吊桿損傷檢測(cè)與成因分析

王 浩

大型橋梁結(jié)構(gòu)的使用期長(zhǎng)達(dá)幾十年甚至上百年，環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載的長(zhǎng)期效應(yīng)，疲勞效應(yīng)與突變效應(yīng)等災(zāi)害因素的耦合作用將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的累積損傷和抗力衰減，進(jìn)而導(dǎo)致其抵制自然災(zāi)害甚至正常環(huán)境作用的能力下降，極端情況下引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故。為了保障結(jié)構(gòu)的安全性、完整性、適用性與耐久性，對(duì)在役橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)其安全狀況、修復(fù)與控制損傷變得越發(fā)重要。拱橋吊桿是傳遞橋面系的恒載與活載的關(guān)鍵受力構(gòu)件，它的使用正常與否，關(guān)系到橋梁的整體壽命和安全。然而，由于受當(dāng)前設(shè)計(jì)理論，科學(xué)技術(shù)和工業(yè)水平發(fā)展進(jìn)程的制約，橋梁吊桿吊具的設(shè)計(jì)、制造、防護(hù)、安裝、服役、維護(hù)、健康診斷、拆換乃至設(shè)計(jì)壽命的確定、使用一段時(shí)間后剩余壽命的預(yù)測(cè)等等，皆缺乏嚴(yán)謹(jǐn)、明確、統(tǒng)一的規(guī)范。經(jīng)初步調(diào)查，采用柔性吊桿的中下承式拱橋，全國(guó)達(dá) 70座以上，眾多的拱橋，數(shù)以千計(jì)的吊桿中，大多不同程度地存在著隱患[1]。鑒于此種情況，十分有必要對(duì)在役拱橋吊桿的健康狀況進(jìn)行檢測(cè)，并分析其可能的成因，以便于進(jìn)一步研究控制措施。

1 吊桿損傷檢測(cè)

1.1 吊桿損傷類型[2]

吊桿暴露在大氣環(huán)境中，雨水的侵蝕和車輛尾氣將導(dǎo)致吊桿銹蝕。腐蝕損傷和疲勞損傷是吊桿最普遍的兩種損傷。

1)吊桿的腐蝕損傷。吊桿在一般條件下的腐蝕為電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕，但由于它總是處在交變荷載的作用下，因此在疲勞受力狀態(tài)下吊桿發(fā)生的腐蝕屬于應(yīng)力腐蝕。應(yīng)力腐蝕對(duì)高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼筋危害很大，這是一種腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力共同作用下鋼筋產(chǎn)生晶間或穿晶斷裂的現(xiàn)象。腐蝕介質(zhì)、鋼材應(yīng)力水平和鋼材材質(zhì)情況是影響鋼材應(yīng)力腐蝕嚴(yán)重程度的主要因素。銹蝕主要導(dǎo)致吊桿的截面面積減小和氫脆現(xiàn)象，前者是由于銹蝕產(chǎn)物的生成而造成吊桿實(shí)際受力面積的縮小;銹蝕產(chǎn)生的坑點(diǎn)作為一個(gè)氫原子源，有利于后者的發(fā)生。在銹蝕凹坑里，水分子分解產(chǎn)生氫原子，由于氫原子的原子半徑小，所以具有滲透金屬的能力，可以很容易擴(kuò)散到鋼的空隙中，在那里結(jié)合形成氣體，產(chǎn)生的壓力使鐵原子受到很大的內(nèi)拉應(yīng)力，結(jié)合預(yù)應(yīng)力筋的張拉應(yīng)力，當(dāng)超過(guò)鋼的抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生鋼絞線的脆性斷裂破壞，氫脆降低吊桿的疲勞強(qiáng)度和延性，從而減小吊桿的安全性。

