大跨懸索橋吊桿的典型病害成因分析及維護*

曾勇 李仁杰 譚紅梅 楊長春

(1.重慶交通大學省部共建山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室 400074；2.重慶交通大學山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)與材料教育部工程研究中心 400074）

引言

吊桿在懸索橋的傳力構(gòu)件中扮演著十分重要的角色， 其連接著加勁梁和主纜。 吊桿的性能與懸索橋的安全運營息息相關。 但隨著懸索橋正常運營過程中， 外部環(huán)境和繁重交通的不斷作用，吊桿性能必定會逐步下降。 拉索護套損傷為吊桿鋼絲的腐蝕提供了條件， 而鋼絲腐蝕是危害極大的一種吊桿失效形式。 由于各種因素， 如護套損傷， 鋼絲腐蝕、 開裂、 斷絲等， 不少吊桿在運營后都出現(xiàn)了損傷， 往往需要提前更換[1-6]。

鑒于吊桿病害損傷帶來的結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟損失， 有必要對病害問題展開研究， 并提出相應的養(yǎng)護對策。 本文較詳細地分析了吊桿的病害類型與成因， 提出吊桿的檢測與維護的關鍵部位， 對不同類型的病害損傷提出了相應的維護方法， 為科學地制定吊桿養(yǎng)護、 檢測、 評定以及更換策略提供參考。

1 吊桿的常見病害與成因

在運營過程中， 吊桿在外部環(huán)境與交通荷載下各組成部分會逐漸在外觀、 力學、 材料、 性能等方面發(fā)生改變， 使其逐漸喪失使用功能乃至破壞[1，2]。 吊桿常見的病害包括吊桿護套損傷、 吊桿錨頭病害、 吊桿鋼絲病害和附屬構(gòu)件的病害。

1.1 護套的損傷

護套多采用HDPE， 其病害常常表現(xiàn)為開裂，主要受制作材料和使用環(huán)境的影響。 具體表現(xiàn)形式包括龜裂、 劃痕、 刮痕、 裂縫等[1，2]。

吊桿 PE 護套破損的主要原因有[3]: (1）HDPE 材料性能； (2）護套制造、 運輸、 施工、運營過程的影響； (3）護套受力不合理； (4）不正確的檢修； (5）護套使用環(huán)境。

1.2 吊桿錨頭的病害

既有吊桿病害調(diào)查[1-3]表明， 錨頭的病害主要包括銹蝕、 變形開裂和滲積水。

(1）錨頭銹蝕

錨頭銹蝕易出現(xiàn)在錨杯等積水積塵的部位， 其原因大多是錨杯保護罩密封不嚴或未設置保護罩。

(2）錨頭開裂變形

錨頭變形或開裂較少出現(xiàn)， 僅有國外的Maracaibo 橋報道了錨頭的開裂損傷[7]。

(3）下錨頭滲積水

下錨頭滲積水使預埋管和索體內(nèi)的空氣濕度增加， 錨頭與索體易腐蝕。 常見的滲水原因有:護套開裂， 密封防護失效， 下錨頭開裂。

1.3 吊桿鋼絲的病害

吊桿鋼絲的病害主要有銹蝕、 松弛、 開裂及斷絲等。 其中， 鋼絲銹蝕占絕大部分， 主要原因是防護措施失效導致鋼絲與外界介質(zhì)接觸并發(fā)生反應[1-3]。 引發(fā)鋼絲銹蝕的因素有很多， 如內(nèi)部潮濕的空氣、 雨水和微生物等， 見圖1。

圖1 拉索鋼絲的銹蝕Fig.1 Corrosion of cable wire

鋼絲銹蝕后產(chǎn)生的物質(zhì)遮蓋住了本身的裂紋， 只有當其斷裂時才被發(fā)現(xiàn)， 見圖2。 鋼絲斷裂在吊桿中很常見且使得吊桿內(nèi)鋼絲受力不均勻， 如Maracaibo 橋進行檢測時發(fā)現(xiàn)多根拉索有斷絲現(xiàn)象[7]。

圖2 鋼絲表面裂紋Fig.2 Steel wire surface crack

鍍鋅鋼絲在正常大氣環(huán)境下的銹蝕速度較低， 但雨水中鋼絲銹蝕則非?？?。 雨水經(jīng)過護套破損處達到表層鋼絲， 由于雨水往往通過護套和鋼絲之間的狹小縫隙流向了吊桿的下部。 在這整個過程中， 可能有一部分雨水積留在了扎絲處并沿著該截面向兩側(cè)侵入， 直到雨水在該截面的其他位置再次找到通向下方的空隙。

鋼絲的銹蝕程度表現(xiàn)為由破損處沿截面徑向逐漸減弱。 由于被扎絲箍緊， 鋼絲間的縫隙較小， 鮮有雨水能夠通過縫隙到達更深層次的鋼絲表面， 即越接近內(nèi)部， 鋼絲接觸到雨水的概率就越小。

