某橋梁項目運營期斜拉索技術(shù)狀況檢測分析

任小坤

（貴州省公路工程集團有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

斜拉橋憑借跨度大、穩(wěn)定性好、施工簡便、造型美觀等優(yōu)點，在大跨度橋梁建設(shè)中得到了大規(guī)模應(yīng)用。但由于橋梁工程運營環(huán)境復(fù)雜，受自然環(huán)境、荷載作用及材料自身性能影響，斜拉橋運營過程中拉索極易產(chǎn)生銹蝕破壞，嚴重影響橋梁使用安全，縮短使用壽命[1]。因此，橋梁運營過程中加強斜拉索技術(shù)狀況檢測，對保證橋梁運營安全性、穩(wěn)定性、耐久性具有重要意義[2]。該文結(jié)合實際工程案例，對斜拉索技術(shù)狀況檢測進行分析，以期能有效提升檢測水平，及時發(fā)現(xiàn)斜拉索存在的質(zhì)量問題，從而采取科學(xué)有效的維修保養(yǎng)措施，保證橋梁運營安全。

1 工程概況

某斜拉橋采用獨塔雙鎖結(jié)構(gòu)，主跨設(shè)計長度為232 m，于2012 年投入運營，至今已10 年有余。塔身為混凝土結(jié)構(gòu)，出承臺頂主塔高度為113.5 m。橋面布置形式為雙向四車道（15 m）+兩側(cè)人行道（各1.75 m），荷載等級為汽車—超20 級。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，主、邊跨分別為開口箱型和閉口箱型斷面。斜拉橋路面布置圖如圖1 所示。

圖1 某獨塔斜拉橋立面布置

該斜拉橋拉索采用扇形布設(shè)，主要材質(zhì)為規(guī)格φ7 mm鍍鋅高強鋼絲，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度為1 600 MPa，利用冷鑄墩頭錨進行錨固，張拉、錨固端分別位于主塔、主梁位置。斜拉索防護體系共包含4 層，由內(nèi)向外依次為防腐涂層、雙層玻璃絲帶及雙層滌綸布、熱擠PE防護套、PVF外包帶。拉索端頭部位設(shè)有橡膠減震設(shè)施。橋梁服役期間拉索為主要承載構(gòu)件，內(nèi)部承受應(yīng)力作用較大，防護體系遭受外部環(huán)境影響較大[3]。由于斜拉索防護體系主要為PE 防護套，并且均處于高空環(huán)境中，采用現(xiàn)有檢測技術(shù)對拉索鋼絲銹蝕狀況實施檢測，其難度較大。并且當(dāng)前我國針對機器人無損檢測技術(shù)在斜拉索鋼絲銹蝕、斷絲檢測方面應(yīng)用的研究較少，給檢測工作帶來較大困難。

鑒于以上問題，為全面了解該斜拉橋拉索工作狀態(tài)，對PE 防護套、上下錨頭、下索導(dǎo)管及減振器等設(shè)施實施外觀質(zhì)量檢測，并借助機器人無損檢測技術(shù)對斜拉索鋼絲銹蝕及斷絲情況實施檢測，為斜拉索維護保養(yǎng)提供依據(jù)。

2 斜拉索外觀病害狀況

2.1 PE 防護套

2.1.1 PE 防護套病害統(tǒng)計

將斜拉索表面PVF 外包帶拆除，對PE 防護套質(zhì)量狀況實施檢測，數(shù)量共計104 根。

（1）結(jié)果顯示：存在質(zhì)量缺陷的PE 防護套共計82 根，占比高達78.8%，主要缺陷為表面破損和環(huán)、縱向開裂等。

（2）環(huán)向開裂或斷裂PE 防護套共計43 根，占比為41.3%，最大裂縫寬度為5.0 cm。

（3）具體開裂情況：①PE 防護套裂縫主要出現(xiàn)于6#~18#索；②1#~5#索PE 防護套裂縫數(shù)量相對較少，裂縫數(shù)量均未超出5 道；③19#~26#索PE 防護套相對完成，除25#索存在1 道輕微環(huán)向裂縫外，其余均未產(chǎn)生裂縫。

