某钢结构人行天桥可靠性评估

收稿日期:2005-05-10作者简介:王小平,男,武汉理工大学土木工程与建筑学院,副教授,工学博士。

文章编号:1001-4179(2005)07-0057-03某钢结构人行天桥可靠性评估王小平　黄文锋　周　超(武汉理工大学土木工程与建筑学院,湖北武汉430070)摘要:某钢结构人行天桥距今已有12a 历史,初步观测发现钢构件外表面局部有油漆脱落和锈蚀现象,须对结构进行可靠性评估。

为此对该人行天桥的动力特性、焊缝缺陷、钢构件截面尺寸和锈蚀情况进行了检测,按规范要求验算了结构的整体稳定和局部稳定,采用有限元程序分析了结构在设计荷载作用下的应力和变形,在一系列检测和分析结果的基础上评估了结构的安全性和正常使用性,得出了该人行天桥的可靠性评级,为工程的维修和保养提供了依据。

关　键　词:钢结构;人行天桥;可靠性;评估中图分类号:U448.11 文献标识码:A1　概述某人行天桥由钢结构主桥和楼梯两部分构成(如图1)。

主桥平面为X 形,东西对称,包括主梁、桥墩和基础3部分。

主梁为钢箱梁,普通断面顶宽4m ,底宽2.4m ,高0.90m ,钢板厚8mm ,主要材料为16Mn (Q345)。

桥墩为焊接圆形钢管柱,钢板厚8mm ,0号桥墩直径100cm ,1～4号直径70cm ,材料A3钢(Q235)。

桥墩基础为钻孔桩,250号(C25)钢筋混凝土。

该人行天桥1993年安装完工,距今已有12a 历史。

经现场初步观测,发现钢构件外表局部有油漆脱落和锈蚀现象,影响了桥梁的安全和使用,须进行必要的检测和分析,并在此基础上完成可靠性评估。

2　评估内容人行天桥可靠性评估的内容,是在参照了桥梁、厂房和民用建筑等结构评估标准[2～4]的基础上综合确定的,即把天桥分为基础、上部承重结构(主箱梁、桥墩)和维护结构(桥面装饰和防护层、栏杆等)3个层次,每个层次又被划分为若干项目,进行安全性或正常使用性的评级。

具体内容如下:(1)安全性评级。

连接和构造方法;天桥钢结构的承载能力;钢构件的变形;钢材性能。

(2)使用性评估。

钢构件的几何尺寸;钢结构及栏杆防护油漆的锈蚀状况;桥面装饰层的使用状况;桥面舒适性。

桥面舒适性评价是通过测试和分析桥面竖向自振频率实现的。

基础检测因影响天桥的正常使用而未能进行。

3　连接检测及评级3.1　连接方法的合理性考虑到使用和建筑美观的要求,天桥主桥平面为X 形,东西对称;主梁为钢箱梁,翼缘和腹板上纵、横加劲肋交错,十分复杂,给工厂制作和现场安装造成了一定的难度。

图1　人行天桥平面示意为此,结构设计者采用焊接方法,并根据天桥的形状和尺寸,把天桥主箱梁人为划分为5段,这5段可在工厂制作完成,从而使焊接质量得到保证,焊接残余变形和残余应力更容易得到控制。

另外,钢箱梁的翼缘、腹板及加劲肋钢板厚度均为8mm ,它们之间的连接绝大部分采用双面角焊缝,焊脚尺寸h f 为6mm ,焊条E50系列,满足钢结构设计规范[5]要求。

综上所述,天桥的连接方法是合理的。

第36卷第7期人　民　长　江V ol.36,N o.72005年7月Y angtze River July ,20053.2　焊接缺陷的检测天桥的主要连接方式为焊接,因此现场重点检查了外露焊缝的缺陷,包括裂缝、夹渣、焊瘤、气孔等。

