王玉嬌 韓阿慧

1甘肅省公路航空旅游投資集團有限公司（730030）2西安長安大學(xué)工程設(shè)計研究院有限公司（710061）

0 前言

隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的推進,我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)突飛猛進。斜拉橋已突破千米跨度,如主跨1 092 m的上海滬通鐵路大橋;鋼管混凝上拱橋也突破500 m跨徑,如上海盧浦大橋。對于要跨越較大河、江以及海洋的橋梁,拉索橋往往是設(shè)計師們青睞的橋型,如蘇通長江大橋、東海大橋等。這些大橋不僅有效的克服了橋梁跨度大的問題,還經(jīng)濟、美觀而且推動我國上木工程技術(shù)向更高、更強方向發(fā)展。然而,拉索橋的拉吊索病害造成的斷索以及導(dǎo)致的垮橋問題日益突出，不僅威脅著人民生命安全，也制約了社會的經(jīng)濟發(fā)展，成為限制拉索橋發(fā)展的重要因素，引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

1 拉吊索結(jié)構(gòu)與構(gòu)造

拉吊索作為斜拉橋、懸索橋等橋型的主要承重構(gòu)件，位于橋塔和橋面之間，斷面較小，其結(jié)構(gòu)包括索體、防護體系、錨固體系等。索體主要承受拉力，橋梁的荷載通過索體傳遞至索塔或者主纜，目前索體基本使用高強鋼絲或者鋼絞線，并且要求其排列整齊、斷面密實，易于錨固； 防護體系用來保護索體正常工作，在索體內(nèi)部填充塑膠材料形成內(nèi)滲防護，在索體外部設(shè)置PE套管等形成外裹防護，從而使拉吊索鋼絲與大氣、水隔離，增強其耐久性能；錨固體系主要有墩頭錨、熱鑄錨、夾片式群錨等，用來保證索體安全發(fā)揮作用[1]。由于拉吊索長期處于高應(yīng)力狀態(tài)，防護結(jié)構(gòu)受損，索體結(jié)構(gòu)銹蝕、斷絲，錨固結(jié)構(gòu)損壞等威脅結(jié)構(gòu)安全問題逐漸暴露，拉吊索病害問題、損傷機理、性能優(yōu)化等問題成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。

2 拉吊索病害問題

拉吊索結(jié)構(gòu)發(fā)展使用年限較短，研究較少，拉吊索在使用過程中由于設(shè)計索力不足、拉吊索構(gòu)造缺陷、受力復(fù)雜、運輸不慎安裝誤差、套管損壞等導(dǎo)致出現(xiàn)索體銹蝕、斷絲等病害，嚴重時索體斷裂導(dǎo)致橋梁倒塌[2]。

2.1 拉吊索的耐久性分析

環(huán)境因素導(dǎo)致的防護體系破壞是導(dǎo)致拉吊索耐久性下降的主要原因，由于護套等防護措施的破壞，空氣中的水分、Cl-、SO42-等得以進入拉吊索索體內(nèi)部進行化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致拉吊索索體、錨固區(qū)的銹蝕與破壞，直接影響拉吊索結(jié)構(gòu)的安全和正常使用[2]。建于1962年的委內(nèi)瑞拉Maracaibo橋為雙索面稀索體系，防護體系未采用鍍鋅層保護，索體于上錨頭入口處銹蝕、損害，并發(fā)生斷索事故；德國的Kohlbrand Estruary橋同樣防護體系為采用鍍鋅層防護，短時間內(nèi)即發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)斷絲病害；上海泖港大橋則出現(xiàn)矛頭錨墊板銹蝕病害；九江大橋在運營10多年后出現(xiàn)了拉吊索護套大范圍損壞，錨頭輕微銹蝕[3]。一批學(xué)者對拉吊索耐久性進行了研究，Scott Calabrese Barton[4]等人對鋼絲進行了加速銹蝕試驗，發(fā)現(xiàn)鋼絲的銹蝕和時間成線性關(guān)系；王建中[5]發(fā)現(xiàn)索體銹蝕速度與溫度、環(huán)境相對濕度等密切相關(guān)，溫度越高，相對濕度越大，索體的銹蝕速度越快。

表2 吊索鋼絲腐蝕分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2 損傷識別檢測

拉吊索的一般檢查主要通過外觀檢查拉吊索護套老化及破損、錨頭銹蝕、鋼絲銹蝕等，對拉吊索的工作狀況進行定性描述。拉吊索外觀劣化檢測評定指標(biāo)包括護套防護、索體鋼絲的破壞和錨固區(qū)主要部件損傷。主要檢測及監(jiān)測方法有以下幾種:

①射線檢測法，射線檢測中主要應(yīng)用X射線和γ射線，通過檢測過程中射線強度來判斷局部缺陷問題，但由于檢測效率低、造價高等原因，此技術(shù)應(yīng)用較少；②磁漏檢測法，此技術(shù)通過磁化拉吊索表面泄露的磁場強度進行檢測判斷；③磁致伸縮導(dǎo)波法，拉吊索受到外部磁場力時，根據(jù)其內(nèi)部磁場出現(xiàn)的變化來進行檢測判斷；④索力監(jiān)測法，拉吊索局部出現(xiàn)損傷時，其索力必然會出現(xiàn)變化，通過此方法可實現(xiàn)拉吊索的健康監(jiān)測；⑤聲發(fā)射檢測法，此技術(shù)通過材料內(nèi)部損傷產(chǎn)生的向四周擴散傳播的瞬時彈性波來對拉吊索損傷情況進行實時反映；⑥模態(tài)測試法，通過對結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)分析來判斷結(jié)構(gòu)損傷情況；⑦布拉格光纖光柵傳感器法，此技術(shù)通過光柵布拉格波長對結(jié)構(gòu)中的溫度、應(yīng)變進行測量監(jiān)測，當(dāng)拉吊索出現(xiàn)損傷時，索體應(yīng)力應(yīng)變等出現(xiàn)變化，光柵布拉格波長隨之變化，從而實現(xiàn)損傷識別[6-8]。

2.3 損傷程度評定

拉吊索的損傷程度一般通過索體損傷情況來體現(xiàn)，實際檢測中，在役橋梁拉吊索的評估多采用外觀檢測方法，文獻[9]較早提出了如表1所示的銹蝕分級，由于此分級標(biāo)準(zhǔn)受到當(dāng)時的條件所限，分級的界限不太明確，分成了4級。重慶交通大學(xué)陳新[10]對懸索橋平行鋼絲吊索分級進行了研究，結(jié)合試驗中銹蝕鋼絲外貌及銹蝕鋼絲力學(xué)性能，同時依據(jù)對應(yīng)《公路橋梁養(yǎng)護規(guī)范》中關(guān)于橋梁安全分類標(biāo)準(zhǔn)，對吊索鋼絲銹蝕分級分成了5級，見表2。

表1 鋼絲銹蝕分級標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)語

認識橋梁拉吊索的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，了解拉吊索易出現(xiàn)的病害及檢測手段是工程人員對拉吊索橋梁合理設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，也對橋梁拉吊索的合理檢查和維護有著重要的意義。目前國家正處于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展期，拉吊索廣泛應(yīng)用于懸索橋、斜拉橋等大跨橋梁，認識并有效解決拉吊索的病害問題，必然會大大促進大跨橋梁的發(fā)展。