吊桿拱橋吊索及錨頭使用壽命研究分析

賀智功

(四川川高工程技術(shù)咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610000)

目前，世界各國(guó)都把橋梁視為寶貴的財(cái)富，力求充分利用現(xiàn)有橋梁，或進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S修和加固，延長(zhǎng)其使用壽命，以滿足現(xiàn)代交通運(yùn)輸發(fā)展的要求。據(jù)國(guó)外資料介紹，公路舊橋的加固資金僅為新建橋梁的10 %；一般情況下，我國(guó)橋梁加固所需的資金為新建橋梁的10 %～30 %。與新建橋梁相比，舊橋的加固和維修可節(jié)省大量的資金，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。

20世紀(jì)90年代，我國(guó)修建了許多類似于成都市二環(huán)路清水河大橋的吊桿拱橋，限于當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)規(guī)范的局限性，主要出現(xiàn)的問(wèn)題是：(1)吊索鋼絞線的防腐效果不好；(2)錨頭無(wú)法更換。這樣一來(lái)，吊索鋼絞線和吊索錨頭的壽命往往就是橋梁的壽命。

成都市二環(huán)路清水河大橋已經(jīng)進(jìn)行過(guò)多次定期檢測(cè)和荷載試驗(yàn)[4]，吊桿鋼絞線的銹蝕和吊索錨頭是否失效一直是多方比較關(guān)心但又暫時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確了解的問(wèn)題。因整體規(guī)劃拆除重建，故在本橋被拆除后，對(duì)拆除吊索鋼絞線和吊索錨頭進(jìn)行試驗(yàn)，能準(zhǔn)確了解其實(shí)際狀況，為正在運(yùn)營(yíng)的同類型橋梁養(yǎng)護(hù)管理積累資料提供參考。

1　橋梁概況

成都市二環(huán)路清水河大橋位于成都市二環(huán)路西南段，橫跨清水河，該橋于1992年10月建成，外側(cè)幅為大件路，設(shè)計(jì)荷載為汽超-20級(jí)，掛車-120級(jí)，人群荷載為3.5 kN/m2，全橋?qū)?0 m(2×13 m行車道+2 m中央分隔帶+2×6 m人行道及欄桿)。清水河大橋凈跨徑為45 m，矢跨比1/4，本橋主拱為實(shí)心鋼筋混凝土矩形下承式肋拱，全橋共3片肋，拱軸線線形為懸鏈線，本橋基礎(chǔ)采用重力式剛性基礎(chǔ)，橋面板、橫梁、縱梁均為預(yù)制。清水河大橋縱向布置示意見(jiàn)圖1，橫向布置示意見(jiàn)圖2。本橋吊索為19根7Φ5鋼絞線，錨具采用新津筑路機(jī)械廠生產(chǎn)的YM15-19型錨具。

圖1　縱向布置示意

圖2　橫向布置

2　試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容及方法

2.1　試驗(yàn)研究主要內(nèi)容

清水河大橋拆除時(shí)，選取對(duì)拆除保留完好的吊桿吊索及錨頭分別進(jìn)行試驗(yàn)研究。吊索試驗(yàn)檢測(cè)分為現(xiàn)場(chǎng)張拉試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)解剖試驗(yàn)和室內(nèi)鋼絞線及錨頭試驗(yàn)三個(gè)階段。

(1)現(xiàn)場(chǎng)張拉:主要測(cè)試錨頭處橫梁外表的受力情況，分析橫梁應(yīng)力，判斷橫梁在張拉過(guò)程中是否被破壞。

(2)現(xiàn)場(chǎng)解剖試驗(yàn):主要將錨頭張拉完后，將包裹錨頭外的橫梁采用機(jī)械破碎結(jié)合人工破碎的方法對(duì)橫梁及橫梁內(nèi)鋼絞線、錨頭進(jìn)行解剖試驗(yàn)。

(3)室內(nèi)鋼絞線及錨頭試驗(yàn): 對(duì)鋼絞線[5]和錨具[6]進(jìn)行基本材質(zhì)試驗(yàn)，包括單根鋼絞線抗拉強(qiáng)度、延伸率[6]、非比例極限[6]、彈性模量的試驗(yàn)[6]和錨具外觀[6]、硬度[6]、靜載錨固系數(shù)[6]的測(cè)試。