2)吊桿的疲勞損傷。吊桿不僅承受橋面?zhèn)鱽?lái)的車輛反復(fù)沖擊荷載，還承受風(fēng)荷載和溫度變化的作用，在長(zhǎng)期交變荷載作用下，通常在工作應(yīng)力峰值低于彈性極限時(shí)會(huì)突然破壞，這種破壞現(xiàn)象稱為疲勞。鋼絞線的疲勞破壞主要由各鋼絲間的擦傷疲勞引起的。擦傷疲勞破壞是由變化的軸向應(yīng)力、摩擦應(yīng)力、側(cè)向壓力和滑移等因素共同作用所引起的，在這些荷載作用下，鋼絞線或者鋼絲接觸面之間出現(xiàn)相對(duì)位移 0.1μm～300μm，金屬表面氧化膜很快會(huì)被擦掉，兩個(gè)粗糙的表面很容易被熔合成一體;每次接觸表面相對(duì)滑移，使熔合在一起的這些接觸點(diǎn)產(chǎn)生破壞并又形成新的熔合點(diǎn)，從而產(chǎn)生表面磨損并引起表面開(kāi)裂，此后的裂縫發(fā)展速度主要取決于軸向應(yīng)力的變化幅度。

1.2 損傷檢測(cè)

進(jìn)行吊桿損傷檢測(cè)，吊桿內(nèi)力、腐蝕、滑絲、斷絲等是檢測(cè)的必要內(nèi)容。1)吊桿內(nèi)力測(cè)試。在實(shí)際工程中，常見(jiàn)索力測(cè)試方法有荷重傳感器測(cè)量法、壓力型油壓千斤頂測(cè)量法、磁通量法、頻率法以及電阻應(yīng)變法、光纖光柵傳感器測(cè)索力。不同的測(cè)試方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。荷重傳感器測(cè)量法、壓力型油壓千斤頂測(cè)量法屬于直接法，簡(jiǎn)單易行，是施工中控制索力最實(shí)用的方法。頻率法是首先測(cè)量索的自振頻率，再根據(jù)索自振頻率與索的張拉力之間的關(guān)系來(lái)?yè)Q算出索力。由于設(shè)備可重復(fù)使用，而且當(dāng)前的電子儀器日趨小型化，儀器攜帶、安裝均很方便，測(cè)試精度高。磁通量法是利用放在拉索中的小型電磁傳感器，測(cè)定磁通量變化，根據(jù)索力、溫度與磁通量的變化關(guān)系，來(lái)推算索力。該方法的核心優(yōu)點(diǎn)是除磁化拉索外，它不會(huì)影響拉索的任何力學(xué)和物理特性，缺點(diǎn)是必須現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，并受溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)的干擾很大。光纖光柵傳感器的基本原理是在外界應(yīng)變和溫度作用下光纖光柵的中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移，通過(guò)解調(diào)光纖光柵的中心波長(zhǎng)變化，就可以方便獲得待測(cè)的應(yīng)變和溫度值。該法具有儀器尺寸小(125μm)、精度高、抗電磁干擾、分布式監(jiān)測(cè)、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。2)吊桿腐蝕、滑絲、斷絲等損傷監(jiān)測(cè)。對(duì)上述這些損傷進(jìn)行檢測(cè)的方法主要有:人工檢測(cè)法，超聲波檢測(cè)，射線檢測(cè)，漏磁檢測(cè)法，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)等。

2 吊桿鋼索破損成因

吊桿鋼索破損的誘因有:強(qiáng)度損失、疲勞破壞與腐蝕作用[3]。

1)強(qiáng)度損失。一般吊桿的安全系數(shù)取值都要求大于 2.5，即吊桿承受的最大應(yīng)力低于鋼絲索標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的 40%，所以吊桿由于強(qiáng)度不足而產(chǎn)生破壞的可能性較小。大部分因強(qiáng)度破壞而受到損壞的吊桿均由于防護(hù)失效而導(dǎo)致銹蝕，使吊桿截面縮小而間接導(dǎo)致的強(qiáng)度破壞。

