李元兵

（上海同濟建設(shè)工程質(zhì)量檢測站，上海市 200092）

柔性吊桿拱橋吊桿索體病害特征及檢測指標(biāo)

李元兵

（上海同濟建設(shè)工程質(zhì)量檢測站，上海市 200092）

針對柔性吊桿拱橋吊桿索體的退化行為，系統(tǒng)地總結(jié)了柔性吊桿索體的安全性和耐久性病害特征。指出吊桿索體的安全性病害主要為鋼絲銹蝕、開裂、斷裂、吊桿偏位及彎曲變形，其中鋼絲孔蝕導(dǎo)致的開裂或斷裂是主要因素。同時，針對現(xiàn)行規(guī)范中關(guān)于柔性吊桿索體檢測指標(biāo)方面的不足，在總結(jié)吊桿索體安全與耐久性能檢測指標(biāo)的基礎(chǔ)上，建立了柔性吊桿索體服役健康狀態(tài)的檢測指標(biāo)體系。

柔性吊桿拱橋；吊桿索體；病害特征；檢測指標(biāo)；孔蝕

0　引言

現(xiàn)代柔性吊桿拱橋通常為拱、吊桿和梁的組合體系，其結(jié)構(gòu)行為區(qū)別于純拱結(jié)構(gòu)且更為復(fù)雜。從已有毀橋事故或吊桿更換的現(xiàn)象看，柔性吊桿拱橋橋面坍垮或吊桿更換的起因大多是運營階段吊桿斷裂或功能嚴(yán)重退化，其損傷機理有別于拱橋失穩(wěn)或振動破壞。由于受各種內(nèi)、外因素（設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、使用年限、投資數(shù)額、工程材料、外部環(huán)境、養(yǎng)護質(zhì)量、交通量、作用荷載、偶然事故等）錯綜復(fù)雜的交互影響，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部必然會產(chǎn)生變異，導(dǎo)致承載力逐漸降低，再加上橋梁的銹蝕、老化、疲勞、破損，給橋梁的正常使用埋下了隱患。目前，我國大量20世紀(jì)90年代左右建造的吊桿拱橋，均出現(xiàn)了各種類型的吊桿索體病害，如護套開裂、吊桿索體斷裂等等。這些病害不僅使橋梁結(jié)構(gòu)存在較大的安全隱患甚至垮塌風(fēng)險，而且也對大橋的養(yǎng)護管理及設(shè)計維修提出了更高的要求。

本文結(jié)合大量實橋的資料調(diào)研及深度檢測結(jié)果，通過理論分析、現(xiàn)場測試、數(shù)值模擬及試驗數(shù)據(jù)分析，詳細(xì)而有針對性地對吊桿索體的病害進行了全面系統(tǒng)的梳理，總結(jié)了可應(yīng)用于實橋檢測與評定的病害特征；同時建立了吊桿索體的檢測指標(biāo)體系，為其技術(shù)狀況與承載力評定奠定一定的基礎(chǔ)。

1　吊桿索體病害特征及分析

由于吊桿在運輸或施工過程中的損傷或使用過程中的老化、鍍鋅鋼絲銹蝕、開裂、斷絲等原因，相當(dāng)一部分吊桿在拱橋建成后不久便出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷，有的不得不提前維修或更換，甚至極個別斷裂導(dǎo)致橋梁倒塌［1-4］。根據(jù)吊桿索體的病害調(diào)查結(jié)果以及病害發(fā)生的部位和影響，可將吊桿索體的病害分成：（1）安全性病害：包括吊桿內(nèi)鋼絲銹蝕、開裂、斷裂，吊桿偏位、彎曲變形等。（2）耐久性病害：包括護套病害，護套內(nèi)積水或冷凝水，填充層防護失效，吊桿套管銹蝕、滲油、積水等。

