臧騰

（鐵正檢測科技有限公司，山東 濟南 250014）

0 引言

20世紀，為了滿足國民交通運輸?shù)陌l(fā)展，修建了許多大跨徑橋梁。由于斜拉橋造型優(yōu)美，跨徑范圍廣，各結(jié)構(gòu)受力和傳力合理，經(jīng)濟性價比高，已成為跨江跨海橋梁的主要橋型之一[1]。橋梁建成通車后，伴隨服役年限的增加，受施工質(zhì)量、交通流量增加、車輛超載、日照及雨淋等多種不利影響因素，導(dǎo)致斜拉橋結(jié)構(gòu)病害出現(xiàn)，承載能力降低。尤其是主要構(gòu)件的斜拉索系統(tǒng)，更是病害問題頻發(fā)，為橋梁運營造成安全隱患。本文以威海長會口大橋為工程背景，對其斜拉索系統(tǒng)檢測評估及損傷展開研究，為同類型橋梁養(yǎng)護維修提供工程參考。

1 工程概況

長會口大橋主橋跨徑組合為117m+230m+117m 的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土雙塔雙索面豎琴式斜拉橋，索塔呈“H”形，其總高度約106m，橋面以上塔高為75m，上橫梁采用蝴蝶結(jié)形狀，塔柱及上橫梁均采用實心結(jié)構(gòu)，主梁為雙邊主梁肋板式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

全橋共設(shè)52 對斜拉索，斜拉索采用φ7mm 高強度低松弛鍍鋅鋼絲，填充防腐油脂同心向左絞合而成。拉索鋼絲根數(shù)選取163 絲。拉索防護采用黑色高密度聚乙烯（PE）保護層，外加白色高密度聚乙烯（PE）護套，護套外表設(shè)有抗風(fēng)雨振螺旋線。拉索在主梁上的標(biāo)準(zhǔn)索距8m，塔上索距約4.65m，張拉端位于主梁上，在塔上采用交叉方式錨固，塔上套筒內(nèi)設(shè)置橡膠圈減振器。索體編號規(guī)則為從小里程側(cè)到大里程側(cè)，右側(cè)索號為1～52，左側(cè)索號為1’～52’。

2 斜拉索檢測評估

根據(jù)斜拉索病害特點，重點檢測該斜拉索護套及錨頭病害情況、斜拉索內(nèi)部銹蝕狀況、索力安全性分析。

2.1 斜拉索護套及錨頭外觀檢測評估

斜拉索從安裝后就不可避免地受到腐蝕退化、振動疲勞衰減等各種不利因素的影響。由于其布置于梁體外部，并長期處于高應(yīng)力狀態(tài)下，故斜拉索對腐蝕作用非常敏感[2]。斜拉索的護套、錨頭、將軍帽的完整性直接影響斜拉索的實用性、安全性和耐久性，也是檢測評估的重點。

2.1.1 斜拉索護套外觀檢測

斜拉索外觀檢測以目測結(jié)合智能爬索機器人CCB-III 設(shè)備進行檢測。經(jīng)統(tǒng)計，長會口大橋主橋斜拉索護套外觀各類典型病害共計388 處，包含刮傷、修補痕跡、刮痕、嚴重刮傷、修補開裂五個類型，面積共計5345.5cm2。其中，刮傷數(shù)量最多為219 處，占總數(shù)量的56.44%；其他病害數(shù)量按百分比由大至小依次為：刮痕29.90%、嚴重刮傷10.82%、修補痕跡1.55%、修補開裂1.29%。護套病害主要原因可能是施工工藝把控不嚴、海邊環(huán)境腐蝕影響、活載的反復(fù)作用、護套老化等因素。

2.1.2 錨頭外觀檢測

該橋斜拉索上錨頭錨固在索塔錨箱內(nèi)，外部有水密式艙口蓋密封，密閉效果好，雨水通過上錨頭進入索體的概率小。下錨頭采用普通罩板，密閉效果差，海水濕氣容易侵入，存在較多的隱患?，F(xiàn)場打開將軍帽進行檢查，發(fā)現(xiàn)鋼套管內(nèi)部減震塊完好，泡沫膠不飽滿，無積水。斜拉索下錨頭外觀檢測，發(fā)現(xiàn)104 個下錨頭防銹油大面積結(jié)塊、發(fā)黑，占總數(shù)量的100%；30個錨具銹蝕銹蝕情況一般，占總數(shù)量的28.85%；5 個錨具銹蝕嚴重，占總數(shù)量的3.85%；其余錨具銹蝕輕微，占比67.3%。病害主要原因可能是橋梁處于海洋環(huán)境，梁下錨頭密封差，海水因風(fēng)作用或蒸發(fā)附著在錨具、錨杯，從而引起銹蝕，養(yǎng)護管理不到位。

