中承式拱橋吊桿專項(xiàng)檢測(cè)及可靠性分析

□□ 李 鑫，李斯涵，位東升，曾德禮 (.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)089；.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430034)

引言

中承式拱橋中吊桿是將橋面荷載傳遞到拱肋的關(guān)鍵受力構(gòu)件，對(duì)橋梁是否能夠能夠正常運(yùn)營(yíng)起到關(guān)鍵性的作用[1-2]。由于吊桿長(zhǎng)期缺乏科學(xué)保護(hù)，直接承受外界環(huán)境腐蝕以及疲勞荷載作用，近期已出現(xiàn)多座拱橋未達(dá)設(shè)計(jì)使用年限就出現(xiàn)因吊桿銹蝕造成橋梁塌陷等安全事故[3-4]。

吊桿的設(shè)計(jì)使用年限為20年[5]，在使用年限內(nèi)進(jìn)行科學(xué)養(yǎng)護(hù)和定期檢測(cè)等是保障橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)的有效措施。以某大橋?yàn)槔?，?duì)中承式拱橋吊桿進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)和可靠性分析，并提出橋梁吊桿運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)、維修加固或拆除重建等處理建議。

1 工程概況

某中承式勁性鋼筋混凝土拱橋?yàn)槌菂^(qū)的跨江大橋，主跨長(zhǎng)為243.37 m，拱肋凈矢高為48 m，矢跨比為1∶5，主拱拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)為1.756，換算拱厚系數(shù)n為0.8，橋面總寬為19.5 m(含人行道)。橋面縱板為預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，吊桿橫梁為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，縱板與橫梁固結(jié)。橋面布置為3.25 m(人行道)、13 m(車行道)和3.25 m(人行道)。主拱結(jié)構(gòu)為兩條分離式平行拱肋無(wú)鉸拱，兩拱肋用K撐和X撐連接。設(shè)計(jì)荷載：汽車—超20級(jí)，掛車—120級(jí)，人群荷載為3.5 kN·m-2，地震設(shè)防烈度為8度，橋梁立面布置如圖1所示。

圖1 橋梁立面布置圖

該大橋于1990年建成通車，通車11年后，2001年11月，該橋發(fā)生吊桿斷裂，局部橋面坍塌墜江事故，維修后于2002年7月再次投入使用。該橋吊桿體系自2002年更換以來(lái)，已運(yùn)行近20年，為準(zhǔn)確掌握大橋吊桿的技術(shù)狀況和存在的安全隱患，并為大橋吊桿養(yǎng)護(hù)管理工作提供科學(xué)依據(jù)，特對(duì)大橋吊桿進(jìn)行檢測(cè)及可靠性分析研究。

2 吊桿專項(xiàng)檢測(cè)

吊桿作為拱橋的重要傳力構(gòu)件，對(duì)橋梁的安全使用有著至關(guān)重要的作用，然而吊桿又是易受損害的構(gòu)件，由于其長(zhǎng)期暴露在大氣環(huán)境中并且承受交變荷載作用，其破壞常表現(xiàn)為腐蝕和疲勞損傷兩大類[6-7]。

因此，對(duì)吊桿錨固可靠性、油脂老化程度和索力缺陷等進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)及安全評(píng)估，準(zhǔn)確掌握吊桿體系工作狀況是十分必要的。

2.1 吊桿錨固可靠性檢測(cè)

吊桿錨固區(qū)是吊桿和拱肋之間進(jìn)行傳力的關(guān)鍵部位，因而對(duì)吊桿錨頭情況的監(jiān)測(cè)可以在一定程度上反映橋梁的安全情況[8]。吊桿錨頭處檢測(cè)一般采用目測(cè)方法，通常檢查錨頭銹蝕、積水情況、墩頭有無(wú)異常、保護(hù)罩螺絲是否松動(dòng)、錨頭保護(hù)罩內(nèi)側(cè)橡膠墊圈是否存在水珠凝結(jié)、橫梁下錨頭鋼墊板是否銹蝕、鋼墊板周圍混凝土是否破損和脫落等問(wèn)題[9-10]。

由于錨頭與鋼絲連接處、鋼棒與鋼絲連接處操作空間有限，索體周圍密封性較好，主要采用目測(cè)配合內(nèi)窺鏡儀器的方法進(jìn)行檢測(cè)。

2.1.1上錨頭檢測(cè)

打開(kāi)該橋上錨頭鋼錨罩后發(fā)現(xiàn)，97.1%的上錨頭保護(hù)罩基本外觀涂裝較好，82.4%的上錨頭存在保護(hù)罩內(nèi)積水現(xiàn)象，79.4%的上錨頭存在銹蝕現(xiàn)象，58.8%的上錨頭存在不同程度的油脂變質(zhì)或老化現(xiàn)象，并且發(fā)生油脂變質(zhì)的錨頭中有55.0%發(fā)生在下游吊桿中。典型的病害情況如圖2和圖3所示。

圖2 吊桿上錨頭錨杯內(nèi)積水

圖3 吊桿上錨頭螺母銹蝕

2.1.2下錨頭檢測(cè)

