鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋常見病害空間特征分析

劉小玲, 文萌, 汪炳

(1.寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，浙江 寧波 315200；2.寧波大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院)

近年來(lái)，斜拉橋由于其跨越能力強(qiáng)、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。隨著世界范圍內(nèi)對(duì)大跨徑橋梁的需求增大，建成了數(shù)以百計(jì)的大跨徑斜拉橋。但是，斜拉橋構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，早期設(shè)計(jì)施工存在一些問題，再加上長(zhǎng)時(shí)間的荷載和養(yǎng)護(hù)不到位的影響，大量斜拉橋在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)不可避免地出現(xiàn)了多種病害問題，成為結(jié)構(gòu)安全的較大隱患。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同類型斜拉橋的病害進(jìn)行分類總結(jié)研究。田志強(qiáng)等通過國(guó)內(nèi)外斜拉橋病害調(diào)研，總結(jié)出鋼塔斜拉橋重要部件的典型病害；吳育苗、江向紅等對(duì)混凝土斜拉橋的病害成因進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)處理方案。學(xué)者們主要研究病害的成因和處治辦法，但是對(duì)于病害的空間特征并未做深度挖掘。謝發(fā)祥等通過管養(yǎng)數(shù)據(jù)總結(jié)分析了高速公路板梁橋病害特征，并對(duì)其主要病害隨跨徑的發(fā)展特征進(jìn)行了總結(jié)；韋鋒等初步分析了混凝土剛構(gòu)橋典型病害的分布特點(diǎn)，這些成果對(duì)斜拉橋的病害統(tǒng)計(jì)具有借鑒意義。鑒于此，該文以鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋?yàn)槔谝延械牡湫筒『?，?duì)主要部件病害進(jìn)行整理和歸類，對(duì)病害的空間特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，為斜拉索的養(yǎng)護(hù)和維修提供參考。

1 某鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋的檢測(cè)概況

某斜拉橋位于江蘇省南京市，主橋全長(zhǎng)1 288.0 m，呈南北向布置，跨徑布置為(63+257+648+257+63)m。該橋于2005年10月7日正式通車。主梁采用正交異性鋼箱梁形式，索塔為鋼箱形式的弧線形塔，下部結(jié)構(gòu)中采用樁柱式墩臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。對(duì)于斜拉索系統(tǒng)而言，該橋采用雙索面形式，斜拉索呈東西側(cè)對(duì)稱布置，每個(gè)索面有84根索，一共168根。斜拉索采用直徑為7 mm的高強(qiáng)度平行鋼絲外擠包高密度聚乙烯形式，最小型號(hào)為109根鋼絲束，最大型號(hào)為241根鋼絲束。目前橋梁正常運(yùn)營(yíng)，在2010年年度檢測(cè)中屬于1類橋，2012年檢測(cè)為3類橋，主要是主梁斜腹桿多處裂紋造成的。2013年對(duì)之前的病害進(jìn)行了維修，結(jié)構(gòu)評(píng)定為1類橋。因此，該文以2012年檢測(cè)報(bào)告中的病害為統(tǒng)計(jì)對(duì)象。

2 斜拉索常見病害特征分析

2.1 斜拉索病害在不同部位的分布特征分析

2012年，工程背景橋的斜拉索系統(tǒng)評(píng)分為83.9分。斜拉索系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間荷載、風(fēng)雨等自然環(huán)境的作用下，易出現(xiàn)各類病害問題，從該橋年檢報(bào)告可以看出：斜拉索的上下錨頭、索體、護(hù)套、減震系統(tǒng)等部位都出現(xiàn)了不同程度的病害，主要表現(xiàn)為鋼護(hù)套表面防銹漆多處脫落、錨頭的防腐油脂滲漏、下錨頭圓形鋼護(hù)筒內(nèi)海綿碎裂等病害。

根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，表1為斜拉索系統(tǒng)中上錨頭、拉索護(hù)套鋼護(hù)筒段、下錨頭、減震裝置等部位的病害數(shù)量。

表1 斜拉索病害在不同部位分布

從表1可以看出：整體病害數(shù)量和種類并不多，說(shuō)明目前斜拉索系統(tǒng)處于相對(duì)較好的狀態(tài)。病害較多的地方為上錨頭、拉索護(hù)套以及下錨頭。20個(gè)上錨頭存在防腐油脂滲漏問題，此類病害在距離橋面190.6～205.6 m處多發(fā)，即對(duì)應(yīng)最長(zhǎng)的6根拉索位置，說(shuō)明較長(zhǎng)的拉索錨頭處易發(fā)生防腐油脂滲漏，這些斜拉索承擔(dān)著較大的索力，因此更容易受到破壞，應(yīng)加強(qiáng)長(zhǎng)索的病害檢查。下錨頭僅有7處防腐油脂滲漏，其余為涂裝層起皮問題。護(hù)套病害主要是斜拉索鋼護(hù)筒防銹漆脫落。

2.2 護(hù)套病害的空間分布特征

該橋運(yùn)營(yíng)時(shí)間不長(zhǎng)，拉索的使用時(shí)間僅為7年，因此護(hù)套沒有致命的病害，檢測(cè)出護(hù)套病害類型中97%的病害為斜拉索鋼護(hù)筒防銹漆脫落，這種病害存在于27.4%的拉索中。