检查位置主要位于1～4号桥墩附近,共4处,这样选择一是考虑到这些位置受力更不利,另外是搭设工作平台的方便。

综合各检测位置焊缝缺陷的情况可以发现:①焊瘤缺陷比较严重;②气孔一般;③裂纹少量。

4　结构稳定承载能力评估可靠性评估中的一项重要内容,是结构的安全性评估,即承载力和变形性能的评估。

这部分内容可通过现场静载试验直接获得,也可采用理论分析解决。

前者所获数据直接和真实,但须花费大量人力和物力,且影响结构的正常使用,并可能对结构造成一定伤害。

因此,本研究选择理论分析方法。

4.1　钢材性能钢材性能(主要是力学性能)是确定钢结构承载力的基础和依据。

主要通过查阅施工档案资料获取。

结果为:16Mn (Q345)钢屈服点f y 最小为360N Πmm 2;A3(Q235)钢f y 最小检测结果为240N Πmm 2,均满足设计要求。

4.2　局部稳定验算图2为主箱梁典型断面示意图,其中B 1、B 2、H 1、H 2的设计值分别为4、2.4、1.0、0.28m 。

图2　4m 宽箱梁截面箱梁顶面受压翼缘由于同桥面混凝土铺装层相连,可认为其局部稳定自动得到满足。

对于箱梁底面受压翼缘,厚度t =8mm ,纵向加劲肋间距b 0=392mm ,b 0Πt ≈49。

若设受压翼缘为四边简支板,β=4,嵌固系数χ=1.1,η=1,则屈曲应力σcr =81.92(100t Πb 0)2=341kN Πmm 2,几乎接近材料的屈服强度。

对于箱梁典型断面的腹板,h 0=900mm ,厚度t =8mm ,腹板高厚比h 0Πt =113。

实际腹板同时配置了横向及纵向加劲肋,其中横向加劲肋间距a =1800mm ≤2h 0,满足腹板局部稳定要求。

0号桥墩钢管直径100cm ,钢板厚8mm ,则圆管外径D 0与壁厚t 的比值为125,大于规范要求,但因钢管内均匀布置有6个纵向加劲肋,局部稳定满足要求。

4.3　箱梁整体稳定验算箱梁高h =900mm ,上翼缘宽b 01=4000mm ,下翼缘宽b 02=2400mm ,厚度t =8mm ,则h Πb 01及h Πb 02均小于6;另外,箱梁最大跨度取3、4号桥墩之间的距离,即取L 1=31200mm ,则L 1Πb 01=7.8<96×235Πf y =65.4不须验算箱梁整体稳定。

5　结构强度、承载能力评估由于人行天桥结构形状奇特,且其内部有复杂的加劲肋,采用普通的杆系结构分析方法难以反映结构的真实受力性能,更不可能得到精确的计算结果。

为此,本文采用S AP 有限元软件包对天桥进行了线弹性静力分析。

5.1　简化计算模型为简化计算,在建立有限元模型时,作以下假设:(1)所有构件钢板均简化为板壳单元;(2)材料为线弹性,弹性模量取2.06×105N Πmm 2;(3)主箱梁的横向加劲肋及孔洞按实际情况输入;纵向加劲肋因分布复杂,可按面积分摊到腹板、翼缘中,则腹板、翼缘的厚度取折算厚度;(4)桥墩中纵向加劲肋的处理方法与主箱梁类似。

5.2　荷载工况分析时除考虑永久荷载(结构自重)外,同时考虑了基本可变荷载(人群荷载)的两种工况:全跨和南边半跨作用。

其中结构自重按实际情况输入,人群荷载设计值考虑为400kg Πm 2。

5.3　有限元分析结果表1则列出了两种荷载工况下,结构最大Mises 应力、最大竖向位移计算结果。

表1　最大M ises 应力和竖向位移分析结果加载类别应力Π(N ・mm -2)竖向位移ΠmmM ises 应力σmaxf f Πσmaxv max规范[v ](L 1Π600)[v ]Πv max 全跨荷载3223150.9857.1520.91半跨荷载3323150.9559.3520.88从表1中可以看出:(1)在全跨、半跨荷载作用下,结构的最大Mises 应力均大于16Mn (Q345)钢设计值f =315N Πmm 2,但后者与前者的比值均大于95%。

