跨海斜拉橋拉索冷鑄墩頭錨退化分析及預(yù)養(yǎng)護(hù)

羅炎波

（寧波交通工程建設(shè)集團(tuán)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(yù)養(yǎng)護(hù)

羅炎波

（寧波交通工程建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315000）

通過資料調(diào)研及實(shí)橋調(diào)查，系統(tǒng)總結(jié)了斜拉索冷鑄墩頭錨的病害特點(diǎn)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(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，運(yùn)用力學(xué)和統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行了冷鑄墩頭錨的退化預(yù)測，并在此基礎(chǔ)上確定了冷鑄墩頭錨的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)最佳時(shí)機(jī)。

跨海斜拉橋；斜拉索；冷鑄墩頭錨；退化；預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)

0 引言

斜拉索錨頭技術(shù)狀況的退化影響其耐久性，嚴(yán)重惡化時(shí)將影響錨頭乃至大橋的安全。既有文獻(xiàn)及相關(guān)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(jié)構(gòu) 性 能的 影響 。 目 前 ，橋 梁 預(yù) 防 性 養(yǎng) 護(hù)[1-2]還 只 是一個(gè)概念，尚未形成系統(tǒng)的理論框架和技術(shù)規(guī)范，并且均根據(jù)中小跨徑橋梁的技術(shù)統(tǒng)計(jì)資料得出的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)預(yù)測結(jié)論。針對跨海鋼箱梁斜拉橋的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)研究尚處于起步階段。因此，本文重點(diǎn)針對跨海斜拉橋拉索冷鑄墩頭錨病害特點(diǎn)與退化規(guī)律，以及預(yù)養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)、檢測內(nèi)容和處治措施展開研究，為此類橋梁的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)研究奠定基礎(chǔ)。

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(shè)置保護(hù)罩或保護(hù)罩密封不嚴(yán)，則可能導(dǎo)致保護(hù)罩、錨杯內(nèi)外螺紋甚至鋼絲墩頭銹蝕。錨頭銹蝕不會(huì)直接影響其受力性能，但會(huì)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(hù)罩銹蝕等（見圖1）。

圖1 錨頭銹蝕實(shí)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(yùn)營一定階段后均會(huì)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(yīng)及時(shí)處治，及時(shí)檢查保護(hù)罩的嚴(yán)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(jìn)一步銹蝕。

圖2 拉索下錨頭積水、滲水實(shí)景

1.3 防護(hù)材料揮發(fā)、失效

拉索錨頭內(nèi)防護(hù)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(hù)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(dǎo)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(hù)油脂滲漏實(shí)景

2 病害評分模型及預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)

2.1 病害評分模型

評價(jià)指標(biāo)的合理與否決定橋梁退化模型和橋梁養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)選擇模型的合理程度，從而影響?zhàn)B護(hù)體系的實(shí)施效果。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)研究的使用性能評價(jià)指標(biāo)的選擇應(yīng)注重三方面內(nèi)容：一是選取的指標(biāo)能夠表征橋梁的現(xiàn)有狀況，使得主觀評價(jià)與客觀實(shí)際最大的逼近，能夠最準(zhǔn)確地反映客觀實(shí)際；二是評判此性能評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)明確、直觀、可靠，可以通過指標(biāo)準(zhǔn)確地評價(jià)橋梁所處狀態(tài)，為養(yǎng)護(hù)部門確定養(yǎng)護(hù)計(jì)劃提供依據(jù)；三是此指標(biāo)適用于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)體系，根據(jù)此指標(biāo)可得到明確的橋梁結(jié)構(gòu)退化曲線，衡量預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施效益，確定措施實(shí)施時(shí)機(jī)。目前橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)體系多采用橋梁“技術(shù)狀況評分”Dr或“技術(shù)狀況指數(shù)”BCI作為橋梁使用性能評價(jià)指標(biāo)。Dr或 BCI反映的是橋梁整體技術(shù)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(shí)程。而同一座橋梁不同部件、構(gòu)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(yù)防性養(yǎng)護(hù)策略的建立。在《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/TH21-2011）[3]、《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ99-2003）[4]中，通過現(xiàn)場檢查可以對橋梁總體、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)及橋面系三大部位等部件分別進(jìn)行打分評定，而對具體病害則是以檢測指標(biāo)的“標(biāo)度”值進(jìn)行評定。這里根據(jù)規(guī)范的評定細(xì)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(gè)病害對應(yīng)一個(gè)或多個(gè)檢測指標(biāo)，而根據(jù)規(guī)范每個(gè)檢測指標(biāo)的扣分值與該指標(biāo)所能達(dá)到的最高等級類別有關(guān)，病害的評分值又與相關(guān)的構(gòu)件數(shù)有關(guān)。舉例說明病害評分過程如下。假定構(gòu)件數(shù)量為 N，某個(gè)病害的評定標(biāo)度值為（i=1～N），此類病害的構(gòu)件數(shù)占比為 β（1/N≤β≤1，構(gòu)件病害權(quán)重系數(shù)，反映該構(gòu)件此類病害的嚴(yán)重程度）。根據(jù)規(guī)范，可以查得該病害評定標(biāo)度所對應(yīng)的扣分值，然后仿照橋梁部件技術(shù)狀況評分算式可以計(jì)算該病害的評分值V：

