孫 磊

(同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海 200092)

斜拉橋作為一種拉索體系橋梁，比梁式橋的跨越能力更大，是大跨度橋梁的最主要橋型。斜拉橋是由許多直接連接到塔上的鋼纜吊起橋面，斜拉橋由索塔、主梁、斜拉索組成。索塔型式有A形、倒Y形、H形、獨(dú)柱，材料主要有鋼和混凝土。斜拉索布置有單索面、平行雙索面、斜索面等。在跨越峽谷、大江河、海灣等不利于修筑橋墩或者由于地質(zhì)原因不利于修建地錨的地方，斜拉橋往往是一種不錯(cuò)的橋型選擇。斜拉橋的受力體系主要是橋面體系、支承橋面體系的索體系、支承索體系的橋塔。斜拉橋充分利用了鋼材的抗拉性能、混凝土材料的抗壓性能，具有優(yōu)良的動(dòng)力特性和抗風(fēng)性能。它跨越能力大、結(jié)構(gòu)新穎，已經(jīng)成為現(xiàn)代橋梁工程中發(fā)展最快、最具有競(jìng)爭(zhēng)力的橋型之一。1955年瑞典人建成了世界第一座現(xiàn)代斜拉橋，從此世界各地的斜拉橋建設(shè)蓬勃發(fā)展，但現(xiàn)有斜拉橋大多是獨(dú)塔雙跨式和雙塔三跨式，而具有連續(xù)主梁的三塔四跨式斜拉橋很少。伴隨著內(nèi)陸經(jīng)濟(jì)發(fā)展，三峽庫區(qū)蓄水工作逐漸完成，長江作為最大的黃金水道其重要性更加凸顯，這也要求橋梁必須能夠保證通航，多跨連續(xù)斜拉橋正好可以完整適應(yīng)這一要求。自1975年開始的近40年來，我國已建成上百座斜拉橋，特別是近10年來，我國斜拉橋建設(shè)速度之快、數(shù)量之多、跨越能力之大為世人所矚目。然而，斜拉橋這一合理跨徑范圍廣、造型美觀多樣的橋型，卻面臨著一個(gè)挑戰(zhàn)性的問題——斜拉索的安全和耐久性問題，尤其是索體的銹蝕斷裂問題。

1 斜拉索使用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)及國際上用于斜拉橋拉索的結(jié)構(gòu)主要有兩種，即平行鋼絲拉索和鋼絞線拉索。鋼絞線拉索在美洲已較普遍使用，而在歐洲、亞洲、澳大利亞，兩種拉索體系都應(yīng)用在很多拉索結(jié)構(gòu)橋梁上。目前在美國鍍鋅鋼絲作斜拉索體系已不推薦使用，國際上著名的一些預(yù)應(yīng)力公司如:VSL，F(xiàn)RESSINET，DVWIDAG，BBR等均有各自成熟的鋼絞線、鋼絲拉索體系。鋼絲拉索結(jié)構(gòu)體系橋型本身具有一些特點(diǎn)，拉索防護(hù)體系容易受到各種損壞，這可能會(huì)導(dǎo)致不得不進(jìn)行換索(也包括拉索結(jié)構(gòu)類似的拱橋吊桿)，而近年來這種情況越來越多。如紅水河橋、海印橋、濟(jì)南黃河橋、恒豐路橋、石門橋、犍為橋、廣州九江橋、南昌八一橋等已換索。封閉交通所引起的間接損失也很大。國內(nèi)斜拉索的實(shí)際使用壽命一般不超過20年。

2 斜拉索銹蝕病害

斜拉索是斜拉橋的重要受力構(gòu)件。斜拉索在長期運(yùn)營中遭受活載、風(fēng)雨振以及日照、腐蝕性氣體侵蝕等因素的反復(fù)作用，很容易出現(xiàn)外包護(hù)套破損、局部鋼絲銹蝕斷裂、錨固系統(tǒng)銹蝕等病害，從而降低了斜拉索體系的使用壽命。一般情況下，大橋斜拉索設(shè)計(jì)使用年限為30年，但受到以上各種因素的影響，斜拉索使用壽命極難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

在拉索制造過程中護(hù)套受到初始損傷;在卷盤運(yùn)輸過程中護(hù)套由于應(yīng)變過大而開裂;在施工過程中拉索護(hù)套表面磨損，甚至被尖銳物體劃破;在運(yùn)營過程中環(huán)境、溫度、交通荷載等作用甚至是車輛意外撞擊;在拉索檢測(cè)過程中沿拉索移動(dòng)的檢測(cè)小車摩擦擠壓拉索;由于拉索護(hù)套HDPE老化等因素，都可能導(dǎo)致護(hù)套損傷甚至破裂，水分滲入、鋼絲暴露。