2.1.2 PE 護套病害原因分析

（1）材料老化。單根拉索PE 防護套損壞較為嚴重，并呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，表明材料出現(xiàn)老化狀態(tài)。此橋梁運營年限已達11 年之久，經(jīng)風(fēng)雨侵蝕、陽光直射、冰雪凍融反復(fù)作用，拉索PE 防護套耐久性顯著下降，逐漸老化產(chǎn)生破壞?，F(xiàn)階段，國內(nèi)大多數(shù)橋梁纜索運營年限均在20 年以內(nèi)。

（2）外部環(huán)境影響。橋梁運營期間拉索及PE 防護套體系內(nèi)部應(yīng)力較大，在外界環(huán)境因素作用下，產(chǎn)生老化裂紋，加之交通荷載、風(fēng)雪荷載等影響，造成裂紋逐漸發(fā)展，形成更加嚴重的環(huán)向開裂[4]。

（3）材料批次不同或工藝差異。結(jié)合此橋梁單根拉索開裂及裂縫分布狀況，6#~18#索PE 防護套開裂極為嚴重，出現(xiàn)該狀況的主要原因為此批次PE 防護套材質(zhì)存在差異，或施工時采用的施工方法不同。

2.2 上下錨頭

拆除錨頭防護罩，對錨頭質(zhì)量實施檢測。結(jié)果顯示：錨頭整體質(zhì)量狀況良好，少數(shù)錨頭缺少防腐油脂，并且鋼絲墩頭位置存在生銹現(xiàn)象[5]。各錨頭未出現(xiàn)鋼絲墩頭收縮現(xiàn)象，且表面無積水。

2.3 下索導(dǎo)管及減振器

將軍帽銹蝕嚴重。下索導(dǎo)管與將軍帽結(jié)合部位存在銹蝕現(xiàn)象，且少數(shù)導(dǎo)管內(nèi)存在雜質(zhì)。減震器部分構(gòu)件產(chǎn)生銹蝕，底部限位裝置橡膠墊老化斷裂，且部分緊固螺栓松動。

3 鋼絲銹蝕和斷絲檢測結(jié)果

3.1 PE 開窗部位的鋼絲銹蝕情況

為全面了解拉索內(nèi)部鋼絲銹蝕情況，現(xiàn)場隨機選擇10 根PE 防護套裂縫較為嚴重拉索，對裂縫部位實施開窗檢測；并選擇1 根PE 防護套外觀質(zhì)量良好的拉索實施檢測，檢測完成后對拉索PE 防護套實施修復(fù)處理。詳細檢測情況如下：

（1）開窗部位鋼絲銹蝕級別處于4~5 級范圍內(nèi)。

（2）拉索鋼絲銹蝕基本情況：①梁端位置鋼絲銹蝕較為嚴重，塔端銹蝕相對較輕；②相同斷面內(nèi)，底部鋼絲銹蝕較為嚴重，頂部鋼絲銹蝕較輕[6]。

（3）對PE 防護套外觀質(zhì)量良好的拉索實施開窗檢測，結(jié)果顯示鋼絲銹蝕級別為1 級，表明鋼絲質(zhì)量狀況優(yōu)良，未產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象。

3.2 鋼絲銹蝕或斷絲的機器人無損檢測結(jié)果

為準(zhǔn)確了解拉索內(nèi)部鋼絲銹蝕或斷絲情況，選取該橋梁PE 防護套裂縫較為嚴重的8 根拉索，借助機器人無損檢測技術(shù)對鋼絲銹蝕及斷絲情況實施進一步檢測。詳細檢測數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 某橋斜拉索的鋼絲銹蝕或斷絲的無損檢測結(jié)果

通過表1 能夠看出：斜拉索鋼絲截面損失率處于1.17%~4.82%范圍內(nèi)，全部未產(chǎn)生斷絲問題。為驗證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，對檢測結(jié)果采用開窗檢測的方式進行抽樣檢測，結(jié)果顯示兩種檢測手段得到的結(jié)果相同，表明斜拉索鋼絲銹蝕或斷絲檢測中，采用機器人無損檢測技術(shù)具有較強的可行性。