下錨頭采用與上錨頭類似的檢測(cè)方法，下錨頭存在的主要問(wèn)題為：85.3%的下錨頭保護(hù)罩或鋼墊板存在銹蝕現(xiàn)象，100%的下錨頭都存在油脂老化嚴(yán)重問(wèn)題，88.2%的下錨頭存在保護(hù)罩內(nèi)積水，且個(gè)別錨頭積水情況嚴(yán)重，91.2%下錨頭的鋼棒或螺母存在不同程度的銹蝕，其中29.0%的銹蝕情況比較嚴(yán)重，典型病害如圖4和圖5所示。

圖4 桿下錨頭鋼墊板銹蝕

圖5 吊桿下錨頭防腐油脂變質(zhì)

2.1.3連接套檢測(cè)

由于無(wú)法直接檢測(cè)鋼棒與鋼絲連接部位的內(nèi)部情況，一般通過(guò)檢測(cè)連接部位外側(cè)來(lái)反映內(nèi)部情況，如果連接部位的外表面、連接套出現(xiàn)裂紋等痕跡，則反映鋼棒與鋼絲連接部位存在病害。因此，通過(guò)檢測(cè)連接套外表面的銹蝕、裂紋情況可推斷內(nèi)部的工作性能是否完好。

檢測(cè)結(jié)果表明：吊桿護(hù)腳內(nèi)表面普遍銹蝕，52.9%連接套外橡膠保護(hù)套存在一定的老化或開(kāi)裂情況，41.2%連接套存在表面或根部不同程度的銹蝕。對(duì)于錨緊螺母部位則選取部分位置進(jìn)行檢測(cè)，螺母存在輕微銹蝕，膠泥材料情況較好，典型病害如圖6和圖7所示。

圖6 吊桿護(hù)腳內(nèi)表面銹蝕

圖7 吊桿連接套橡膠保護(hù)套泛黃和老化

2.2 油脂老化程度檢測(cè)

油脂老化程度是反映吊桿錨頭銹蝕情況的一項(xiàng)重要指標(biāo)，主要通過(guò)對(duì)吊桿錨頭防腐油脂取樣化驗(yàn)，用有機(jī)溶劑分離提取，采用紅外光譜、掃描電鏡等儀器通過(guò)試驗(yàn)分析，對(duì)原灌注油脂防銹、防腐性、抗氧化性等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，來(lái)反映油脂的老化情況。

如圖8所示，通過(guò)分析灼燒后微量粉末的掃描電鏡能譜，發(fā)現(xiàn)試樣中主要含有元素C、O、Ca及少量Al、K等。由此可推測(cè)出該樣品中主要成分為礦物油、有機(jī)羧酸鹽類、碳酸鹽類，表明此時(shí)油脂已發(fā)生老化。

圖8 掃描電鏡能譜分析

2.3 吊桿索力檢測(cè)

橋梁吊桿的索力檢測(cè)可以有效評(píng)估橋梁的健康狀況[11]，橋梁吊桿索力測(cè)量通常采用頻譜分析法[12]，由于此法測(cè)試短吊桿時(shí)存在不可忽視的誤差，該大橋采用頻譜分析法與該橋索力測(cè)試系統(tǒng)對(duì)比的方法進(jìn)行測(cè)試，并且當(dāng)索力偏差率>±10%時(shí)，檢定其安全系數(shù)是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，分析其原因并應(yīng)在結(jié)構(gòu)檢算中加以考慮。

選擇吊索在空載狀況下的索力值進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，上下游不同吊桿索力分布不均，特別是短吊桿索力值上下游差別較大，上下游索力偏差最大達(dá)到267.10 kN，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力存在一定不利影響。

2.4 缺陷檢測(cè)

吊桿缺陷直接影響吊桿運(yùn)營(yíng)的壽命，是性能檢測(cè)的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，除4根短吊桿無(wú)法采用此法外，該橋主要采用漏磁檢測(cè)法來(lái)檢測(cè)吊桿高強(qiáng)鋼絲是否存在斷絲病害[13]，檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)處理界面如圖9所示。

圖9 檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)處理界面

經(jīng)檢測(cè)，大部分索體吊桿磁通量數(shù)據(jù)平穩(wěn)，波形無(wú)異常變化，表明鋼絲情況較好，無(wú)鋼絲腐蝕或斷絲病害情況。

3 吊桿檢測(cè)結(jié)果分析

3.1 吊桿承載能力評(píng)估

根據(jù)JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》[14]規(guī)定，吊桿索承載能力評(píng)定按強(qiáng)度進(jìn)行檢算。對(duì)實(shí)測(cè)最大索力為1 954.98 kN的吊桿進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)入活載影響修正系數(shù)后的索力為2 267.80 kN，則：T/A=333.85 MPa，<661.32 MPa。按強(qiáng)度計(jì)算可知，該橋吊桿承載能力符合JTG/T J21—2011要求，較為安全。