(2)位移最大值均发生在南边两4m 宽梁的交叉部位。

规范容许值与计算结果之间的比值为0.91(全跨荷载)或0.88(半跨荷载)。

从上述分析结果来看,人行天桥基本满足400kg Πm 2设计荷载的要求。

6　人行天桥使用性评估6.1　构件几何尺寸的测试和评估通过测试主箱梁及桥墩断面尺寸,可得如下结果:(1)主梁断面尺寸符合设计要求;(2)主梁所用钢板厚度与设计值8mm 相比偏小,说明测量处钢板有一定程度的锈蚀,但目前还不严重;(3)桥墩直径实测结果均大于设计值;(4)桥墩高度满足设计和通车时的使用要求。

6.2　天桥钢结构锈蚀状况通过仔细观察,箱梁两侧竖钢板、旋转钢楼梯的踏步表面等有锈蚀现象,削弱了钢板的厚度,进而影响了结构的承载能力。

必须采取补救措施,以防其继续发展。

6.3　天桥装饰层的使用状况天桥南边桥面面砖有大块脱落,楼梯踏步踢脚处也存在这种现象,影响天桥正常使用,须进行必要的修补。

6.4　天桥自振频率检测本文采用脉动法测试了人行天桥在竖向平面内振动时的自85 人　民　长　江2005年振频率。

测试结果的平均值为:第1频率,2.35H z;第2频率, 3.55H z;第3频率,4.95H z。

显然,第1自振频率小于3H z,不满足规范[1]要求,在一定程度上影响了行人的舒适度。

这其中部分原因是由天桥上架设大量广告牌造成的,应该引起足够重视。

7　结论总结上述各项评估结果如表2。

表2中,各项目均分为a、b、c、d共4个级别。

其中,“a”表示不必采取措施;“b”表示可不采取措施;“c”表示应采取措施;“d”表示必须及时或立即采取措施。

表2　天桥可靠性评级评级项目描述评级a b c d承载能力强度 RΠγ0　R≥0.95√承载能力整体稳定　满足√承载能力局部稳定　不满足规范要求√材料性能 满足设计要求√变形能力 [v]Πv max=0.88-0.91√连接可靠性合理性　构造合理√连接可靠性焊缝缺陷比较严重√构件偏差几何尺寸　偏差不大√频率测试结果 频率偏小√锈蚀主钢结构 程度一般√锈蚀栏杆 少许√桥面装饰层 面砖脱落√综合表2,可得某人行天桥可靠性总体评级为“c”级,并有如下维修和保养建议:(1)天桥有锈蚀、面砖脱落现象,应进行必要修补;(2)焊缝中焊瘤现象对结构承载力影响不大,不需修补;(3)结构实测第1自振频率小于规范确定的3H z,应尽量避免增加广告牌;(4)天桥整体稳定满足规范要求,钢箱梁受压翼缘和腹板不会发生局部失稳,但其宽厚比超出规范限制;(5)天桥的强度承载能力基本满足400kgΠm2设计荷载要求,但建议避免满负荷使用。

参考文献:[1]　中华人民共和国行业标准.城市人行天桥与人行地道技术规范(C JJ69-95).北京:中国建筑工业出版社,1996.[2]　中华人民共和国交通部标准.公路旧桥承载能力鉴定方法(试行).北京:人民交通出版社,1988.[3]　中华人民共和国国家标准.工业厂房可靠性鉴定标准(G B J144-90).北京:中国建筑工业出版社,1999.[4]　中华人民共和国国家标准.民用建筑可靠性鉴定标准(G B50292-99).北京:中国建筑工业出版社,1990.[5]　中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范(G B50017-2003).北京:中国建筑工业出版社,2004.[6]　中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范(G B17-88).北京:中国计划出版社,1989.[7]　曹双寅,邱洪兴,王恒华.结构可靠性鉴定与加固技术.北京:中国水利水电出版社,2001.(编辑:赵凤超)(上接第52页) 由图中可见,面板最大动位移在3个方向的分布规律大致相同,数值相差不大,最大值均发生在河谷最深断面的顶部,向坝底和两岸逐渐减少。