2.2　試驗(yàn)方法及過(guò)程

2.2.1試驗(yàn)前有限元計(jì)算

在整體張拉試驗(yàn)前對(duì)橫梁建立有限元模型進(jìn)行應(yīng)力[4]分析，模擬張拉受力情況，分析橫梁應(yīng)力，判斷橫梁在張拉過(guò)程中是否被破壞。有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3　計(jì)算分析模型

2.2.2現(xiàn)場(chǎng)張拉試驗(yàn)方法

2.2.2.1準(zhǔn)備工作

(1)將錨墊板喇叭管內(nèi)的混凝土清理干凈；(2)清除鋼絞線上的銹蝕、泥漿；(3)套上工作錨板，根據(jù)氣候干燥程度在錨板錐孔內(nèi)抹上一層簿簿的黃油；(4)錨板每個(gè)錐孔內(nèi)裝上工作夾片(圖4)。

圖4　準(zhǔn)備工作

2.2.2.2安裝定位

(1)套上相應(yīng)的限位板，根據(jù)鋼絞線直徑大小確定限位尺寸；(2)裝上張拉千斤頂，并且與油泵相連接；(3)裝上可重復(fù)使用的工具錨板；(4)裝上工具夾片(夾片表面涂上退錨靈)(圖5)。

圖5　安裝定位

2.2.2.3加載

(1)向千斤頂張拉油缸慢慢送油，直至達(dá)到計(jì)算值；(2)測(cè)量預(yù)應(yīng)力筋伸長(zhǎng)量；(3)做好張拉詳細(xì)記錄(圖6)。

圖6　加載

2.2.2.4退錨

(1)卸載；(2)以退錨千斤頂退錨(圖7)。

圖7　退錨

3　現(xiàn)場(chǎng)解剖試驗(yàn)

采用機(jī)械破碎結(jié)合人工破碎的方法對(duì)橫梁及橫梁內(nèi)鋼絞線、錨頭進(jìn)行解剖試驗(yàn)。

4　鋼絞線、錨具的基本材質(zhì)試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)鋼絞線和錨具進(jìn)行基本材質(zhì)試驗(yàn)，包括單根鋼絞線抗拉強(qiáng)度、延伸率、非比例極限、彈性模量的試驗(yàn)和錨具外觀、硬度、靜載錨固系數(shù)的測(cè)試等。

5　試驗(yàn)結(jié)果研究分析

5.1　整體張拉試驗(yàn)分析

5.1.1有限元模型計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)有限元模型計(jì)算，在達(dá)到設(shè)計(jì)最大張拉力時(shí)，橫梁的Von Mises等效應(yīng)力均小于C40混凝土的極限抗壓強(qiáng)度，橫梁在張拉全過(guò)程中混凝土不會(huì)被破壞。橫梁等效應(yīng)力見(jiàn)圖8。

圖8　橫梁Mises等效應(yīng)力

5.1.2現(xiàn)場(chǎng)橫梁應(yīng)力測(cè)試

為保證試驗(yàn)過(guò)程的安全，在對(duì)II號(hào)橫梁進(jìn)行整體張拉試驗(yàn)的過(guò)程中，橫梁監(jiān)控應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)布置[8]，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橫梁表面應(yīng)力。

5.1.3實(shí)測(cè)應(yīng)力與有限元計(jì)算應(yīng)力比較

在整體張拉過(guò)程中，橫梁表面實(shí)測(cè)應(yīng)力均小于有限元計(jì)算應(yīng)力，即結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)均小于1，符合試驗(yàn)要求。吊索被破壞時(shí)，3#～8#測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力值與有限元計(jì)算的應(yīng)力值見(jiàn)表1。監(jiān)控的橫梁錨頭附近最大應(yīng)力推算為2.24 MPa，張拉過(guò)程中實(shí)際監(jiān)測(cè)橫梁錨頭附近最大應(yīng)力小于該值，同時(shí)觀察未發(fā)現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的裂縫。排除由周邊混凝土強(qiáng)度不足導(dǎo)致錨具移位、錨固效率系數(shù)下降的可能。