3.3 斜拉索鋼絲銹蝕原因分析

根據(jù)具體檢測結(jié)果，并結(jié)合橋梁運營環(huán)境等各方面，對鋼絲銹蝕原因?qū)嵤┓治?，具體原因如下：

（1）在外部環(huán)境作用下，PE 防護套產(chǎn)生老化破壞，失去了對鋼絲的保護效用，導(dǎo)致外部水分、塵土、空氣等進入，在鋼絲表面發(fā)生理化反應(yīng)，使鋼絲產(chǎn)生銹蝕。

（2）斜拉索鋼束采用多根鋼絲組成，各鋼絲間空隙較大，當(dāng)外部水體進入時，會造成鋼絲銹蝕。

（3）該橋梁PE 防護套較為完整的拉索，鋼絲未產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象，說明防護性能良好。而對于鋼絲銹蝕的拉索，在應(yīng)力及交通荷載共同影響下，后期腐蝕速率顯著加快，承載性能迅速下降，嚴重縮短運營年限。

4 安全性分析

4.1 近年索力測量結(jié)果分析及索力安全系數(shù)

為充分了解鋼絲銹蝕后斜拉索索力變化情況，對日常監(jiān)測索力數(shù)據(jù)實施比較分析。結(jié)合恒定荷載作用下索力監(jiān)測結(jié)果，各拉索索力基本穩(wěn)定[7]。針對PE 防護套裂縫較為嚴重的拉索索力安全系數(shù)實施計算，詳細數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 PE 護套斷裂或開裂數(shù)量較多的斜拉索索力安全系數(shù)

通過表2 能夠看出：綜合考慮實測恒載索力、外部荷載作用導(dǎo)致的索力增大以及鋼絲銹蝕等各種因素影響，得出現(xiàn)狀拉索最小索力安全系數(shù)為2.64，高于規(guī)范規(guī)定的2.5，充分表明該橋梁各斜拉索索力安全性能滿足要求。

4.2 近年主梁線形測量結(jié)果分析

為充分了解鋼絲銹蝕對主梁線形的影響，對梁體標(biāo)高實施監(jiān)測，并依據(jù)監(jiān)測結(jié)果繪制梁體下?lián)献兓€[8]，具體如圖2 所示。

圖2 主梁的下?lián)暇€形

通過圖2 能夠看出：①該斜拉橋邊跨主梁下?lián)献兓容^小，總變形量均未超出10 mm；②中跨主梁下?lián)媳O(jiān)測值與初始值相比顯著增大，錨點位置總變形量為-122 mm；自2021—2023 年間橋梁標(biāo)高變化均未超出±1 cm，中跨主梁下?lián)现饾u達到穩(wěn)定狀態(tài)，充分表明鋼絲銹蝕對主梁線形基本無影響。

5 結(jié)論

綜上所述，該文結(jié)合某獨塔斜拉橋工程實例，對斜拉索技術(shù)狀況進行分析，利用機器人無損檢測技術(shù)對斜拉索鋼絲銹蝕及斷絲情況實施檢測，并對斜拉索安全性能實施評估，得出如下結(jié)論：

（1）該斜拉橋共有斜拉索104 根。其中82 根斜拉索PE 防護套存在質(zhì)量缺陷，占比高達78.8%，而環(huán)向開裂或斷裂PE 防護套有43 根，占比為41.3%，最大裂縫寬度為5.0 cm，并且單根拉索PE 防護套損壞較為嚴重，并呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，表明材料出現(xiàn)老化。

（2）PE 防護套老化破壞是造成鋼絲銹蝕的主要原因，該工程斜拉索鋼絲截面損失率處于1.17%~4.82%范圍內(nèi)，全部未產(chǎn)生斷絲問題[9]。

（3）經(jīng)綜合檢測驗算分析，該橋梁工程斜拉索最小索力安全系數(shù)為2.64，高于規(guī)范規(guī)定的2.5，充分表明該橋梁各斜拉索索力安全性能滿足要求[10]。

（4）通過對主梁線形測量結(jié)果分析，驗證鋼絲銹蝕對主梁線形基本無影響。

（5）結(jié)合實際檢測結(jié)果，對該橋梁破損PE 防護套進行拆除，并對銹蝕鋼絲實施除銹、防腐處理，然后逐層修復(fù)防護體系，以有效地提高斜拉索使用性能和耐久性，保證橋梁運營安全。