2.2 斜拉索內(nèi)部銹蝕狀況檢測

橋梁磁致伸縮導(dǎo)波檢測儀可以在不拆除外層PE和不銹鋼保護套的條件下，實現(xiàn)在役拉索索體及錨固區(qū)缺陷的快速檢測。根據(jù)《無損檢測 磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測方法》（GB/T 28704—2012）相關(guān)要求，檢測104 根拉索，檢測信號中均未出現(xiàn)超標(biāo)異常回波，斜拉索內(nèi)部無鋼絲銹蝕、斷裂、纏絲松弛等缺陷，評定標(biāo)度為1。存在3 根拉索錨頭回波較弱，可能是由于各拉索間索內(nèi)鋼絲材料差異和導(dǎo)波長遠距離傳播時的能量衰減引起。對拉索加強監(jiān)測，如錨頭回波幅值進一步降低，應(yīng)及時進行開窗驗證。

2.3 斜拉索索力安全性分析

斜拉索索力超限是影響斜拉索壽命的關(guān)鍵因素之一，長會口大橋自竣工以來歷次索力測試綜合結(jié)果表明，恒載狀況下斜拉索索力相對穩(wěn)定。此次檢測采用目前工程界普遍應(yīng)用的弦振頻率法進行測量，測出拉索的橫向振動頻率，經(jīng)分析計算得出索力。經(jīng)過現(xiàn)場檢測，104 根斜拉索索力與交工驗收的索力對比，共有83 根斜拉索實測索力與交工驗收的索力偏差率在±10%以內(nèi)，21 根斜拉索實測索力與交工驗收的索力偏差率超過了±10%。受篇幅限制，結(jié)合外觀檢測結(jié)果，本文僅列出具有代表性的5 根斜拉索索力進行分析（見表1）。

表1 斜拉索索力測試分析結(jié)果

通過表1數(shù)據(jù)分析可知，綜合考慮實測恒載索力、移動荷載引起的索力增量等因數(shù)，全橋斜拉索安全系數(shù)最小值為2.77，均＞2.5，滿足斜拉索在運營期間安全系數(shù)的要求。

3 斜拉索損傷后橋梁受力性能分析

對于斜拉橋而言，其服役壽命很大程度上由斜拉索使用壽命決定。斜拉索存在火災(zāi)、爆炸等突發(fā)偶然情況、長期疲勞、大面積銹蝕等因素引起索力損傷甚至完全失效的可能。斜拉橋?qū)儆诔o定結(jié)構(gòu)，斜拉索損傷后，拉索索力會由其他拉索承擔(dān)，橋梁結(jié)構(gòu)受力重新分配[3]。如果管養(yǎng)單位未及時發(fā)現(xiàn)，并采取應(yīng)急措施進行處理，就可能引起或者加速剩余拉索的損壞，對重新分配的結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生不利影響，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的漸次崩潰，引發(fā)重大安全事故。為了得到斜拉索損傷后，橋梁受力性能變化規(guī)律，借助有限元軟件Midas Civil 建立全橋計算模型，結(jié)合現(xiàn)場實際狀況，對計算模型進行優(yōu)化，確保模型能夠真實反映既有橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)[4]。由于篇幅限制，本文針對21#索塔中跨右側(cè)具有代表性拉索失效后對該索塔右側(cè)其他拉索索力、橋面線形、梁體應(yīng)力、梁體動力性能進行分析研究。

