壞形式。結(jié)果如下：

(1)混凝土行車道板與人行道板受到海水浸泡，橋梁鋼結(jié)構(gòu)受到海水腐蝕生銹，梁體明顯變色并附著較深的銹層，同時從下翼緣擴散到梁體腹板；(2)橋梁行車道板約有20%的防水層正常工作，行車道上大面積積水并滲透至鋼梁；(3)部分混凝土保護層損壞，鋼筋裸露受到腐蝕；(4)整個橋梁鋼結(jié)構(gòu)被大面積腐蝕；(5)伸縮縫周圍受到嚴(yán)重破壞。

2012年檢測與2007年相比較的檢測結(jié)果如下：混凝土行車道板防水層破壞擴散；混凝土行車道板損壞嚴(yán)重，伸縮縫周邊破裂；鋼梁受到腐蝕的強度及鐵銹厚度增大。

2.2 混凝土結(jié)構(gòu)的檢測分析結(jié)果

根據(jù)俄羅斯國家標(biāo)準(zhǔn)GOST22690—88《混凝土無損檢測力學(xué)方法標(biāo)準(zhǔn)》[4]對公路橋梁行車道板進行檢測?；炷恋膹姸仍u估依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GOST18015—86《混凝土的強度檢測》[5]進行?；炷恋膹姸确诸愐砸?guī)范2.05.03—84*[6]為標(biāo)準(zhǔn)?；炷恋淖儺愊禂?shù)范圍取0.20～0.25之間，用以評價混凝土在運營40～50 a后的相應(yīng)強度。通過對混凝土行車道板的強度抽樣檢測,抗壓強度范圍在Rm=32.4～35.3 MPa小于原混凝土設(shè)計強度M400(40 MPa)，相對于規(guī)范2.05.03—84,混凝土抗壓強度標(biāo)號Bb=1.31(B30)，相當(dāng)于中國的混凝土強度標(biāo)號C30。混凝土強度的檢測數(shù)據(jù)說明在不同的橋面路段的抗壓強度不同，平均強度為Rm=34.1 MPa；取變異系數(shù)為V=0.2時，混凝土標(biāo)號約為B22.5,約等于B20(C20)。橋面損傷情況如圖2所示，混凝土板損傷如圖3(a)～(d)所示。

圖2 卡薩弗斯大橋的混凝土橋面損傷情況細節(jié)圖(單位：m)

2.3 鋼梁結(jié)構(gòu)的損傷情況

通過對鋼梁的檢測發(fā)現(xiàn)，由于海浪的沖擊海水的侵蝕，每次海浪過后都會殘留下少量海水，導(dǎo)致鋼梁被大面積腐蝕。對鋼梁采取抽樣調(diào)查，每個鋼梁取11個測點，檢查腐蝕的程度(鐵銹的厚度)，結(jié)果顯示,鋼梁的下翼緣腐蝕較為嚴(yán)重，鐵銹厚度在2.1～2.8 mm的范圍內(nèi)，約為原鋼梁下翼緣設(shè)計厚度的7%，同時擴散到鋼梁腹板。原鋼梁的腹板設(shè)計厚度為12 mm，經(jīng)過腐蝕后的腹板由下翼緣向上約0.5 m的范圍鐵銹厚度約為0.4 mm。鋼梁損傷情況如圖3(e)～(h)所示。

圖3 卡薩弗斯大橋的檢測結(jié)果

3 損傷模擬與加載測試

3.1 損傷模擬

基于損傷識別采用有限元軟件進行模擬。該橋主要受損部位為混凝土行車道板、鋼梁腹板和下翼緣。由于受到腐蝕的位置削減了梁體的剛度,所以在一定程度上降低了承載能力[7]。損傷源的模擬可以采用改變不同位置的板厚的方法實現(xiàn)[8]。根據(jù)實際檢測的結(jié)果，對該橋進行建模，其中鋼梁腹板部位削減0.4 mm的鐵銹厚度，下翼緣按原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)削減7%的鐵銹厚度。對于混凝土行車道板，原混凝土標(biāo)號為B30，實測結(jié)果的強度標(biāo)號為B22.5較接近B20，所以采用B20的相關(guān)參數(shù)進行模擬，力爭通過模型的設(shè)計反應(yīng)出橋梁工作的真實狀態(tài)。采用有限元軟件“Midas Civil”建模，其中混凝土彈性模量為2.7×103MPa,鋼結(jié)構(gòu)彈性模量為2.1×104MPa。模型如圖4(a)所示，t1、t2、t3分別為下翼緣單層厚度、腹板厚度和下翼緣雙板厚度。