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

對于某類病害對應(yīng)多個(gè)檢測指標(biāo)的病害，其評分值V的計(jì)算過程與上面相似，只是在計(jì)算MDP 時(shí)對多個(gè)指標(biāo)扣分值進(jìn)行平均。通過式（1），一旦確定某類病害預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的目標(biāo)，即可據(jù)此確定此類病害達(dá)到何種嚴(yán)重程度時(shí)即可進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。

2.2 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的目標(biāo)及時(shí)機(jī)選擇策略

預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的效果與采取預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關(guān)，及早對橋梁實(shí)施預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，可使橋梁長期處于較好的狀態(tài)，避免橋梁結(jié)構(gòu)因退化嚴(yán)重而產(chǎn)生過大的維護(hù)費(fèi)用，當(dāng)然過早實(shí)施預(yù)防性養(yǎng)護(hù)可能達(dá)不到成本—效益最優(yōu)化的目的，因此需要解決兩個(gè)問題，即：（1）橋梁最低控制分?jǐn)?shù)；（2） 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)初次開展時(shí)間的合理范圍?！豆窐蛄杭夹g(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》的橋梁技術(shù)狀況分類：（1）結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)為[80,100]（橋梁處于 1 類橋、2 類橋狀態(tài)）時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)處于較好的工作狀況，做好日常必要的維護(hù)即可；（2）結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)為[60,80）（3 類橋）時(shí)，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)狀態(tài)提升至1類橋或2 類橋；（3）結(jié)構(gòu)分?jǐn)?shù)為[0,60）（4 類橋、5 類橋）時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)存在較大或嚴(yán)重的病害，對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)恢復(fù)到較好的水平，并將付出巨大的維護(hù)成本。比較后認(rèn)為將預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中橋梁的最低控制分?jǐn)?shù)定為 60 是合理的，即橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)病害；結(jié)構(gòu)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的初次開展時(shí)間控制在 80分左右是合適的，即結(jié)構(gòu)尚處在 2類橋時(shí)就可根據(jù)病害特點(diǎn)開展預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作，這使得結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)用較少，比較經(jīng)濟(jì)。

具體到某一類病害，則需考慮病害的成因、對結(jié)構(gòu)的影響及所采用的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方法等方面，綜合確定預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的開展時(shí)機(jī)。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)實(shí)施效果將影響預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的策略制定，需對預(yù)防性養(yǎng)護(hù)實(shí)施后結(jié)構(gòu)性能變化及發(fā)展趨勢進(jìn)行評價(jià)，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方法實(shí)施后對結(jié)構(gòu)的影響可分三種情況：（1）不提高橋梁分?jǐn)?shù)，延遲分?jǐn)?shù)降低的時(shí)間，該時(shí)段內(nèi)不再繼續(xù)退化；（2）不提高橋梁分?jǐn)?shù)，降低結(jié)構(gòu)退化率，在固定時(shí)間內(nèi)，退化率小于正常退化時(shí)結(jié)構(gòu)的退化率；（3）提高橋梁分?jǐn)?shù)，退化率保持不變，仍按原退化規(guī)律發(fā)展。實(shí)施時(shí)將不同效果加以比較，取主導(dǎo)作用的一種按上述原則進(jìn)行歸類，不考慮其余部分對結(jié)構(gòu)的有利作用，這樣做對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的影響不同，不同病害所采取的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方式也不同，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作的開展要針對具體病害，對不同的病害提出不同的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)并分別實(shí)施，使預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作有的放矢；此外由于不同病害的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)開展時(shí)間不同，可將預(yù)防性實(shí)施過程分散在橋梁的日常性養(yǎng)護(hù)工作中。

3 錨頭退化分析及預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)

3.1 錨頭銹蝕的退化分析及預(yù)養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)