1.1安全性病害

1.1.1鋼絲銹蝕

鋼絲銹蝕在既有吊桿索體病害調(diào)查中占絕大部分。它是導(dǎo)致鋼絲開裂或斷絲的起點，是吊桿承載力和使用壽命降低的直接原因。它和疲勞一起成為吊桿損傷演化的主要機制。如合肥壽春路橋由于防護工藝不到位，鋼管內(nèi)進水，導(dǎo)致鋼絲不同程度銹蝕；廣西邕寧邕江大橋短吊桿外護管斷裂導(dǎo)致滲水，導(dǎo)致吊桿鋼絞線嚴(yán)重銹蝕；樂山沙灣大渡河橋由于吊桿PE管老化變形，內(nèi)部灌漿不密實而積水，導(dǎo)致鋼絞線銹蝕較重；杭州葉青兜橋由于吊桿內(nèi)積水、砂漿不均勻、部分鋼絲裸露導(dǎo)致鋼絲明顯銹蝕。重慶石門大橋也因防護失效導(dǎo)致鋼絲嚴(yán)重銹蝕。防護措施失效導(dǎo)致鋼絲與銹蝕性介質(zhì)接觸并發(fā)生電化學(xué)等反應(yīng)是鋼絲銹蝕的主要原因。進入索體內(nèi)部的雨水、潮濕空氣，甚至微生物均可能導(dǎo)致鋼絲銹蝕。

吊桿內(nèi)鋼絲銹蝕的類型主要為均勻銹蝕和孔蝕。均勻銹蝕指鋼絲表面受到均勻的銹蝕，表面各處所受的銹蝕程度和深度相等?？孜g是指鋼絲在大部分表面不發(fā)生銹蝕或銹蝕很輕微，但在個別點或微小區(qū)域內(nèi)鋼絲表面出現(xiàn)蝕孔或麻點，且隨著時間的推移，蝕孔不斷向縱深方向發(fā)展，形成小孔狀銹蝕坑。鋼絲均勻銹蝕和孔蝕均改變鋼絲幾何形狀，但兩者對鋼絲脆斷的貢獻(xiàn)卻不盡相同。均勻銹蝕均勻減小鋼絲橫截面，但截面仍為圓形，僅改變鋼絲沿縱向的圓柱體形狀，鋼絲的強度和延性基本無變化。而孔蝕則由于在鋼絲表面形成局部銹蝕坑而改變鋼絲橫截面，使其截面由圓形變?yōu)榉菆A形，鋼絲的強度與延伸率顯著下降、甚至出現(xiàn)尖錐狀斷絲。銹蝕初期為小范圍片狀銹斑，較難實施無損檢測，后期逐步演化為大面積鐵銹布滿鋼絲表面，無損檢測時難度適度降低。鋼絲銹蝕的病害特征主要表現(xiàn)為：（1）鍍鋅層均勻銹蝕，鋼絲表面具有金屬光澤，但局部出現(xiàn)白色鋅粉；（2）鍍鋅層均勻銹蝕，鋼絲表面覆滿白色鋅粉，但未見鐵銹痕跡；（3）鍍鋅層與鋼絲均勻銹蝕，鋼絲表面的白色鋅粉中出現(xiàn)鐵銹；（4）鋼絲均勻銹蝕，鋼絲表面的鐵銹數(shù)量增多，部分銹斑連接成片，但鐵銹面積比白粉面積??；（5）鋼絲均勻銹蝕，鋼絲表面大面積黃色銹斑，大部分銹斑連接成片，鐵銹面積比白粉面積大；（6）鋼絲均勻銹蝕，鐵銹布滿鋼絲表面，鋅粉基本消失；（7）鋼絲孔蝕，鋼絲表面形成小孔狀銹蝕坑；（8）鋼絲孔蝕，蝕孔數(shù)量增多且向縱深發(fā)展；（9）鋼絲孔蝕，蝕孔非常深，鋼絲截面削弱嚴(yán)重，幾何形狀“非圓”；（10）嚴(yán)重銹蝕（均勻銹蝕、孔蝕），鋼絲局部接近斷裂（見圖1）。

圖1　吊桿索體內(nèi)鋼絲銹蝕的病害特征之實景

1.1.2鋼絲開裂、斷絲

鋼絲開裂在檢測時較少被發(fā)現(xiàn)，且所有已檢測到的鋼絲開裂均出現(xiàn)在銹蝕處。由于銹蝕產(chǎn)物遮蓋，裂紋難以檢測，多數(shù)情況下，僅當(dāng)鋼絲斷絲后其裂紋才被發(fā)現(xiàn)。鋼絲開裂主要由于均勻腐蝕及孔蝕使鋼絲截面削弱、幾何形狀改變、表面粗糙度增加從而導(dǎo)致鋼絲極限延伸率下降、蝕坑底部應(yīng)力強度因子增加造成的，主要包括應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞開裂兩種機制。應(yīng)力腐蝕是指鋼絲在特定腐蝕介質(zhì)和靜應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生滯后開裂、甚至發(fā)生滯后斷裂的腐蝕現(xiàn)象。腐蝕疲勞是指鋼絲在循環(huán)應(yīng)力和腐蝕環(huán)境協(xié)同、交互作用下因開裂或脆性斷裂而提前失效的現(xiàn)象。