表1　吊索破壞時(shí)各控制測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值

5.2?、蛱?hào)索整索整體張拉結(jié)果分析

Ⅱ號(hào)索整索整體張拉，錨固效率系數(shù)[9]ηa=0.827 7，小于0.95，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。從破壞形態(tài)看，錨具破壞形式表現(xiàn)為部分鋼絞線頸縮破斷。鋼絞線受力不均、銹蝕導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低，故在未達(dá)到設(shè)計(jì)值之前部分鋼絞線率先破壞。

表2?、蛱?hào)索整索試驗(yàn)結(jié)果

5.3?、?、Ⅴ索現(xiàn)場(chǎng)單根張拉結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，Ⅳ索現(xiàn)場(chǎng)張拉7根，Ⅴ索現(xiàn)場(chǎng)張拉10根，單索破壞形式為頸縮破壞。單索極限應(yīng)力見(jiàn)表3，單索張拉力與單索總應(yīng)變關(guān)系圖見(jiàn)圖9。

圖9　單索張拉力與單索總應(yīng)變關(guān)系

從表3看出，最小的張拉破斷力為201 kN，僅達(dá)到設(shè)計(jì)值的77 %，鋼絞線的破壞形態(tài)亦為頸縮破斷(注：在本次實(shí)際測(cè)試過(guò)程中單根張拉有一定偏斜，會(huì)降低其極限強(qiáng)度)。從圖9看，單索張拉力與實(shí)測(cè)總應(yīng)變的關(guān)系無(wú)對(duì)應(yīng)規(guī)律。

5.4　解剖試驗(yàn)結(jié)果分析

張拉試驗(yàn)完成后對(duì)6個(gè)吊索進(jìn)行解剖試驗(yàn)。通過(guò)解剖結(jié)果表明：(1)橫梁內(nèi)鋼絞線銹蝕情況和橫梁以上差異不大[8]；(2)部分橫梁內(nèi)鋼絞線未灌漿[8]，或灌漿偏向一側(cè)；(3)整體張拉的II號(hào)索錨頭外觀情況較好，未出現(xiàn)失效跡象[8]。

表3　單索極限拉力

根據(jù)解剖試驗(yàn)樣品情況，鋼絞線抗拉強(qiáng)度下降，吊索體系破壞先從鋼絞線破斷開(kāi)始說(shuō)明鋼絞線銹蝕是導(dǎo)致鋼絞線率先破壞的首要原因；其次，灌漿不均，鋼絞線非均勻受力也是導(dǎo)致部分鋼絞線破壞的因素之一。

5.5　室內(nèi)單根鋼絞線張拉結(jié)果

室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，將截取的樣品進(jìn)行了4組12根鋼絞線的張拉，在基本排除張拉傾斜對(duì)極限強(qiáng)度的影響后，最小的張拉破斷力為222 kN[8]，僅達(dá)到設(shè)計(jì)值的85 %，最大的也僅為246 kN，仍不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這說(shuō)明鋼絞線的銹蝕對(duì)于鋼絞線張拉極限強(qiáng)度的影響是主要的。

5.6　室內(nèi)更換鋼絞線后張拉結(jié)果

為了研究錨具對(duì)于錨固效率系數(shù)的影響，在對(duì)6個(gè)吊索進(jìn)行解剖后，選擇3個(gè)錨具進(jìn)行更換合格鋼絞線后的整體張拉試驗(yàn)，本試驗(yàn)共進(jìn)行三組，依次編號(hào)為c、d、e號(hào)。

(1)c號(hào)錨具整體張拉結(jié)果：更換鋼絞線后張拉，錨固效率系數(shù)ηa=0.940 8[8]，小于0.95，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

(2)d號(hào)錨具整體張拉結(jié)果：更換鋼絞線后張拉，錨固效率系數(shù)ηa=0.891 0，小于0.95，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