經(jīng)調(diào)查：① 斜拉索鋼護(hù)筒部分防銹漆脫落情況為:上游僅有5處病害，而下游有41處。橋梁的下游明顯比上游斜拉索護(hù)套開裂數(shù)量多;② 斜拉索護(hù)套開裂的病害在下游的分布情況為：普遍南塔岸側(cè)以及跨中病害較多，這可能是由于常年多東南風(fēng)造成。南京屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域，夏季受海風(fēng)影響，吹東南風(fēng)，同時(shí)濕度較大，造成了南邊的涂裝層出現(xiàn)較多的劣化問題。養(yǎng)護(hù)單位在評(píng)估時(shí)可以考慮以單側(cè)最不利情形為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 索力的時(shí)空分布特征分析

對(duì)此橋的40根長(zhǎng)索索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由于是在通車狀態(tài)下測(cè)量的，而第一次通車狀態(tài)測(cè)量索力是在2009年，因此，將這兩次結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。2012年相比2009年索力值相差不大，40根拉索索力合計(jì)增長(zhǎng)了779 kN，拉索變化率均在2%以內(nèi)，表明該橋總體表現(xiàn)平穩(wěn)。圖1為上游20根拉索和下游20根拉索相比2009年的索力變化率，其中SA代表南塔岸側(cè)索，SJ代表南塔江側(cè)索，NJ代表北塔江側(cè)索，NA代表北塔岸側(cè)索。索長(zhǎng)從短到長(zhǎng)依次編號(hào)為1～21。索力變化幅度最大為1.9%，表明索力整體保持穩(wěn)定。上下游索力變化增減基本一致，但是仍然存在某些拉索變化相異的情況。

圖1 2012年上下游索力變化率對(duì)比

由圖1可以看出：北塔兩邊的索力出現(xiàn)了上下游變化不同的情況，而南塔兩側(cè)的上下游索力基本保持了相同的趨勢(shì)，而且普遍索力增大。這樣不對(duì)稱的變化特征，需進(jìn)一步檢測(cè)兩個(gè)塔的偏位情況，以做進(jìn)一步判斷。

3 鋼箱梁常見病害特征分析

主梁評(píng)定為5類部件，主要是由斜腹桿過焊孔的受力裂縫導(dǎo)致。目前鋼箱梁檢測(cè)出主要病害是涂裝層銹蝕以及斜腹桿過焊孔的裂紋，涂裝層銹蝕小且散。

圖2為鋼箱梁每個(gè)箱室內(nèi)涂裝層銹蝕的總面積。

由圖2可見：大部分箱室內(nèi)涂裝層銹蝕狀況較為一致，在梁體的兩端涂裝層問題相對(duì)較多。而在北塔側(cè)一個(gè)箱室內(nèi)出現(xiàn)了異常高的劣化面積，達(dá)到了1 650 cm2。在檢測(cè)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注梁體兩端的涂裝層劣化狀況。

圖2 鋼箱梁涂裝層銹蝕分布圖

圖3為鋼箱梁斜腹桿過焊孔裂紋分布情況。由圖3可以看出：鋼箱梁斜腹桿過焊孔裂紋分布與主梁的受力分布吻合。在橋塔附近的鋼箱梁受力較為穩(wěn)定，斜腹桿過焊孔基本無(wú)裂紋，但是在跨中很大一片區(qū)域以及輔助墩附近，裂紋擴(kuò)展迅速，甚至過焊孔整個(gè)斷裂，因此在過焊孔裂紋檢測(cè)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注受力不利點(diǎn)。

圖3 鋼箱梁斜腹桿過焊孔裂紋分布圖

4 鋼塔常見病害分布特征分析

索塔評(píng)分為84.9分，評(píng)定等級(jí)為2級(jí)。鋼塔的主要病害有較多涂裝層缺陷(脫落、開裂、銹蝕)、190個(gè)高強(qiáng)螺栓銹蝕，1個(gè)高強(qiáng)螺栓丟失、焊縫不飽滿等。其中最多的問題是涂裝層缺陷。

圖4為南北兩個(gè)鋼塔的涂裝層缺陷統(tǒng)計(jì)分布。

從圖4可以看出：南塔和北塔涂裝層缺陷在不同箱室的分布特征大致相同，在塔高較矮的地方，涂裝層缺陷基本較少，而在塔高較高的地方，涂裝層缺陷較多，甚至19號(hào)箱室的涂裝層劣化面積達(dá)到了1 m2。因此，在橋塔涂裝層缺陷檢查中應(yīng)格外關(guān)注塔頂位置。

圖4 鋼塔涂裝層缺陷統(tǒng)計(jì)分布圖

5 結(jié)論

通過對(duì)某大跨徑鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋2012年檢測(cè)報(bào)告中病害的特征(主要分析部件包括斜拉索、鋼箱梁、鋼塔)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)斜拉索錨頭防腐油脂滲漏多出現(xiàn)在長(zhǎng)索中。斜拉索護(hù)套開裂病害在上游和下游分布相差很大，評(píng)估時(shí)可以考慮以單側(cè)最不利情形為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。上下游索力可能變化不一致，順橋向索力變化應(yīng)結(jié)合塔頂偏位作進(jìn)一步判斷。

(2)鋼箱梁涂裝層缺陷檢測(cè)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注梁體兩端的劣化狀況。鋼箱梁斜腹桿過焊孔裂紋分布與主梁的受力分布吻合。應(yīng)重點(diǎn)檢測(cè)跨中區(qū)域和輔助墩附近。

(3)鋼塔典型病害為涂裝層缺陷，包括脫落、開裂、銹蝕等，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注橋面處和塔頂區(qū)域。