3.2 吊桿腐蝕疲勞壽命可靠性分析

吊桿長(zhǎng)期暴露在外界環(huán)境，直接受到雨水和尾氣等的侵蝕損傷，導(dǎo)致吊桿的保護(hù)套容易發(fā)生老化失效，使鋼絲直接受到腐蝕環(huán)境的損害。腐蝕疲勞作為吊桿最常見(jiàn)的損傷之一，對(duì)橋梁的耐久性有重大影響，損傷部位通常發(fā)生在桿身和錨頭[15-16]。

根據(jù)文獻(xiàn)[17]，開(kāi)裂截面上鋼絞線疲勞應(yīng)力幅為空氣中的73%，并且鋼絞線(鋼絲)的腐蝕疲勞強(qiáng)度隨時(shí)間呈指數(shù)衰減。文獻(xiàn)[18]研究表明，材料腐蝕疲勞S-N曲線的斜率與無(wú)腐蝕疲勞S-N曲線的斜率基本相等，因而得出開(kāi)裂截面鋼絞線(或鋼絲)腐蝕疲勞S-N曲線見(jiàn)式(1)。

(1)

式中，N——疲勞試驗(yàn)次數(shù)；

σb——疲勞強(qiáng)度;

σm——平均拉應(yīng)力；

Δσc——為鋼絞線(鋼絲)腐蝕疲勞強(qiáng)度；

b——試驗(yàn)常數(shù)；

e-b——為第一年腐蝕疲勞強(qiáng)度下降速度，楚南[19]提出第一年腐蝕疲勞強(qiáng)度為原來(lái)的0.97～1倍，由此可推算b的取值范圍為0～0.03；

t——服役時(shí)間。

將檢測(cè)所得的σb=1 670 MPa、σm=219 MPa帶入式(1)，可得出相應(yīng)開(kāi)裂截面及鋼絲的腐蝕疲勞強(qiáng)度均值和標(biāo)準(zhǔn)差：

(2)

(3)

式中，μlgΔσR(n)——腐蝕疲勞強(qiáng)度對(duì)數(shù)均值；

σlgΔσR(n)——腐蝕疲勞強(qiáng)度對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差；

n——循環(huán)次數(shù)；

c——材料常數(shù)。

在腐蝕環(huán)境中吊桿不同使用壽命期的可靠度也是通過(guò)采用類似無(wú)腐蝕吊桿疲勞壽命評(píng)估的分析方法來(lái)反映，經(jīng)檢測(cè)，在不同腐蝕速度下吊桿疲勞可靠度指標(biāo)如圖10所示。

從圖10中可以看出，吊桿在不同腐蝕速度下，其疲勞可靠度指標(biāo)相差很大，即其使用壽命將相差很大；即使吊桿發(fā)生輕微腐蝕(如b=0.01)，其服役年限不到無(wú)腐蝕吊桿的1/5。

吊桿專項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果顯示，部分上錨頭吊桿鋼絲鐓頭出現(xiàn)不同程度的銹蝕，個(gè)別鍍鋅層減少出現(xiàn)鐵銹斑點(diǎn)，部分下錨頭螺母及鋼棒出現(xiàn)不同程度的銹蝕，個(gè)別螺母及鋼棒銹蝕比較嚴(yán)重，根據(jù)文獻(xiàn)[20]關(guān)于銹蝕發(fā)展規(guī)律和速率分析的研究表明，鋼絲一旦發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展，其擴(kuò)展速率是非?？斓?，可達(dá)0.9 mm·s-1，由此可以推斷，該橋部分吊桿存在輕微的腐蝕損傷，其疲勞可靠度指標(biāo)出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，即使用壽命出現(xiàn)很大程度的縮短，結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)存在較大的安全隱患。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)多數(shù)吊桿錨頭存在保護(hù)罩涂裝情況良好，但是存在套內(nèi)積水、油脂老化、錨頭銹蝕等病害；連接套處吊桿護(hù)腳內(nèi)表面普遍銹蝕，并且套外橡膠保護(hù)套存在不同程度脫落和老化現(xiàn)象。

(2)吊桿索力分布不均，上下游索力存在一定的差異，特別是短吊桿的索力值上下游差別較大，最大達(dá)到267.10 kN。

(3)除短吊桿外，其余吊桿索體部分內(nèi)部鋼絲磁通量數(shù)據(jù)平穩(wěn)，波形無(wú)異常變化，鋼絲情況較好，無(wú)鋼絲腐蝕或斷絲病害。

(4)承載力檢測(cè)表明，正常運(yùn)營(yíng)工況下，按強(qiáng)度計(jì)算實(shí)測(cè)吊桿最大索力應(yīng)力為333.85 MPa，小于JTG/T J21—2011的限值661.32 MPa；腐蝕疲勞壽命分析表明，該橋部分吊桿鋼絲存在輕微的腐蝕損傷，其疲勞可靠度指標(biāo)存在降低趨勢(shì)，使用壽命存在縮短的傾向，對(duì)結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)有很大的影響。

(5)綜合分析，考慮到結(jié)構(gòu)使用的安全性及耐久性，建議對(duì)橋梁吊桿體系及主梁結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行更換，更換為雙吊桿體系及縱橫梁結(jié)構(gòu)形式，以增強(qiáng)在單根吊桿失效情況下的結(jié)構(gòu)安全性。