(3)e號(hào)錨具整體張拉結(jié)果：更換鋼絞線后張拉，錨固效率系數(shù)ηa=0.937 8，小于0.95，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

由以上三組試驗(yàn)結(jié)果可知，更換鋼絞線以排除鋼絞線銹蝕對(duì)于錨固效率系數(shù)的影響后，錨具的錨固效率系數(shù)有了大幅提升，進(jìn)一步說(shuō)明了吊索體系破壞主要是由于鋼絞線銹蝕造成。但以上三組錨具錨固效率系數(shù)仍不符合設(shè)計(jì)要求，這說(shuō)明錨杯銹蝕，握裹力下降也是影響錨固效率系數(shù)的因素。

5.7　靜載錨固試驗(yàn)后錨具金屬超聲波探傷和硬度試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)錨具的金屬超聲波探傷和硬度試驗(yàn)，檢驗(yàn)該橋錨具在極限荷載后是否滿足使用要求，并從外部因素上分析造成錨具接缺陷的原因，進(jìn)一步依據(jù)規(guī)范規(guī)程評(píng)定其質(zhì)量是否滿足設(shè)計(jì)要求。

5.7.1金屬超聲波探傷

根據(jù)JB/T 4730.3-2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第3部分：超聲檢測(cè)》對(duì)錨具進(jìn)行缺陷評(píng)價(jià)。規(guī)范中5.1.9質(zhì)量分級(jí)焊接接頭質(zhì)量分級(jí)要求如表5，實(shí)物金屬超聲波探傷檢測(cè)結(jié)果如表6。

對(duì)原橋拆回六套錨具在靜載試驗(yàn)后進(jìn)行金屬探傷，未發(fā)現(xiàn)大于0.2 mm的線性缺陷。

表4　吊索整索試驗(yàn)結(jié)果

表5　焊接接頭質(zhì)量分級(jí)要求

表6　金屬超聲波探傷檢測(cè)結(jié)果

5.7.2硬度檢驗(yàn)

硬度測(cè)試時(shí)要求構(gòu)件表面光潔平整，所拆卸的錨具均不能達(dá)到要求，對(duì)一套錨具局部進(jìn)行處理后進(jìn)行測(cè)試，硬度符合同類型錨具設(shè)計(jì)要求。

6　結(jié)論

吊索錨固效率系數(shù)是反映吊索體系結(jié)構(gòu)安全性的一個(gè)綜合指標(biāo)，通過(guò)對(duì)成都市二環(huán)路清水河大橋吊桿的試驗(yàn)分析，說(shuō)明PE管內(nèi)灌漿的防銹體系的效果不理想，鋼絞線銹蝕，導(dǎo)致吊索錨固效率系數(shù)僅為82.77 %，遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的95 %。根據(jù)試驗(yàn)，錨具效率系數(shù)的影響因素有以下三點(diǎn)：

(1)吊桿拱橋吊索錨固效率系數(shù)不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，主要是由于鋼絞線銹蝕致使截面變小，鋼絞線抗拉極限強(qiáng)度不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，鋼絞線率先頸縮破壞導(dǎo)致錨具失效。

(2)試驗(yàn)中所檢測(cè)的鋼絞線存在未灌漿或灌漿偏向一側(cè)的現(xiàn)象，不僅會(huì)影響防腐效果，還將引起鋼絞線受力不均，進(jìn)一步降低整根吊索鋼絞線整體抗拉強(qiáng)度。

(3)錨杯銹蝕，幾何尺寸發(fā)生細(xì)微變化，造成握裹力下降對(duì)吊索錨固效率系數(shù)也有一定影響。

7　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，吊索的破壞主要是由于銹蝕引起，因此今后對(duì)此類橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量科學(xué)化，便于施工實(shí)施難度降低；施工中應(yīng)精細(xì)化施工，提供科學(xué)的施工工藝和施工管理水平，做好吊索尤其是吊索鋼絞線的防腐措施[3]；對(duì)于同類橋梁的養(yǎng)護(hù)管理工作應(yīng)建立詳細(xì)的養(yǎng)護(hù)管理工作制度和巡查制度。