羅炎波

（寧波交通工程建設集團有限公司，浙江 寧波 315000）

跨海斜拉橋拉索冷鑄墩頭錨退化分析及預養(yǎng)護

羅炎波

（寧波交通工程建設集團有限公司，浙江 寧波 315000）

通過資料調(diào)研及實橋調(diào)查，系統(tǒng)總結了斜拉索冷鑄墩頭錨的病害特點及其退化規(guī)律。接著，指出鋼絲墩頭銹蝕、內(nèi)外螺紋銹蝕是冷鑄墩頭錨的主要退化風險。同時，運用力學和統(tǒng)計方法進行了冷鑄墩頭錨的退化預測，并在此基礎上確定了冷鑄墩頭錨的預防性養(yǎng)護最佳時機。

跨海斜拉橋；斜拉索；冷鑄墩頭錨；退化；預防性養(yǎng)護時機

0 引言

斜拉索錨頭技術狀況的退化影響其耐久性，嚴重惡化時將影響錨頭乃至大橋的安全。既有文獻及相關規(guī)范對錨頭病害的疏理較為粗糙，無法全面反映錨頭服役的健康狀態(tài)及維修保養(yǎng)對結構 性 能的 影響 。 目 前 ，橋 梁 預 防 性 養(yǎng) 護[1-2]還 只 是一個概念，尚未形成系統(tǒng)的理論框架和技術規(guī)范，并且均根據(jù)中小跨徑橋梁的技術統(tǒng)計資料得出的預防性養(yǎng)護時機預測結論。針對跨海鋼箱梁斜拉橋的預防性養(yǎng)護研究尚處于起步階段。因此，本文重點針對跨海斜拉橋拉索冷鑄墩頭錨病害特點與退化規(guī)律，以及預養(yǎng)護時機、檢測內(nèi)容和處治措施展開研究，為此類橋梁的預防性養(yǎng)護研究奠定基礎。

1 錨頭病害特征

1.1 錨頭銹蝕

銹蝕是拉索錨頭病害的主要表現(xiàn)形式，通常出現(xiàn)在錨杯外螺紋等易于積水積塵的部位。如果拉索錨杯未設置保護罩或保護罩密封不嚴，則可能導致保護罩、錨杯內(nèi)外螺紋甚至鋼絲墩頭銹蝕。錨頭銹蝕不會直接影響其受力性能，但會降低其抗疲勞性能，從而影響其安全性。錨頭銹蝕主要表現(xiàn)為鋼絲墩頭銹蝕、錨杯內(nèi)螺紋銹蝕、錨杯外螺紋銹蝕及保護罩銹蝕等（見圖1）。

圖1 錨頭銹蝕實景

1.2 錨頭積水、滲水

錨頭積水、滲水（見圖2）是拉索最常見、最直觀、可檢測的病害之一，是引起拉索鋼絲銹蝕的前兆。拉索在運營一定階段后均會出現(xiàn)此類病害。滲水源于橋面或索面雨水、拉索套筒內(nèi)冷凝水及將軍帽橡膠密封處滲水等。錨頭積水、滲水應及時處治，及時檢查保護罩的嚴密性，墩頭螺栓的銹蝕情況，防止拉索鋼絲和錨頭因滲水而產(chǎn)生進一步銹蝕。

圖2 拉索下錨頭積水、滲水實景

1.3 防護材料揮發(fā)、失效

拉索錨頭內(nèi)防護材料滲漏、霉變、揮發(fā)、失效（見圖3）是拉索最常見、最直觀、可檢測的病害之一，是引起拉索錨頭銹蝕的前兆。由于錨頭內(nèi)的防護材料多為黃油或防腐油脂，長期使用后極易造成錨杯內(nèi)的防腐油脂滲漏、霉變、揮發(fā)、失效，從而導致錨杯內(nèi)螺紋及墩頭鋼絲銹蝕，降低錨頭的耐久性。

