斜拉索下錨頭病害成因及其治理技術研究

蔡　裕　周庠天　陸紹輝

(1.江西贛粵高速公路股份有限公司，江西 南昌　330025；　2.柳州歐維姆結(jié)構檢測技術有限公司，廣西 柳州　545006)

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斜拉索下錨頭病害成因及其治理技術研究

蔡裕1周庠天2陸紹輝2

(1.江西贛粵高速公路股份有限公司，江西 南昌330025；2.柳州歐維姆結(jié)構檢測技術有限公司，廣西 柳州545006)

介紹了斜拉索下錨頭常見的病害類型，分析了各種病害的成因，并從索導管內(nèi)環(huán)境處理、灌注新型防腐材料、更換阻尼器等方面，闡述了鄱陽湖大橋下錨頭的病害處理方法，達到了良好的治理效果。

斜拉索，下錨頭，索導管，病害成因

0　引言

斜拉橋是一種重要橋型，由于其較大的跨越能力，優(yōu)美的造型，良好的抗風和抗震能力，在我國的橋梁建設中取得了較快的發(fā)展，對保證交通運輸網(wǎng)的安全暢通起著重要的作用。

斜拉索作為斜拉橋最重要的構件之一，其安全性和耐久性對斜拉橋的承載能力、安全運營至關重要。斜拉索的作用，是以錨具、鋼絲作為承載構件，將主梁荷載傳遞給橋塔，再通過橋塔傳遞給基礎，由于斜拉索下錨頭連接著斜拉索和主梁，容易受到振動的影響，使防護體系失效，是斜拉索體系中容易產(chǎn)生病害的部位，近幾年來發(fā)生的多起索類橋梁坍塌事故，有證據(jù)表明跟下錨頭病害有關，行業(yè)內(nèi)的一些研究和成果也表明斜拉索下錨頭病害具有多發(fā)的特點，并導致一些嚴重的后果。

徐俊等[1]依托石門大橋拉索檢測，指出下錨頭滲水是由于錨箱鋼套管進入橋面雨水造成，拉索的長度與護套破損數(shù)量成線性相關，并提出了一種鋼絲銹蝕等級的分類方法。

汪浩等[2]通過對某斜拉橋2002年和2004年的斜拉索病害檢測進行對比分析，采用滲水試驗和壓水試驗的方法對斜拉索的滲水病害進行研究，指出下錨頭滲水最主要的原因是雨水由于拉索破口和振動從而進入和流經(jīng)下錨頭。

吳育苗等[3]以?？谑兰o大橋為工程依托，針對斜拉索出現(xiàn)的病害及其成因，采取控制錨具和拉索套管內(nèi)進水的方法，取得了良好的效果。

云南三達地怒江大橋于2004年進行換索，柳州文惠橋于2007年進行了全面換索，南昌新八一大橋于2009年進行了全面換索[4]，在這些換索的橋梁中，下錨頭病害是換索的一個重要原因，一方面，病害導致安全性下降和突發(fā)性事故發(fā)生；另一方面，提前換索影響了斜拉索技術經(jīng)濟性的發(fā)揮，影響交通，給經(jīng)濟效益和社會效益帶來負面影響。因此，通過對斜拉索下錨頭的病害和維護技術進行研究，提高斜拉索的使用壽命，確保斜拉橋的安全性和耐久性，具有重要的經(jīng)濟和社會效益。

1　下錨頭常見病害分析

在橋梁運營過程中，由于斜拉索下錨頭在結(jié)構中所處的位置，更容易受到風雨激振、荷載振動的影響，使防護體系失效，加上密封措施的有效性、防腐材料的耐久性、施工質(zhì)量、管養(yǎng)維護等方面的因素，導致下錨頭病害多發(fā)。

1.1索導管口防水措施失效

索導管口一般會設置防水罩，多數(shù)采用鑄鐵，少量采用橡膠。與斜拉索PE接合的地方通常采用防水膩子或遇水膨脹橡膠，易老化失去彈性，無法保證密封效果，在風雨、荷載振動的作用下，密封更容易失效，使雨水進入索導管，引起內(nèi)部零件銹蝕，橡膠材質(zhì)的防水罩由于易老化變形，其防護性能更差。防水性能失效的典型病害如圖1所示。

1.2索導管內(nèi)部、下錨頭防腐失效

是否采用有效的防腐措施是決定下錨頭區(qū)域相關零件耐久性的關鍵因素，而索導管內(nèi)部進水更不利于防腐，導致索導管內(nèi)鋼絲段及下錨頭的腐蝕，腐蝕會削弱索體、下錨頭的有效截面，影響其耐久性和受力特性，導致拉索抗拉性能、抗疲勞性能的下降，嚴重時甚至造成索斷橋跨的嚴重事故，因防腐失效導致的腐蝕斷絲見圖2和圖3。