3.1 斜拉索損傷后對索力影響

橋梁服役期間，斜拉索的損傷具有隨意性，為了更好地分析斜拉索損傷后對索力的影響，分為3 個工況來進行研究，具體內(nèi)容見表2。

表2 斜拉索損傷后對索力影響工況

單根拉索索力損傷后，索力的相對變化率見圖1。

圖1 單根拉索損傷索力變化幅度圖

通過圖1數(shù)據(jù)分析可知：工況1 右側(cè)最長索失效后，中跨右側(cè)整體索力值比原索力值增大，變化率幅度為-1.10%～17.85%，最大變化率為25 號索17.85%；另外，邊跨右側(cè)索力值比原索力值減小，變化率幅度為-14.74%～1.43%，最大變化率為1 號索-14.74%，越靠近索塔，索力值變化幅度越??；左側(cè)索力變化規(guī)律與右側(cè)索力同步，但變化幅度整體偏小，變化率幅度為-1.06%～1.75%。工況2 右側(cè)中間索失效后，中跨右側(cè)整體索力值比原索力值增大，變化率幅度為2.88%～14.25%，最大變化率為19 號索14.25%；邊跨右側(cè)拉索索力值有所減小，相對變化率為-0.98%～0.51%；同時，左側(cè)整體索力變化幅度較小，相對變化率為-0.37%～1.46%。工況3 最短索力失效后，整體索力變化幅度小，相對變化率為-0.54%～3.93%，附近的拉索索力變化值較大，最大變化率為15 號索3.93%，位置越遠的拉索變化值越小。總體來看，當(dāng)某根斜拉索失效，結(jié)構(gòu)索力會重新分配，同側(cè)同跨拉索索力會增加，距離越近增長幅度越大，同側(cè)不同跨索力會減小，距離越遠減小幅度越大[5]。不同側(cè)索力變化幅度比較小。長索對拉索結(jié)構(gòu)的影響最大，中索次之，短索影響最小。

3.2 斜拉索損傷后對線形影響

單根斜拉索損傷后，對梁體線形的影響，工況與索力影響工況相同。具體數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 斜拉索損傷位移變化幅度圖

通過圖2數(shù)據(jù)可知：工況1 最長索失效后，對橋梁整體線形影響比較大，中跨最大值為41mm，邊跨最大值為17mm；工況2 中間索失效后，對中跨線形影響比較大，最大值為44mm，對邊跨線形影響比較??；最短索工況3 失效后，對橋梁整體線形影響比較小，可忽略。

3.3 斜拉索損傷后對梁體動力特性的影響

單根斜拉索損傷后，對梁體動力特性的影響，工況與索力影響工況相同。具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 斜拉索損傷后對梁體振型的影響

表3 （續(xù)）

通過對比各工況下梁體9 個階次頻率數(shù)值不難發(fā)現(xiàn)：工況1 梁體頻率變化最大為第6 階頻率差值為0.0071，工況2 梁體頻率變化最大為第9 階頻率差值為0.0096，工況3 對梁體各階頻率影響比較小?？傮w來看，單根拉索失效對梁體整體的動力特性影響較小。

4 結(jié)語

通過現(xiàn)場檢測評估數(shù)據(jù)表明：斜拉索護套主要病害為刮傷、修補開裂等，未發(fā)現(xiàn)明顯的拉索護套損傷而致的滲水和鋼絲銹蝕病害。錨頭的主要病害為防銹油大面積結(jié)、發(fā)黑，錨具、錨杯內(nèi)外圈存在不同程度的銹蝕現(xiàn)象。斜拉索內(nèi)部銹蝕狀況檢測主要為3 根拉索錨頭回波幅值較弱。全橋存在21 根斜拉索實測索力與交工驗收的索力偏差率超過了±10%，斜拉索安全系數(shù)最小值為2.77，均＞2.5，滿足斜拉索在運營期間安全系數(shù)的要求。建立有限元模型，對不同位置拉索損傷失效工況進行了理論模擬。數(shù)據(jù)分析表明：遠離索塔的單根長索損傷失效后，對結(jié)構(gòu)索力、線形影響比較大，靠近索塔的單根短索損傷失效對結(jié)構(gòu)影響較小，單根拉索損傷失效對結(jié)構(gòu)動力特性影響比較小。針對此次檢測評估結(jié)果，建議業(yè)主單位對斜拉索病害集中專項整治，重點關(guān)注長索索力變化，安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)，對該橋健康狀況進行全面、實時監(jiān)測。長會口大橋已經(jīng)服役了11年，拉索病害具有代表性。該橋采用智能爬索機器人、磁致伸縮導(dǎo)波檢測儀等先進的檢測評估手段及數(shù)據(jù)分析方法，能夠有效地指導(dǎo)現(xiàn)場管養(yǎng)工作，可為同類型跨海斜拉橋檢測、監(jiān)測提供借鑒。