圖4 卡薩弗斯橋1/2單跨的有限元模型

3.2 荷載加載方法

荷載加載的目的是對橋梁受到腐蝕損傷后的受力性能評估。2012年的檢測結(jié)果表明，受應(yīng)力影響損傷最嚴(yán)重的位置分別為截面1、2、3，如圖3所示。根據(jù)荷載作用最不利的情況對橋梁截面1、2、3進行加載，其加載結(jié)果與2007年的加載結(jié)果進行對比分析。根據(jù)俄羅斯橋梁規(guī)范SNIP2.05.03—84*，橋梁原設(shè)計荷載為A11，即輪重分別為55 kN的四輪貨運卡車和均步荷載為5.5 kN/m的標(biāo)準(zhǔn)。沖擊系數(shù)采用公式計算：1+15/(37.5+λ)=1.054，即λ=238.36 m (計算跨度)。人群荷載采用1.0 kN/m2，沖擊系數(shù)為1，保險系數(shù)均為1.2。由于該橋采用雙車道，對于橫截面的加載采用兩車并行，加載形式如圖5所示。

圖5 卡薩弗斯大橋最不利加載情況

4 結(jié)果分析

根據(jù)橋梁的服役年限1982年至2012年，鋼梁最大腐蝕厚度達到2.8 mm，可以判斷橋梁在服役30 a期間，每年平均腐蝕厚度為0.093 mm，約等于0.1 mm。所以在2007年至2012年的總腐蝕厚度約為0.5 mm，而行車道混凝土的強度標(biāo)號由B30降為B20，其損傷程度的增大對荷載加載的影響效果對比分析如下。

4.1 損傷模擬活載作用的影響效果對比

由圖6、圖7、圖8所示，當(dāng)活載作用在橋梁最不利截面位置上時，截面1、截面2和截面3的2012年損傷后的鋼梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值明顯大于2007年的應(yīng)力值，這說明鋼材受到腐蝕的效果比較明顯。

圖6 活載作用下截面1的鋼梁應(yīng)力值 圖7 活載A11作用下截面2的鋼梁應(yīng)力值

圖8 活載A11作用下截面3的鋼梁應(yīng)力值

上翼緣應(yīng)力變化較小，三個截面對比結(jié)果來看，應(yīng)力最大變化率為18%，位于截面2的4號梁，變化率最小為2.7%，位于截面1的4#鋼梁。這說明雖然上翼緣受到腐蝕損傷較小，但由于混凝土行車道的強度標(biāo)號降級，導(dǎo)致對鋼梁應(yīng)力值產(chǎn)生了一定的變化。

下翼緣各截面應(yīng)力變化相對較大，由于鋼梁受到大面積腐蝕，比2007年應(yīng)力值相對增大，其中截面1的2#梁應(yīng)力最大增大38.3%，截面2的1#梁應(yīng)力值增大43%，截面3的1#梁應(yīng)力值增大33%。

4.2 損傷模擬綜合作用的影響效果對比

通過軟件Midas Civil的模擬結(jié)果，組合荷載的計算結(jié)果得到表1。從表1中可以看出，在荷載加載方式相同的情況下，2012年的下翼緣截面1的組合應(yīng)力值最大達到304.3 MPa，混凝土應(yīng)力值為-10.2 MPa。而2007年的加載結(jié)果截面1為268.3 MPa，混凝土應(yīng)力值為-9 MPa。

表1 恒載與活載組合的應(yīng)力值位置年份組合應(yīng)力值/MPa截面1截面2截面3上翼緣σ12007-238.5222.1-482012-227.7277.0-42.9下翼緣σ22007268.3-226.1184.72012304.3-253.1215.6混凝土σb2007-9—6.42012-10.2—8.76

這些數(shù)據(jù)充分表明2007年至2012年的腐蝕損傷降低了該橋的承載能力。根據(jù)規(guī)范SNIP2.05.03—84*，鋼梁與混凝土的應(yīng)力計算結(jié)果分別滿足以下條件，即：σ1，σ2

5 結(jié)論

卡薩弗斯大橋在服役30 a后，通過檢測及損傷模擬得到以下結(jié)論：

(1)通過“表觀檢查法”和試驗結(jié)果證明混凝土強度為規(guī)范SNIP2.05.03—84*的B20標(biāo)號混凝土，鋼結(jié)構(gòu)可以滿足原設(shè)計鋼材型號10HSND的強度。

(2)根據(jù)俄羅斯橋梁設(shè)計規(guī)范SNIP2.05.03—84*，該橋的損傷程度沒有破壞原設(shè)計荷載的標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足汽車荷載A11通行要求。

(3)根據(jù)有限元法對損傷模擬的分析結(jié)果可以看出，混凝土結(jié)構(gòu)強度降級對鋼梁上部的承載能力的影響較小，相對而言鋼梁下部受到腐蝕大大降低了橋梁的承載能力。這充分說明了“腐蝕”對橋梁承重結(jié)構(gòu)破壞的嚴(yán)重性是不可忽視的。

(4)對于卡薩弗斯跨海大橋的改造方案應(yīng)針對混凝土板的防水層及伸縮縫排水裝置進行合理翻修，避免雨水、防凍鹽滲入鋼梁加速鋼梁的腐蝕速度。應(yīng)盡快清理鐵銹，并使用防腐蝕涂漆，最大可能的延長橋梁的服役年限。

(5)本文運用“表觀檢查法”和“有限元法”分別對研究對象進行檢測和損傷模擬，該方法可以非常直觀地反映出橋梁的工作狀態(tài)，其簡單和實用，可供橋梁檢測人員參考。

參 考 文 獻

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