圖3 拉索下錨頭防護油脂滲漏實景

2 病害評分模型及預防性養(yǎng)護時機

2.1 病害評分模型

評價指標的合理與否決定橋梁退化模型和橋梁養(yǎng)護時機選擇模型的合理程度，從而影響?zhàn)B護體系的實施效果。預防性養(yǎng)護研究的使用性能評價指標的選擇應注重三方面內(nèi)容：一是選取的指標能夠表征橋梁的現(xiàn)有狀況，使得主觀評價與客觀實際最大的逼近，能夠最準確地反映客觀實際；二是評判此性能評價指標的標準明確、直觀、可靠，可以通過指標準確地評價橋梁所處狀態(tài)，為養(yǎng)護部門確定養(yǎng)護計劃提供依據(jù)；三是此指標適用于預防性養(yǎng)護體系，根據(jù)此指標可得到明確的橋梁結構退化曲線，衡量預防性養(yǎng)護措施效益，確定措施實施時機。目前橋梁預防性養(yǎng)護體系多采用橋梁“技術狀況評分”Dr或“技術狀況指數(shù)”BCI作為橋梁使用性能評價指標。Dr或 BCI反映的是橋梁整體技術狀況的退化規(guī)律，但不能反映橋梁不同部件、不同病害的演變時程。而同一座橋梁不同部件、構件或不同病害的退化程度和速度不盡相同，所以獲得不同病害的評分模型更有助于預防性養(yǎng)護策略的建立。在《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/TH21-2011）[3]、《城市橋梁養(yǎng)護技術規(guī)范》（CJJ99-2003）[4]中，通過現(xiàn)場檢查可以對橋梁總體、上部結構、下部結構及橋面系三大部位等部件分別進行打分評定，而對具體病害則是以檢測指標的“標度”值進行評定。這里根據(jù)規(guī)范的評定細則，分析獲得類似橋梁總體評定的百分制的病害評定值。每個病害對應一個或多個檢測指標，而根據(jù)規(guī)范每個檢測指標的扣分值與該指標所能達到的最高等級類別有關，病害的評分值又與相關的構件數(shù)有關。舉例說明病害評分過程如下。假定構件數(shù)量為 N，某個病害的評定標度值為（i=1～N），此類病害的構件數(shù)占比為 β（1/N≤β≤1，構件病害權重系數(shù)，反映該構件此類病害的嚴重程度）。根據(jù)規(guī)范，可以查得該病害評定標度所對應的扣分值，然后仿照橋梁部件技術狀況評分算式可以計算該病害的評分值V：

式中：MDP為 N 個構件該類病害評分的平均值，即為 N 個構件中分值最低的 構 件 的 得 分 值 ，Mmin=100-max （DPi）；t 為規(guī) 范 中的與N有關的系數(shù)。

對于某類病害對應多個檢測指標的病害，其評分值V的計算過程與上面相似，只是在計算MDP 時對多個指標扣分值進行平均。通過式（1），一旦確定某類病害預防性養(yǎng)護的目標，即可據(jù)此確定此類病害達到何種嚴重程度時即可進行預防性養(yǎng)護。

2.2 預防性養(yǎng)護的目標及時機選擇策略

預防性養(yǎng)護的效果與采取預防性養(yǎng)護措施時橋梁結構狀態(tài)有關，及早對橋梁實施預防性養(yǎng)護，可使橋梁長期處于較好的狀態(tài)，避免橋梁結構因退化嚴重而產(chǎn)生過大的維護費用，當然過早實施預防性養(yǎng)護可能達不到成本—效益最優(yōu)化的目的，因此需要解決兩個問題，即：（1）橋梁最低控制分數(shù)；（2） 預防性養(yǎng)護初次開展時間的合理范圍?！豆窐蛄杭夹g狀況評定標準》的橋梁技術狀況分類：（1）結構分數(shù)為[80,100]（橋梁處于 1 類橋、2 類橋狀態(tài)）時，橋梁結構處于較好的工作狀況，做好日常必要的維護即可；（2）結構分數(shù)為[60,80）（3 類橋）時，結構盡管存在一定病害，但功能尚可，通過中小規(guī)模的維修即能將結構狀態(tài)提升至1類橋或2 類橋；（3）結構分數(shù)為[0,60）（4 類橋、5 類橋）時，橋梁結構存在較大或嚴重的病害，對結構的安全性及耐久性有很大影響，往往需要通過大中修、甚至改建才能將結構恢復到較好的水平，并將付出巨大的維護成本。比較后認為將預防性養(yǎng)護中橋梁的最低控制分數(shù)定為 60 是合理的，即橋梁結構的總體狀態(tài)控制為不低于3類橋，避免橋梁出現(xiàn)過大的結構病害；結構的預防性養(yǎng)護的初次開展時間控制在 80分左右是合適的，即結構尚處在 2類橋時就可根據(jù)病害特點開展預防性養(yǎng)護工作，這使得結構的維護費用較少，比較經(jīng)濟。