1.4 附屬構(gòu)件的病害

吊桿附屬構(gòu)件的主要病害有: (1）涂裝油漆的表面涂膜病害， 如局部起泡、 開裂、 脫起、 粉化等； (2）索夾、 耳板填封料破損、 剝落、 開裂等； (3）吊索減振架等附屬構(gòu)件銹蝕或疲勞斷裂；(4）索夾在主纜上滑移， 索夾的腐蝕、 斷裂、 變形等。

索夾滑移的原因有: (1）高強度拉桿在長期服役過程中索夾與主纜的連接減弱且預應力松弛； (2）主纜的擠緊程度提高， 空隙率減小， 使得索夾在主纜上產(chǎn)生滑移[8]。 索夾滑移會使得吊索與加勁梁之間產(chǎn)生傾角， 從而導致它們之間的受力狀態(tài)發(fā)生改變； 索夾滑移會損傷主纜纏絲等保護層[9]。

2 吊桿的維護

2.1 PE 護套的維護

針對吊桿PE 護套的損傷程度與類型， 需采用相應的維修措施。

(1） 如果PE 護套有機械損傷或局部老化和開裂， 但又不失去保護功能， 則可用原來的PE管材料對開裂的部分熱成型進行修補。

(2） 如果PE 管老化開裂部分較多且有雨水進入索體而喪失了保護功能， 但鋼絲銹蝕和斷絲未超過5%或銹蝕削弱截面未超過5%， 僅更換PE 管。

(3） 如果PE 管老化開裂嚴重， 斜拉索的鋼絲斷絲超過5%， 或銹蝕削弱截面超過5%， 則應考慮換索。 這種情況下也可以考慮先更換PE管而不替換索， 這是因為吊桿在設計時選取了2.5 的安全系數(shù)表示吊桿承載力有著一定的安全儲備， 斷絲5%并不影響吊桿的承載能力， 但應找出斷絲的原因， 進行重點觀察。

2.2 吊桿的索力測試

定期測試吊索內(nèi)力變化情況[3]， 及時發(fā)現(xiàn)索力變化大于10 %的吊桿。 雖然在運營階段， 吊桿的索力變化是很正常的， 但索力變化幅度一旦超過10%， 或者是主梁的標高變化超過規(guī)范規(guī)定要求， 則需要進行計算、 驗證， 分析原因。 綜合考慮各種影響因素， 來確定是否進行吊桿的索力調(diào)整。

2.3 吊桿腐蝕微環(huán)境控制

潮濕環(huán)境中的50μm 熱鍍鋅層10 年內(nèi)就可能完全腐蝕消耗掉并使得鋼絲失去保護， 而在相對濕度小于60%環(huán)境中則需要200 年以上。 由于吊桿制造、 施工與運營過程中存在諸多不利因素，要使所有吊桿內(nèi)的相對濕度小于60%是比較困難的。

吊桿鋼絲腐蝕的微環(huán)境因素有溫度、 電解質(zhì)、 水汽和氧氣的含量等。 溫度通過改變內(nèi)環(huán)境中的水汽含量來改變鍍鋅鋼絲的腐蝕速率，且水汽和氧氣的含量可以人為影響。 常用的可用于控制拉索內(nèi)部微環(huán)境的方法有三種: 干燥空氣除濕法、 除濕材料除濕法、 通電加熱除濕法[10]。

2.4 吊桿索體的檢查

吊桿索體的檢查分為經(jīng)常性檢查和定期檢查， 經(jīng)常性檢查以目測為主， 定期檢查除目測外， 還需要配置專門的儀器設備， 如放大鏡、 水平儀、 望遠鏡、 數(shù)碼相機等檢查設備[2]。 索體的檢查內(nèi)容有:

(1）對吊桿PE 管進行外觀檢查， 是否開裂和破損， 減震圈是否松動脫落， 防護筒是否進水等。

(2）檢查錨頭的螺紋與螺母是否銹蝕。

(3）觀測吊桿的風振、 雨振狀況。 若吊桿振幅較大， 則需要及時上報， 以便于及實地判斷是否采取適當?shù)臏p振措施。

(4）若吊桿錨固標高下降程度較大時， 需檢查該吊桿是否存在斷絲問題。

(5）對于索力變化較大的吊桿， 需進行鋼絲銹蝕和鋼絲斷絲檢查。

(6）對短吊桿重點檢測其疲勞斷裂破壞情況，對長吊桿檢測其腐蝕破壞情況。 短吊桿剛度較大， 適應結(jié)構(gòu)變形能力較差， 且往往受力較為不利， 易發(fā)生疲勞斷裂破壞； 長吊桿的振動頻率比短索低， 更容易發(fā)生各種類型的振動， 長吊桿出現(xiàn)腐蝕病害的概率較大， 銹蝕等級也較高。 吊桿振動使得破損部位進一步惡化， 也使得內(nèi)部殘留的水漬繼續(xù)向下流動， 造成更為嚴重的銹蝕。