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(hù)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(yīng)力和腐蝕環(huán)境作用下出現(xiàn)不同缺陷，便會(huì)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(diǎn)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(huì)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(jī)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(hù)時(shí)機(jī)，需按病害退化規(guī)律和預(yù)養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)共同來確定初養(yǎng)護(hù)時(shí)間。由于現(xiàn)行規(guī)范中對冷鑄墩頭錨銹蝕病害的評定標(biāo)準(zhǔn)尚不能充分合理地反映實(shí)橋服役狀況，現(xiàn)結(jié)合相關(guān)研究成果及檢測經(jīng)驗(yàn)確定其分級評定標(biāo)準(zhǔn)如表1、表2 所列。以象山港大橋?yàn)槔M(jìn)行討論。依據(jù)式（1）可知，拉索錨頭銹蝕的評分值與構(gòu)件病害權(quán)重系數(shù)β的關(guān)系為V=100-31β-35/2.4。可知，當(dāng) V=80 分時(shí)，β=17.47%，即全橋約 15%的拉索錨頭銹蝕病害評定標(biāo)度為 2時(shí)，展開初次預(yù)防性養(yǎng)護(hù)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(yàn)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(shí)間，a；n 為與腐蝕材料與環(huán)境有關(guān)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(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)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(yīng)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(yù)防性養(yǎng)護(hù)。

表1 鋼絲墩頭銹蝕分級評定標(biāo)準(zhǔn)一覽表

表2 錨杯內(nèi)外螺紋銹蝕分級評定標(biāo)準(zhǔn)一覽表

3.2 錨頭積水滲水的退化分析及預(yù)養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)

錨頭評定時(shí)需關(guān)注錨頭積水、滲水及錨頭內(nèi)潮濕狀況。結(jié)合相關(guān)研究成果及檢測經(jīng)驗(yàn)確定其分級評定標(biāo)準(zhǔn)如表3所列。錨頭積水、滲水病害從其機(jī)理出發(fā)無法得出其初次養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)，需按病害退化規(guī)律和預(yù)養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)來確定初養(yǎng)護(hù)時(shí)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(gòu)件病害權(quán)重系數(shù) β 的關(guān)系為V=100-25β-25/2.4?？芍?dāng) V=80 分時(shí)，β=38.33%，即全橋約 35%的拉索錨頭積水、滲水病害評定標(biāo)度為 2 時(shí)，展開初次預(yù)防性養(yǎng)護(hù)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(yù)養(yǎng)護(hù)。如果發(fā)現(xiàn)某根拉索錨頭積水、滲水較嚴(yán)重，為防止錨頭出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕，可立即養(yǎng)護(hù)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(biāo)準(zhǔn)一覽表

3.3 防護(hù)材料揮發(fā)失效退化分析及預(yù)養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)

錨頭內(nèi)防護(hù)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(huì)形成積水，進(jìn)而導(dǎo)致錨頭銹蝕。結(jié)合相關(guān)研究成果及檢測經(jīng)驗(yàn)確定其分級評定標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)件病害權(quán)重系數(shù)β的關(guān)系為 V=100-20 β-20/2.4。可知，當(dāng) V=80 分時(shí)，β=58.33%，即全橋約 55%的拉索錨頭內(nèi)防護(hù)材料揮發(fā)、失效病害評定標(biāo)度為 2 時(shí)，展開初次預(yù)防性養(yǎng)護(hù)較為合理。

表4 防護(hù)材料揮發(fā)、失效分級評定標(biāo)準(zhǔn)一覽表

4 結(jié)語

（1）本文系統(tǒng)總結(jié)了斜拉索冷鑄墩頭錨的病害特點(diǎn)，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(yù)防性養(yǎng)護(hù)的主要病害為錨頭銹蝕、錨頭積水滲水、防護(hù)材料揮發(fā)失效。

（2）依據(jù)不同病害的退化程度評價(jià)，給出了病害預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的目標(biāo)及時(shí)機(jī)選擇。

（3）分別從錨頭銹蝕、錨頭積水滲水、防護(hù)材料揮發(fā)失效三方面對其退化行為進(jìn)行了分析，并結(jié)合病害退化規(guī)律及預(yù)養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)選擇，確定了拉索錨頭不同病害的初次預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)。

[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(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)[S].

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

[6] 梁彩鳳,侯 文泰.鋼的 大氣 腐蝕 預(yù)測[J]. 中 國 腐 蝕 與 防 護(hù) 學(xué) 報(bào), 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(yù)計(jì) 9 月 30 日完工。之前，南湖大橋的翻建工作以搭設(shè)便橋?yàn)橹饕ぷ鳌Ｄ壳?，南湖大橋南北兩?cè)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(cè)搭建臨時(shí)便橋以供車輛和行人通行。臨時(shí)便橋采用 9 m 寬的 2 車道單向通行，南北兩側(cè)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(fù)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(yùn)輸委員會(huì)科技計(jì)劃項(xiàng)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(shè)與管養(yǎng)工作。