為了充分保護索導管內(nèi)部鋼絲、下錨頭不被腐蝕，一般采用在索導管內(nèi)部、下錨頭保護罩內(nèi)填充防腐材料，常見的有聚氨酯發(fā)泡劑、防腐油脂(黃油或建筑油脂)、阻蝕密封蠟，少數(shù)項目灌注水泥砂漿或環(huán)氧砂漿，在具體的工程實踐中，也發(fā)現(xiàn)少數(shù)案例，索導管內(nèi)部未填充防腐材料、未安裝錨頭保護罩的情況，實踐證明，在橋梁的金屬結(jié)構件中，僅僅靠金屬表面的鍍鋅、法蘭是無法做到長期防腐的，這些案例也無一例外的都發(fā)生了不同程度的腐蝕。表1是常見幾種填充材料的技術性能對比。

表1　填充材料技術性能對比

從表1的對比分析可看出，索導管內(nèi)選用的材料將決定阻蝕效果及耐久性，從綜合指標上看，油性蠟在防腐效果及耐久性上更具優(yōu)勢。

1.3減振制振措施失效

大跨徑斜拉索屬于柔性結(jié)構，剛度和阻尼比較低，振動對其至關重要，減振制振措施的合理和有效與否，對拉索的疲勞壽命有較大影響，也容易造成防護體系的脫落、開裂乃至失效，本文采用的減振制振是指機械阻尼措施。

拉索減振阻尼器中的內(nèi)置阻尼器一般采用高阻尼橡膠阻尼器，外置阻尼器一般有磁流變阻尼器，粘性剪切型阻尼器和油壓阻尼器幾種。內(nèi)置阻尼器的主要成分是高阻尼橡膠，隨著時間的推移，存在老化的問題，使斜拉索的抗振性能下降。外置阻尼器則根據(jù)不同的類型，可能存在漏油、連接裝置松脫等病害，阻尼器的老化、失效會造成斜拉索減振制振性能的下降，影響斜拉索的安全性。圖4為老化的內(nèi)置阻尼器。

2　下錨頭病害治理

對下錨頭病害的治理，當以預防為主，治理為輔，在考慮技術經(jīng)濟性的前提下，選擇耐久性、耐候性、防護效果好的措施及材料。針對上述病害，根據(jù)其成因和危害程度，采取有效措施，及時治理。

阻尼器老化目前最常用的治理方法，是更換新的阻尼器，恢復和改善斜拉索的減振性能。索導管防水罩的密封措施主要考慮耐久性和耐候性的問題，在自然條件下需保持密封性，能適應熱脹冷縮及振動。索導管內(nèi)、錨頭保護罩內(nèi)的防腐措施，從綜合的性能對比上看，阻蝕密封蠟相對于其他材料，其耐久性、耐候性和防腐性都更具優(yōu)勢。

針對下錨頭錨具銹蝕，目前主要是利用除銹劑、涂抹防腐油脂等進行物理和化學除銹和阻銹，改善和阻止其病害的發(fā)展。對于鋼絲銹蝕，必須引起高度重視，由于鋼絲銹蝕會削弱鋼絲的有效截面，影響拉索的承載力，須根據(jù)病害嚴重程度進行分析和評估，必要時更換新的拉索。

3　工程應用

3.1工程概況

鄱陽湖大橋為雙塔雙索面斜拉橋，始建于1997年12月，竣工于2000年11月，主橋為雙塔雙索面扇形密索混凝土斜拉橋，采用半漂浮體系，扁平雙肋式主梁。全橋共有152根拉索，采用熱擠HDPE護套高強鋼絲拉索，外層擠裹桔紅色聚氨酯外套，拉索錨具采用冷鑄錨具，在橋梁檢測與維護過程中，針對其下錨頭檢測后發(fā)現(xiàn)，主要存在進水、腐蝕、阻尼器老化等問題，這些病害直接影響斜拉索下錨頭功能的實現(xiàn)，其耐久性和安全性存在較大的隱患。

3.2治理過程

在對下錨頭進行全面細致的病害調(diào)查基礎上，依據(jù)病害類型、成因和發(fā)展程度，進行了相應的治理。

3.2.1索導管內(nèi)鋼絲段的無損檢測

通過無損檢測，分析索導管內(nèi)部的腐蝕與斷絲情況，結(jié)合下錨具的檢查，評估整個下錨頭區(qū)域的健康狀況，為下一步治理、維護及運營管理提供依據(jù)。目前，橋梁纜索鋼絲的腐蝕與斷絲無損檢測的手段比較少，由于索導管的屏蔽，其內(nèi)部鋼絲段的檢測是個難題，橋梁纜索常用的是漏磁法，但儀器無法進入索導管內(nèi)部。本項目采用的是磁致伸縮導波技術進行了全面的檢查，未發(fā)現(xiàn)斷絲，少數(shù)斜拉索有輕微腐蝕的跡象，但未影響到其承載能力。