2.5 吊桿銹蝕檢測

吊桿鋼絲銹蝕檢測隨著具體案例的增多引起廣泛的關注。 目前吊桿銹蝕檢測的方法有: 聲學檢測、 漏磁檢測、 電阻檢測、 時域反射法檢測、射線檢測、 腐蝕電位檢測、 光纖檢測、 目檢等[2]。

聲學銹蝕檢測是利用超聲波探傷原理， 探測鋼絲表面的裂紋或缺陷， 還能判定斷絲位置。 在吊桿的兩端安裝聲波接收器， 根據(jù)聲波到達兩端傳感器的時間差以及聲速即可判斷斷絲位置[2]。

目檢是依靠人眼根據(jù)吊桿的外觀形貌變化來評估鋼絲的銹蝕程度， 目前較為常用。 但目檢的人為因素影響大， 屬于定性分析。 但相比其他檢測方法， 目檢的工程適用性強。

3 吊桿的安全評估

3.1 吊桿的鋼絲斷裂評估

當鋼絲的保護系統(tǒng)不起作用時， 水蒸汽會穿過保護系統(tǒng)， 使鋼絲發(fā)生腐蝕， 進而出現(xiàn)斷絲。目前大多認為決定裂紋擴展速率的主要因素有裂紋的前緣應力和應變場的應力強度因子， 同時還與門檻值ΔKth、 應力比、 加載頻率、 材料性質(zhì)等因素有關[6]。

圓形鋼絲的表面裂紋形狀主要有兩種: 直線型前鋒裂紋、 圓型前鋒裂紋。 從已有的懸索橋的受損鋼絲的檢測結(jié)果來看， 鋼絲的表面裂紋隨時間不斷發(fā)生著變化。 在裂紋發(fā)展的最初階段， 裂紋往往是半圓形的， 隨著裂紋不斷發(fā)展， 前端逐漸變平而趨于一條直線。

裂紋的存在使得在吊桿鋼絲強度分析時須采用線彈性斷裂力學(LEFM）的方法。 裂紋尖端的應力場的分布與大小與實際的名義應力、 裂紋的尺寸方向和形狀以及材料屬性有關。 如果實際的鋼絲應力場強度因子小于其臨界值， 就不會出現(xiàn)裂紋。

3.2 吊桿壽命評估準則

1.索體鋼絲銹蝕壽命準則

鋼絲銹蝕準則是以索體內(nèi)鋼絲由于雨水和空氣進入而產(chǎn)生銹蝕的時間作為橋梁構(gòu)件的壽命。這一準則認為， 橋梁構(gòu)件中的鋼絲(鋼絞線）銹蝕到一定程度將被視為危及橋梁構(gòu)件安全， 需要維修更換。

對于索體銹蝕壽命的評價指標， 鍍鋅橋梁鋼絲的腐蝕主要分為四個階段。 美國聯(lián)邦公路管理局《橋梁關鍵脆斷構(gòu)件的檢查指南》(FHWA -1P 86 -26）中給出了以下腐蝕階段的定義[6]。

階段1: 鋼絲表面有明顯的金屬光澤， 少量隨機的白色鋅腐蝕產(chǎn)物近距離可見。

階段2: 隨著鋅層的腐蝕， 鋼絲表面變得灰暗。 鋼絲最終被一層白色的粉狀殘留物(鋅的腐蝕產(chǎn)物）覆蓋。 在白色殘留物的覆蓋下鋼絲此階段不發(fā)生鐵的腐蝕。

階段3: 鋅覆蓋層幾乎完全耗盡， 鐵腐蝕的痕跡在鋼絲表面可見。 少量鋼絲裂紋在此階段可能發(fā)生。

階段4: 鐵銹在鋼絲表面已經(jīng)很普遍。 鋼絲表面出現(xiàn)蝕坑。 鋼絲裂紋和裂口在此階段的退化中可能出現(xiàn)。

2.PE 護套開裂壽命準則

橋梁構(gòu)件最主要的防護就是PE 護套。 根據(jù)部分橋梁索結(jié)構(gòu)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)， PE 套一般使用幾年內(nèi)就會出現(xiàn)開裂并可能發(fā)生索體進水而導致鋼絲銹蝕。 這一準則認為， PE 護套發(fā)生開裂后，橋梁構(gòu)件就失去保護， 一般以橋梁構(gòu)件的裂縫寬度作為橋梁構(gòu)件的使用壽命。