鋼絲斷絲在吊桿中非常普遍。鋼絲斷裂將影響吊桿的承載能力，使吊桿安全系數(shù)降低，并引發(fā)其他鋼絲的應(yīng)力增大而加速破壞。根據(jù)實橋鋼絲的檢測資料，鋼絲斷裂有4種典型形態(tài)（如圖2所示）［5］：（1）A型斷絲，在檢測General U.S.Grant Bridge時被發(fā)現(xiàn)。斷絲始于裂紋，初始時裂紋擴展方向垂直于鋼絲，但當(dāng)裂紋面積接近鋼絲截面積50%時，裂紋擴展方向突然傾斜45°，形成貫穿裂紋；（2）B型斷絲，在檢測Mid-Hudson Bridge時被發(fā)現(xiàn)。斷絲始于裂紋，初始時裂紋垂直鋼絲擴展，當(dāng)裂紋面積接近鋼絲截面積50%時，鋼絲突然斷裂，斷口呈鋸齒狀；（3）C型斷絲，這種斷絲始于裂紋，初始時裂紋垂直鋼絲擴展，當(dāng)裂紋面積接近鋼絲截面積50%時，裂紋擴展方向改變，新方向與原方向接近垂直。裂紋繼續(xù)擴展到一定程度后，擴展方向恢復(fù)至初始擴展方向，鋼絲快速斷裂；（4）D型斷絲，在石門大橋檢測中發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)斷絲屬于這種情況，斷絲處呈尖錐狀，附近未發(fā)現(xiàn)裂紋。其中，A、B、C型斷絲的平截面均是腐蝕疲勞作用的結(jié)果，但從不規(guī)則截面看，A、B型斷絲是在拉伸作用下的韌性斷裂形成的，C型斷絲則是應(yīng)力腐蝕作用形成的。D型斷絲是銹蝕單獨作用形成的。

圖2　鋼絲斷裂的典型形態(tài)之實景

1.1.3吊桿偏位、彎曲變形

由于吊桿橫向較柔，其吊桿索安裝時有偏差、主梁的擺動或橫向荷載作用下索將產(chǎn)生相對于錨具的彎曲、偏位等病害。對于柔性長吊桿，由于在錨具附近進入固結(jié)端而產(chǎn)生較大的彎矩，造成鋼絲在此處存在局部彎曲應(yīng)力，大小約占總應(yīng)力45%，并且由于柔性索橫向振動較大，易引起錨固處鋼絲的疲勞斷裂，降低吊桿的壽命。對于剛度較大的短吊桿，偏位和變形不但引起鋼絲應(yīng)力的增大，而且會造成拱圈與短吊桿相剪，對拱圈局部造成損傷。在因吊桿偏位變形產(chǎn)生較大局部應(yīng)力后，再由于柔性吊桿橫向振動較大，易引起錨固處鋼絲的疲勞斷裂，從而降低吊桿的壽命。

1.2耐久性病害

1.2.1護套病害

通過對部分橋梁吊桿的病害調(diào)查，發(fā)現(xiàn)絕大部分橋梁PE護套均出現(xiàn)橫向或縱向開裂，最短的不到1 a，最長的不到10 a。護套防護層病害將直接導(dǎo)致吊桿與外部環(huán)境接觸而引起鋼絲銹蝕。而且護套與吊桿上下連接筒間的連接處纏包帶的封閉情況也是薄弱環(huán)節(jié)，養(yǎng)護中應(yīng)給予重視。吊桿索體護套病害特征主要表現(xiàn)為：（1）護套劃痕、刮痕、凹坑，會導(dǎo)致護套開裂、破損；（2）護套老化、泛白，會導(dǎo)致護套開裂，或護套內(nèi)出現(xiàn)冷凝水；（3）護套龜裂，會導(dǎo)致護套開裂、滲水，鍍鋅層、鋼絲銹蝕；（4）護套環(huán)向開裂，會導(dǎo)致鍍鋅層、鋼絲銹蝕；（5）護套縱向開裂，會導(dǎo)致鍍鋅層、鋼絲銹蝕；（6）護套被吊桿阻尼器限位塊割傷而開裂，會導(dǎo)致鍍鋅層、鋼絲銹蝕；（7）護套上、下連接處密封橡膠圈破損、滲水、滲油，會導(dǎo)致錨頭銹蝕、積水；（8）護套燒傷；（9）護套撞損；（10）護套外鋼套管銹蝕、滲油（見圖3）。