斜拉索是由高強(qiáng)抗拉材料和耐腐蝕防護(hù)材料組成的。高強(qiáng)材料一般采用鋼材，也就是高強(qiáng)鋼絲。斜拉索腐蝕的主要原因是高強(qiáng)鋼絲與周圍介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用，造成氧化還原反應(yīng)。在腐蝕性介質(zhì)中，鋼絲會(huì)與腐蝕性介質(zhì)發(fā)生廣義氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致鋼絲表面的鍍鋅和鋼材變成離子形式，進(jìn)而與其他物質(zhì)結(jié)合成銹蝕產(chǎn)物，最終改變鋼絲的表面形態(tài)和力學(xué)性能，這一過程就是鋼絲的銹蝕。鋼絲在拉索環(huán)境下的銹蝕速度不屬于通常的大氣腐蝕，由于護(hù)套環(huán)境的影響，拉索鋼絲的銹蝕速度快于正常大氣下的。

鍍鋅的銹蝕:Zn→Zn2++2e

鍍鋅的銹蝕程度可以表示成:D=AT。

碳鋼的銹蝕:Fe→Fe2++2e

碳鋼的銹蝕程度可以表示成:D=ATn。

其中，T為鋼絲使用年份;A為金屬第一年的銹蝕程度;n為常數(shù)。

3 斜拉索檢測(cè)與監(jiān)測(cè)

3.1 索體損傷的檢測(cè)技術(shù)方法

1)目視檢測(cè)方法。也就是人工檢測(cè)，主要是根據(jù)鋼絲的外觀變化判斷鋼絲的銹蝕程度。觀察護(hù)套的表面情況，根據(jù)情況來分析確定是否有必要打開錨固區(qū)或者將所需部位的護(hù)套位鑿開，露出鋼絲，這樣就可以直接查看銹蝕、斷絲的情況。有些時(shí)候還需要取樣部分鋼絲，進(jìn)行物理和力學(xué)等相關(guān)試驗(yàn)，以確定纜索的狀態(tài)。該法直觀、方便，但有損檢測(cè)，只能定性分析。

2)磁性檢測(cè)方法。磁性檢測(cè)方法的使用基礎(chǔ)是纜索的磁特性。用一個(gè)永久磁鐵勵(lì)磁回路將纜索磁化，纜索相對(duì)于勵(lì)磁回路運(yùn)動(dòng)時(shí)，只要遇到斷絲，斷口處就會(huì)產(chǎn)生向外泄漏的漏磁場(chǎng);或者，如果纜索中金屬截面總面積發(fā)生變化，勵(lì)磁回路中的主磁通量就會(huì)隨之改變。根據(jù)這個(gè)原理，用儀器測(cè)量磁場(chǎng)的這些變化參數(shù)，我們就會(huì)獲得纜索中的缺陷狀況。此法可無損檢測(cè)，斷絲檢測(cè)靈敏度高，但檢測(cè)精度受外界干擾大。

3)放射線檢測(cè)方法。放射線法可探測(cè)索體的多種缺陷和損傷。它的檢測(cè)原理是:當(dāng)射線通過接受檢測(cè)的物體時(shí)，物體的缺陷部位和無缺陷部位對(duì)射線的吸收能力是不一樣的，通常情況下透過有缺陷部位的射線強(qiáng)度要比無缺陷部位的射線強(qiáng)度高，因此通過檢測(cè)透過接受檢測(cè)的物體后的射線強(qiáng)度的不同，可以判斷物體中是否有缺陷存在。但為了屏蔽輻射，射線裝置往往較大。

4)超聲波測(cè)試檢測(cè)方法。20世紀(jì)末美國、日本等一些國家研究了應(yīng)用超聲波檢測(cè)技術(shù)來檢測(cè)斜拉索錨固區(qū)內(nèi)鋼絲斷裂情況的技術(shù)。據(jù)相關(guān)報(bào)道，當(dāng)頻率保持在5 MHz～10 MHz時(shí)，超聲波可檢測(cè)到錨固區(qū)內(nèi)2 m～5 m長度內(nèi)纜索的斷絲情況。這項(xiàng)技術(shù)可以作為檢測(cè)拉索的一種選擇，但是還存在一些困難。首先，想要得到比較理想的檢測(cè)結(jié)果，必須事先進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定;其次，超聲波測(cè)試技術(shù)難以檢測(cè)錨固區(qū)外的纜索。