3.橋梁構(gòu)件錨頭進水和銹蝕壽命準則

大部分拉索的下錨頭普遍存在滲水和銹蝕，橋梁構(gòu)件錨頭進水和銹蝕壽命準則是指橋梁構(gòu)件的下錨頭進水量和銹蝕量達到一定程度后， 預埋管和索體內(nèi)的濕度增加， 以錨頭和索體受到腐蝕的時間作為橋梁構(gòu)件的壽命。

4.橋梁構(gòu)件疲勞壽命準則

橋梁構(gòu)件疲勞壽命準則是指橋梁構(gòu)件直至破壞所作用的循環(huán)荷載的次數(shù)或時間。

5.承載力壽命準則

承載力壽命理論是考慮到橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件承載力因各種原因減小， 且一般以某一界限值作為耐久性極限狀態(tài)。

3.3 吊桿銹蝕評估

實橋吊桿的檢測發(fā)現(xiàn)銹蝕鋼絲的腐蝕破壞存在3 種失效模式， 分別是均勻腐蝕與孔蝕、 腐蝕疲勞、 應力腐蝕[3]。

拉索的銹蝕程度分布包括三個類: 沿徑向、沿截面周向以及沿長度方向。 徑向上鋼絲的銹蝕程度由外向內(nèi)逐漸減弱。 為便于研究拉索在徑向上的銹蝕分布變化規(guī)律， 銹蝕比率定義為[3]:

式中:d0為鋼絲的公稱直徑；dmin，n為拉索截面上第n層鋼絲的最小直徑；dmin，1為拉索截面上最外層鋼絲的最小直徑。

檢測結(jié)果表明，dmin，n隨鋼絲的銹蝕程度升高而降低。 對部分試件，dmin，n的變化趨勢并不完全相同， 這是由于鋼絲表面蝕坑下凹程度不均勻造成的。 為方便計算，dmin，n作為銹蝕程度量化指標。 鋼絲徑向銹蝕比率的均值越接近軸心而不斷降低。

鋼絲徑向銹蝕擬合比率的曲線方程[11]為:

表層鋼絲周向銹蝕比率的擬合曲線方程[11]為:

護套破損后， 鋼絲的銹蝕取決于以下影響因素: 鍍鋅層厚度、 鋼絲的銹蝕速度、 鋼絲直徑[3]。 一般來說鋼絲及其鍍層的銹蝕快慢與其周圍環(huán)境狀況有著緊密的聯(lián)系。 由于我國幅員遼闊， 包含了多個氣候地帶， 從而導致各地環(huán)境迥異， 同樣的材料腐蝕速度在不同地區(qū)的反應不同， 差距明顯， 甚至能達到幾十倍。 所以說拉索的銹蝕速度必須結(jié)合吊桿的所處實際環(huán)境， 借鑒描述金屬銹蝕的經(jīng)驗公式[3]為:

式中:C為總腐蝕深度；C1為第一年的腐蝕深度；t為腐蝕持續(xù)時間， 通常以年為單位；n為與腐蝕材料與環(huán)境有關的常數(shù)。

4 吊桿的檢查周期

根據(jù)橋梁的實際情況進行吊桿的經(jīng)常性檢查， 一般情況下， 應每月定期巡視。 在風雨天氣情況下相應地應該對橋梁進行風、 雨振觀察。 若發(fā)生臺風、 地震等自然重大災害或車輛撞擊等重大交通事故， 也應該及時進行檢測。 索力檢測為定期檢查項目， 在建成后第一年需要進行一次全面索力復測， 還要根據(jù)實際交通情況， 每隔2 ～3年進行一次全面檢測[12]。 對于吊桿 PE 管的外觀、 錨頭銹蝕情況、 索力、 吊桿的錨固位置橋面標高等應每年檢查1 次。

定期檢查吊桿套管， 若套管破裂， 吊桿因雨水浸入而可能腐蝕， 需要不斷改善套管內(nèi)環(huán)境。 雖然熱擠PE 防護套的套管內(nèi)空間比灌漿防護套管大， 但是鋼絲腐蝕還受到溫度變化等其他因素的影響。 應當時刻掌握吊桿套管內(nèi)的濕度狀況及溫度變化規(guī)律， 以此來對鋼絲腐蝕狀況進行分析與判斷。 可定期采取除濕降溫措施。

吊桿的檢修內(nèi)容、 間隔與方法方式見表1。

表1 吊桿的建議檢修內(nèi)容、 間隔與方法方式Tab.1 Recommended maintenance content， interval and method of suspender

5 結(jié)語

吊桿是一個可更換的構(gòu)件。 對短吊桿重點檢測其疲勞斷裂破壞， 對長吊桿重點檢測其腐蝕破壞。 本文提出的懸索橋的吊桿評估與管養(yǎng)策略可以用于類似橋梁的吊桿、 系桿或拉索的養(yǎng)護管理。