具體到某一類病害，則需考慮病害的成因、對結構的影響及所采用的預防性養(yǎng)護方法等方面，綜合確定預防性養(yǎng)護的開展時機。預防性養(yǎng)護實施效果將影響預防性養(yǎng)護的策略制定，需對預防性養(yǎng)護實施后結構性能變化及發(fā)展趨勢進行評價，預防性養(yǎng)護方法實施后對結構的影響可分三種情況：（1）不提高橋梁分數(shù)，延遲分數(shù)降低的時間，該時段內(nèi)不再繼續(xù)退化；（2）不提高橋梁分數(shù)，降低結構退化率，在固定時間內(nèi)，退化率小于正常退化時結構的退化率；（3）提高橋梁分數(shù)，退化率保持不變，仍按原退化規(guī)律發(fā)展。實施時將不同效果加以比較，取主導作用的一種按上述原則進行歸類，不考慮其余部分對結構的有利作用，這樣做對結構也是有利的。另一方面，由于橋梁病害的成因不同，不同病害對結構的影響不同，不同病害所采取的預防性養(yǎng)護方式也不同，預防性養(yǎng)護工作的開展要針對具體病害，對不同的病害提出不同的預防性養(yǎng)護時機并分別實施，使預防性養(yǎng)護工作有的放矢；此外由于不同病害的預防性養(yǎng)護開展時間不同，可將預防性實施過程分散在橋梁的日常性養(yǎng)護工作中。

3 錨頭退化分析及預防性養(yǎng)護時機

3.1 錨頭銹蝕的退化分析及預養(yǎng)護時機

錨頭銹蝕一般包括錨頭內(nèi)外螺紋、錨杯、錨板、鋼絲墩頭、保護罩、連接桿等銹蝕。錨頭內(nèi)外螺紋銹蝕是其主要的安全隱患，一旦螺紋在交變應力和腐蝕環(huán)境作用下出現(xiàn)不同缺陷，便會降低錨頭的錨固性能甚至使錨頭失效。主要包括：螺紋均勻銹蝕、螺紋點蝕和斷扣、螺牙凹痕變形、螺牙高度不夠、螺紋根部裂紋及螺紋滑牙。鋼絲墩頭銹蝕后往往會在錨板鋼絲墩頭處產(chǎn)生變形甚至疲勞開裂，影響鋼絲墩頭的錨固性能，對冷鑄墩頭錨產(chǎn)生較大的安全威脅。鑒于此因，從錨頭銹蝕的機理出發(fā)尚無法全面得出海洋性環(huán)境下此類病害的初次養(yǎng)護時機，需按病害退化規(guī)律和預養(yǎng)護時機共同來確定初養(yǎng)護時間。由于現(xiàn)行規(guī)范中對冷鑄墩頭錨銹蝕病害的評定標準尚不能充分合理地反映實橋服役狀況，現(xiàn)結合相關研究成果及檢測經(jīng)驗確定其分級評定標準如表1、表2 所列。以象山港大橋為例進行討論。依據(jù)式（1）可知，拉索錨頭銹蝕的評分值與構件病害權重系數(shù)β的關系為V=100-31β-35/2.4。可知，當 V=80 分時，β=17.47%，即全橋約 15%的拉索錨頭銹蝕病害評定標度為 2時，展開初次預防性養(yǎng)護較為合理。

另一方面，對于確定的地區(qū)，錨頭銹蝕過程規(guī)律的經(jīng)驗公式為 D=A·t·h，其中：D 為腐蝕深度，mm；A 為第一年的腐蝕深度，mm/a；t為腐蝕持續(xù)時間，a；n 為與腐蝕材料與環(huán)境有關的常數(shù)。按照國 內(nèi) 大 氣 腐 蝕 站 碳 鋼 腐 蝕 數(shù) 據(jù)[5-6]，寧 波 區(qū) 域 海 洋性 環(huán) 境 下 ，n 取 0.45， 而 錨 頭 的 銹 蝕 速 率 A 取0.083 ，按照表1、表2 中銹蝕分級評定標準中標度2的定性描述，以鋼絲墩頭銹蝕和錨杯內(nèi)外螺紋銹蝕 1 mm 為控制即可，相應估算出年限約為 5～7 a。因此，若發(fā)現(xiàn)某根拉索錨頭鋼絲墩頭或內(nèi)外螺紋出現(xiàn)銹蝕且滿 5 a，或發(fā)現(xiàn)全橋約 15%的拉索存在錨頭墩頭鋼絲銹蝕深度小于 1 mm，或內(nèi)外螺紋存在普遍浮銹且外螺紋銹蝕延伸至螺帽處、氧化皮剝落且表面存在少量銹坑，可考慮展開初次預防性養(yǎng)護。