2)疲勞破壞。鋼材在反復(fù)荷載的作用下，雖然應(yīng)力還低于極限強(qiáng)度，甚至低于屈服點(diǎn)，但也會(huì)發(fā)生破損，即疲勞破壞。在中下承式拱橋吊桿的設(shè)計(jì)中，一般對(duì)強(qiáng)度問(wèn)題比較重視，對(duì)吊桿的最大應(yīng)力控制的比較好，但對(duì)與疲勞有關(guān)問(wèn)題考慮較少，即便考慮也只是將應(yīng)力幅控制在一定范圍內(nèi)，就認(rèn)為吊桿鋼索和錨頭可以滿足疲勞方面的要求。這種設(shè)計(jì)方法存在著一定的問(wèn)題，諸如設(shè)計(jì)理論的不完善、設(shè)計(jì)中對(duì)振動(dòng)、沖擊、彎曲附加應(yīng)力等影響因素的忽略等，加之常規(guī)靜力計(jì)算所得的應(yīng)力幅均不大，所以設(shè)計(jì)中容易忽略了疲勞的驗(yàn)算。

3)腐蝕作用。鋼索腐蝕的原因主要是防護(hù)措施開(kāi)裂失效，導(dǎo)致水、氧氣及其他有害物質(zhì)與鋼索直接接觸引起銹蝕。另外吊桿所處的大氣環(huán)境、應(yīng)力狀態(tài)等對(duì)鋼索的腐蝕也有影響。一般來(lái)說(shuō)，吊桿的破壞是由疲勞與腐蝕的共同作用引起的。交變的疲勞荷載降低了防腐措施的有效性，而腐蝕又直接削弱了吊桿的抗拉強(qiáng)度。

3 吊桿錨具破損成因

吊桿的錨具主要有墩頭錨、冷鑄錨和夾片錨?，F(xiàn)在成品索大多采用抗疲勞性能較好的墩頭錨和冷鑄錨。錨具在工廠研制、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中，都進(jìn)行抗疲勞的相關(guān)試驗(yàn)，在正常的工作條件下一般不會(huì)產(chǎn)生疲勞問(wèn)題。但應(yīng)注意的是:在吊桿設(shè)計(jì)中對(duì)影響吊桿及錨具疲勞壽命的因素要加以考慮，使吊桿和錨具處于正常的工作條件下。錨具的腐蝕分外部腐蝕和內(nèi)部腐蝕。如吊桿錨頭外部幾乎未進(jìn)行有效防護(hù)，其銹蝕也是必然的。所以對(duì)不進(jìn)行封錨處理的錨具，應(yīng)加防護(hù)罩或采取其他有效的措施防止錨具外部的銹蝕。

4 吊桿防護(hù)破損成因

防護(hù)破損開(kāi)裂有:1)防護(hù)材料自身的收縮;2)吊桿鋼索松弛引起防護(hù)材料變形;3)吊桿受交變荷載引起防護(hù)材料變形;4)溫度變化引起防護(hù)材料變形;5)防護(hù)材料的老化。吊桿防護(hù)的破損開(kāi)裂往往是以上這些因素共同作用的結(jié)果，而吊桿鋼索與防護(hù)材料變形不協(xié)調(diào)是其中的重要因素。防護(hù)開(kāi)裂后，使空氣中的水分、氧氣以及其他有害物質(zhì)與鋼索接觸，發(fā)生腐蝕。由于吊桿的防護(hù)措施又具有一定的密封性，反而使這些有害物質(zhì)難以及時(shí)觀察到并得到排除，存積在吊桿內(nèi)部，長(zhǎng)期腐蝕吊桿。

[1] 湯國(guó)棟，侯金龍，劉元泉，等.拱橋吊桿的安全憂慮與對(duì)策——吊桿健康診斷[J].公路，2002(4):78-89.

[2] 李冬生.拱橋吊桿損傷監(jiān)測(cè)與健康診斷[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

[3] 鹿劍閣，徐君蘭.鋼管混凝土拱橋吊桿的破損行為分析[D].天津:天津大學(xué)，2005.

[4] 邸小壇，周 燕.大氣環(huán)境下鋼筋銹蝕規(guī)律的研究[A].第四屆全國(guó)混凝土耐久性學(xué)術(shù)交流論文集[C].1996.