圖3　吊桿索護套病害特征之實景

1.2.2護套內(nèi)積水或冷凝水

護套在老化、開裂、破損及填充層防護失效后均會導(dǎo)致護套內(nèi)存在積水或冷凝水，進而引發(fā)鋼絲鍍鋅層及基質(zhì)的銹蝕。如對南通市丁堡河橋部分吊桿護套解剖后發(fā)現(xiàn)，相當(dāng)部分的護套內(nèi)壁附著冷凝水，并滲透至鋼絲內(nèi)部，使護套內(nèi)鋼絲均處于潮濕的環(huán)境中，易引起鋼絲鍍鋅層及基質(zhì)的銹蝕。

1.2.3填充材料防護失效

水泥漿填充層防護失效的主要原因如下：（1）由于護套和水泥漿熱膨脹系數(shù)的差異，使得溫度較低時護套因收縮受漿體限制而環(huán)向開裂；（2）水泥壓漿壓力超出護套承載能力使護套開裂；（3）水泥在壓漿過程中未填滿鋼絲間的空隙，并且在硬化時出現(xiàn)干縮裂縫，這些裂縫和空隙降低了水泥對鋼絲的防蝕作用；（4）壓漿過程中往往出現(xiàn)泌水、沉淀與離析、空洞、漿體不密實、砂漿硬化后開裂等現(xiàn)象，特殊情況下還可能出現(xiàn)水泥漿長期不凝固的現(xiàn)象，惡化了鋼絲的使用環(huán)境，導(dǎo)致鋼絲銹蝕。水泥漿防護失效危害程度最大，影響最廣，國內(nèi)外許多橋梁的吊桿失效乃至換索均源自該類病害。黃油填充層防護失效主要表現(xiàn)為黃油揮發(fā)、霉變等。

1.2.4吊桿套管銹蝕、滲油、積水

上、下端吊桿套管積水的主要原因如下：（1）保護罩防護失效，水直接沿索體進入吊桿套管內(nèi)；（2）大多數(shù)老式防水罩因不能適應(yīng)吊桿擺動變形，使用一兩年便失效；（3）橋梁施工過程中防水與排水措施不夠，造成吊桿套管積水；（4）某些橋梁吊桿套管太短，沒有高于橋面，水直接流入吊桿套管內(nèi)造成積水；（5）冷凝水造成吊桿套管積水和潮濕度增加。

1.3各類病害比較

吊桿索體各類病害比較如表1所列。

表1　柔性吊桿拱橋吊桿索體各類病害比較表

2　吊桿索體檢測指標(biāo)

吊桿索體的檢測指標(biāo)體系如圖4所示。

3　結(jié)　論

對柔性吊桿拱橋結(jié)構(gòu)有效地進行檢測和評定關(guān)系到橋梁的安全運營與養(yǎng)護管理。針對國內(nèi)外相繼出現(xiàn)的吊桿拱橋工程事故，本文重點研究了柔性吊桿索體的病害特征與檢測指標(biāo)體系，主要結(jié)論如下：

圖4　吊桿索體檢測指標(biāo)體系圖

（1）吊桿索體的安全性病害主要為鋼絲銹蝕、開裂、斷裂、吊桿偏位及彎曲變形，其中鋼絲孔蝕導(dǎo)致的開裂或斷裂是主要因素；

（2）吊桿索體的安全性檢測指標(biāo)包括鋼絲銹蝕、鋼絲開裂、鋼絲斷裂、吊桿彎曲與偏位；

（3）吊桿索體的耐久性檢測指標(biāo)包括護套病害、填充材料防護失效、護套內(nèi)積水或冷凝水、預(yù)埋管防護失效。

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U448.21+6

A

1009-7716（2016）07-0288-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.086

2016-04-21

李元兵（1979-），男，湖北應(yīng)城人，博士，工程師，從事橋梁檢測與評估、施工監(jiān)控及結(jié)構(gòu)退化等技術(shù)研究工作。