3.2.2索導管內(nèi)環(huán)境的處理

對索導管內(nèi)部原來填充的聚氨酯發(fā)泡材料進行了清理，并進行除濕干燥。由于斜拉索的索導管較長，最長索的索導管長達6 m，發(fā)泡材料的清理并非易事，為避免損傷斜拉索，無法采用機械手段或化學手段，只能人工清理，費時費力，也提醒我們在橋梁設計中采取的措施不僅要考慮有效性，還要考慮易維護、輕維護或免維護。

3.2.3灌注新型防腐材料

表2　OVM.ZML橋梁纜索阻蝕密封蠟技術指標

如上所述，防腐材料的選擇是決定防腐效果的決定因素，本項目采用柳州歐維姆公司研制的OVM.ZML阻蝕密封蠟進行填充，形成索導管內(nèi)部防腐的第一道防線，該產(chǎn)品具有耐濕熱、耐鹽霧、抗氧化能力強等優(yōu)點，其技術指標見表2。

3.2.4更換新的內(nèi)置阻尼器

此型內(nèi)置阻尼器應用了一種專利技術，在確保其良好的減振性能的前提下，具備氣密性和水密性，形成防水防腐的第二道防線。

3.2.5對防水罩進行密封處理

本項目采用粘結(jié)力強、密封性好、耐候性能好的熱收縮PE材料，對防水罩及其與拉索連接處進行有效密封處理，PE材料有很好的耐老化性能，材質(zhì)上接近纜索PE材料，加熱收縮后可以適應纜索表面的形狀緊緊包裹具備彈性，自帶的熱熔膠使兩者的粘合更緊密，經(jīng)大量工程實踐，證明此方案有效可靠。

4　結(jié)語

基于斜拉橋下錨頭常見病害及其成因分析，通過對鄱陽湖大橋下錨頭進行病害治理，可以得出如下結(jié)論：

1)斜拉索下錨頭的防水防腐措施需要滿足有效性、耐久性、耐候性等要求，需要不斷的探索新的材料及措施；

2)下錨頭作為斜拉索與主梁的重要連接部位，其安全性和耐久性直接關系到斜拉索的安全性，目前對斜拉索下錨頭安全性和耐久性的評估，可采用的儀器、手段還比較少，特別是對于剩余疲勞壽命的評價還是個空白，需要不斷探索定量、定性的評估方法或技術；

3)由于斜拉索下錨頭結(jié)構的特殊性，造成其病害檢測和維護的困難，研制針對斜拉索下錨頭病害治理的成套工具和方法，具有重要的經(jīng)濟效益，把斜拉索下錨頭更加科學合理的納入到斜拉橋的全壽命評估中，對于斜拉橋的檢測與運營維護具有重要意義。

[1]徐俊，陳惟珍.石門大橋拉索病害檢測與分析[J].鋼結(jié)構,2007，96(6):81-84.

[2]汪浩，徐俊.斜拉橋下錨頭滲水病害檢測及成因分析[J].華東公路，2006，158(2):7-9.

[3]吳育苗，蔣湘成，朱利明.斜拉橋斜拉索體系病害分析與處理方案[J].世界橋梁,2013,41(3):77-84.

[4]龍躍，鄭皆連，吳振.橋梁拉索典型病害事故的調(diào)查與研究[J].預應力技術,2010,83(6)：32-34.

Research on diseases causes and treatment technology of cable anchor

Cai Yu1Zhou Xiangtian2Lu Shaohui2

(1.JiangxiGanyueExpresswayCo.,Ltd,Nanchang330025,China;2.LiuzhouOVMStructuralDetectionTechnologyCo.,Ltd,Liuzhou545006,China)

The paper introduces common cable-stayed anchor head disease types, and analyzes disease causes. Starting from aspects of internal cable conductor environment, new bored erosion-resisting materials and altering damper, it describes the anchor head disease processing methods of Poyang lake, so as to achieve good processing effect.

cable-stayed, anchor head, cable conductor, disease causes

1009-6825(2016)19-0169-03

2016-04-24

蔡裕(1988- )，男，助理工程師；周庠天(1973- )，男，高級工程師；陸紹輝(1971- )，男，工程師

U445.7

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