5)電反射技術(shù)檢測(cè)方法。電反射技術(shù)檢測(cè)方法包括電時(shí)域反射(ETDR)和電頻域反射技術(shù)(EFDR)。電時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)是一種先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，是在高速脈沖技術(shù)迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上出現(xiàn)的。其原理是對(duì)傳輸系統(tǒng)發(fā)出高速脈沖信號(hào)，接收器接受反射信號(hào)，由此可以分析判斷傳輸系統(tǒng)的阻抗特性，判斷出多個(gè)不連續(xù)點(diǎn)的位置、性質(zhì)和大小。測(cè)試過程直觀形象，ETDR波形能直觀反映互連的物理結(jié)構(gòu)。EFDR測(cè)量原理是將掃頻信號(hào)輸入到待測(cè)的傳輸線/天線，并將其反射信號(hào)的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)快速傅里葉變換轉(zhuǎn)換為時(shí)域信息。電頻域反射技術(shù)可以獲得比時(shí)域分析更簡(jiǎn)潔更明確的結(jié)果，而且在消除噪聲對(duì)分析結(jié)果的影響方面也更勝一籌。

3.2 索體損傷的監(jiān)測(cè)技術(shù)方法

1)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)法。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的基本原理是:當(dāng)固體材料的內(nèi)部發(fā)生缺陷并擴(kuò)展時(shí)，會(huì)釋放能量，這種能量以彈性波的形式向四周傳播，此時(shí)缺陷就成為聲發(fā)射源，這種方法是一種“被動(dòng)”型監(jiān)測(cè)。對(duì)索體進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，纜索鋼絲具有很高的拉應(yīng)力，一旦有裂紋、腐蝕或斷絲出現(xiàn)，其局部高應(yīng)力的釋放會(huì)產(chǎn)生特定的應(yīng)力波，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以捕捉到這種應(yīng)力波，記錄下來并分析其所代表的物理過程。使用時(shí)，需要保持聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)持續(xù)工作，只要有應(yīng)力波(聲波)出現(xiàn)，就將其記錄下來。2)振動(dòng)法。拉索內(nèi)力的檢測(cè)監(jiān)測(cè)都可以用振動(dòng)法。振動(dòng)測(cè)試法是目前應(yīng)用最廣的一種索力測(cè)試方法，振動(dòng)測(cè)試法要求纜索具有清楚的長度、線密度和邊界條件，且纜索不能過短、過長、過粗或者有中間支撐等。滿足這些要求后，在測(cè)試前標(biāo)定索力和頻率的關(guān)系，然后恰當(dāng)使用振動(dòng)法就能準(zhǔn)確測(cè)定出纜索的靜張力。已有的振動(dòng)法的使用受到一些條件的限制，因此該方法也在不斷的發(fā)展中。

4 斜拉索防護(hù)及小結(jié)

現(xiàn)有拉索系統(tǒng)銹蝕防護(hù)方法主要有:鍍鋅、灌水泥漿、灌環(huán)氧材料、包環(huán)氧外套、采用防銹油脂和蠟、在單根鋼絲外包塑料皮、護(hù)套、纏包帶。斜拉索養(yǎng)護(hù)也面臨著一些困境:由于缺乏理論指導(dǎo)，忽視拉索檢測(cè)，管理部門未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)拉索中存在的病害，導(dǎo)致斷索事故發(fā)生;管理單位一旦發(fā)現(xiàn)拉索病害，由于心理恐懼，為確保結(jié)構(gòu)的絕對(duì)安全，在拉索遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)際使用壽命時(shí)就開始換索，造成大量浪費(fèi);在決定換索后，由于拉索退化程度及結(jié)構(gòu)體系狀態(tài)不明，設(shè)計(jì)單位制訂的換索方案使斜拉橋結(jié)構(gòu)的可靠度指標(biāo)在換索過程中大幅降低，甚至可能釀成事故。目前已建成的斜拉橋的拉索體系都或多或少出現(xiàn)了各種病害。這不僅影響橋梁正常使用性能，甚至?xí)?dǎo)致橋梁主體結(jié)構(gòu)的安全隱患。因此加強(qiáng)斜拉索體系的檢測(cè)監(jiān)測(cè)和養(yǎng)護(hù)維修工作，對(duì)延長斜拉索使用壽命，確保橋梁的安全運(yùn)營有著十分重要的意義。目前各研究機(jī)構(gòu)或高校都在對(duì)拉索的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)進(jìn)行深入探索和研究。最終目的都是希望能隨時(shí)摸清掌握拉索的病害損傷情況，隨時(shí)可以判斷拉索的剩余使用壽命，從而及時(shí)對(duì)拉索進(jìn)行維護(hù)或更換，這樣就能有效避免橋梁跨塌、人民生命財(cái)產(chǎn)受損失等惡性事件的發(fā)生。同時(shí)對(duì)斜拉索的防護(hù)體系、鋼絲復(fù)合材料及減振避振措施方面的研究也在不斷進(jìn)展?？梢灶A(yù)見將來的拉索體系必將是綜合考慮材料、防護(hù)、檢測(cè)及監(jiān)測(cè)的全方位智能拉索。

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