表1 鋼絲墩頭銹蝕分級評定標準一覽表

表2 錨杯內(nèi)外螺紋銹蝕分級評定標準一覽表

3.2 錨頭積水滲水的退化分析及預養(yǎng)護時機

錨頭評定時需關注錨頭積水、滲水及錨頭內(nèi)潮濕狀況。結合相關研究成果及檢測經(jīng)驗確定其分級評定標準如表3所列。錨頭積水、滲水病害從其機理出發(fā)無法得出其初次養(yǎng)護時機，需按病害退化規(guī)律和預養(yǎng)護時機來確定初養(yǎng)護時間。依據(jù)式（1）可知，象山港大橋拉索錨頭積水、滲水病害的評分值與構件病害權重系數(shù) β 的關系為V=100-25β-25/2.4?？芍?，當 V=80 分時，β=38.33%，即全橋約 35%的拉索錨頭積水、滲水病害評定標度為 2 時，展開初次預防性養(yǎng)護較為合理，即發(fā)現(xiàn)全橋約 35%的拉索錨頭內(nèi)有少量積水或水汽且空氣濕度小于 40%，可展開初次預養(yǎng)護。如果發(fā)現(xiàn)某根拉索錨頭積水、滲水較嚴重，為防止錨頭出現(xiàn)嚴重銹蝕，可立即養(yǎng)護處理。具體情況以檢測過程中發(fā)現(xiàn)的病害情況為參考。

表3 錨頭積水、滲水分級評定標準一覽表

3.3 防護材料揮發(fā)失效退化分析及預養(yǎng)護時機

錨頭內(nèi)防護材料多以防腐油脂等材料為主，作為錨頭內(nèi)的主要防腐措施，一旦其揮發(fā)、失效，錨頭內(nèi)便會形成積水，進而導致錨頭銹蝕。結合相關研究成果及檢測經(jīng)驗確定其分級評定標準如表4 所列。依據(jù)式（1）可知，象山港大橋拉索錨頭積水、滲水病害的評分值與構件病害權重系數(shù)β的關系為 V=100-20 β-20/2.4?？芍?V=80 分時，β=58.33%，即全橋約 55%的拉索錨頭內(nèi)防護材料揮發(fā)、失效病害評定標度為 2 時，展開初次預防性養(yǎng)護較為合理。

表4 防護材料揮發(fā)、失效分級評定標準一覽表

4 結語

（1）本文系統(tǒng)總結了斜拉索冷鑄墩頭錨的病害特點，分析各類病害對拉索錨頭安全性和耐久性的影響，指出了拉索冷鑄墩頭錨預防性養(yǎng)護的主要病害為錨頭銹蝕、錨頭積水滲水、防護材料揮發(fā)失效。

（2）依據(jù)不同病害的退化程度評價，給出了病害預防性養(yǎng)護的目標及時機選擇。

（3）分別從錨頭銹蝕、錨頭積水滲水、防護材料揮發(fā)失效三方面對其退化行為進行了分析，并結合病害退化規(guī)律及預養(yǎng)護時機選擇，確定了拉索錨頭不同病害的初次預防性養(yǎng)護時機。

[1]Tserng H P,Yin S,Chung C L.Maintenance strategy for bridge components on the basis of performance[J].Journal of performance of constructed facilities,2009,23(4）:234– 243.

[2]Van Noortwijk J M,Frangopol D M.Two probabilistic life-cycle maintenance models for deteriorating civilinfrastructures[J]. Probabilistic Engineering Mechanics,2004,19(4）:345–359.

[3]JTG/TH 21-2011，公路橋梁技術狀況評定標準[S].

[4]CJJ 99-2003，城市橋梁養(yǎng)護技術規(guī)范[S].

[5] 曹楚南.中國材料的自然環(huán)境腐蝕[M].北京：化學工業(yè)出版社, 2005.

[6] 梁彩鳳,侯 文泰.鋼的 大氣 腐蝕 預測[J]. 中 國 腐 蝕 與 防 護 學 報, 2006,26(3）:129-135.

長春南湖大橋便橋合龍

今年 5 月 1 日起，長春南湖大橋在原地翻建，整體工程預計 9 月 30 日完工。之前，南湖大橋的翻建工作以搭設便橋為主要工作。目前，南湖大橋南北兩側的便橋合龍。

在南湖大橋翻建的過程中，為保持原有的道路通行能力，在大橋的南北兩側搭建臨時便橋以供車輛和行人通行。臨時便橋采用 9 m 寬的 2 車道單向通行，南北兩側都留有人行通道，搭建的便橋與現(xiàn)有南湖大橋的通行能力基本一致。

南湖大橋的翻建工作在 5 月初展開，力爭在 10 月初完工并恢復通車。

U448.27

:B

:1009-7716（2017）05-0211-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.05.057

2017-02-15

寧波市交通運輸委員會科技計劃項目（201422）

羅炎波（1974-），男，浙江寧波人，高級工程師，從事道路與橋梁工程建設與管養(yǎng)工作。