吊桿損傷檢測與成因分析

王 浩

大型橋梁結構的使用期長達幾十年甚至上百年，環境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應，疲勞效應與突變效應等災害因素的耦合作用將不可避免地導致結構和系統的累積損傷和抗力衰減，進而導致其抵制自然災害甚至正常環境作用的能力下降，極端情況下引發災難性的突發事故。為了保障結構的安全性、完整性、適用性與耐久性，對在役橋梁結構進行有效的監測和評價其安全狀況、修復與控制損傷變得越發重要。拱橋吊桿是傳遞橋面系的恒載與活載的關鍵受力構件，它的使用正常與否，關系到橋梁的整體壽命和安全。然而，由于受當前設計理論，科學技術和工業水平發展進程的制約，橋梁吊桿吊具的設計、制造、防護、安裝、服役、維護、健康診斷、拆換乃至設計壽命的確定、使用一段時間后剩余壽命的預測等等，皆缺乏嚴謹、明確、統一的規范。經初步調查，采用柔性吊桿的中下承式拱橋，全國達 70座以上，眾多的拱橋，數以千計的吊桿中，大多不同程度地存在著隱患[1]。鑒于此種情況，十分有必要對在役拱橋吊桿的健康狀況進行檢測，并分析其可能的成因，以便于進一步研究控制措施。

1 吊桿損傷檢測

1.1 吊桿損傷類型[2]

吊桿暴露在大氣環境中，雨水的侵蝕和車輛尾氣將導致吊桿銹蝕。腐蝕損傷和疲勞損傷是吊桿最普遍的兩種損傷。

1)吊桿的腐蝕損傷。吊桿在一般條件下的腐蝕為電化學腐蝕和化學腐蝕，但由于它總是處在交變荷載的作用下，因此在疲勞受力狀態下吊桿發生的腐蝕屬于應力腐蝕。應力腐蝕對高強預應力鋼筋危害很大，這是一種腐蝕介質和拉應力共同作用下鋼筋產生晶間或穿晶斷裂的現象。腐蝕介質、鋼材應力水平和鋼材材質情況是影響鋼材應力腐蝕嚴重程度的主要因素。銹蝕主要導致吊桿的截面面積減小和氫脆現象，前者是由于銹蝕產物的生成而造成吊桿實際受力面積的縮小;銹蝕產生的坑點作為一個氫原子源，有利于后者的發生。在銹蝕凹坑里，水分子分解產生氫原子，由于氫原子的原子半徑小，所以具有滲透金屬的能力，可以很容易擴散到鋼的空隙中，在那里結合形成氣體，產生的壓力使鐵原子受到很大的內拉應力，結合預應力筋的張拉應力，當超過鋼的抗拉強度時就會發生鋼絞線的脆性斷裂破壞，氫脆降低吊桿的疲勞強度和延性，從而減小吊桿的安全性。

2)吊桿的疲勞損傷。吊桿不僅承受橋面傳來的車輛反復沖擊荷載，還承受風荷載和溫度變化的作用，在長期交變荷載作用下，通常在工作應力峰值低于彈性極限時會突然破壞，這種破壞現象稱為疲勞。鋼絞線的疲勞破壞主要由各鋼絲間的擦傷疲勞引起的。擦傷疲勞破壞是由變化的軸向應力、摩擦應力、側向壓力和滑移等因素共同作用所引起的，在這些荷載作用下，鋼絞線或者鋼絲接觸面之間出現相對位移 0.1μm～300μm，金屬表面氧化膜很快會被擦掉，兩個粗糙的表面很容易被熔合成一體;每次接觸表面相對滑移，使熔合在一起的這些接觸點產生破壞并又形成新的熔合點，從而產生表面磨損并引起表面開裂，此后的裂縫發展速度主要取決于軸向應力的變化幅度。

1.2 損傷檢測

進行吊桿損傷檢測，吊桿內力、腐蝕、滑絲、斷絲等是檢測的必要內容。1)吊桿內力測試。在實際工程中，常見索力測試方法有荷重傳感器測量法、壓力型油壓千斤頂測量法、磁通量法、頻率法以及電阻應變法、光纖光柵傳感器測索力。不同的測試方法各有其優缺點。荷重傳感器測量法、壓力型油壓千斤頂測量法屬于直接法，簡單易行，是施工中控制索力最實用的方法。頻率法是首先測量索的自振頻率，再根據索自振頻率與索的張拉力之間的關系來換算出索力。由于設備可重復使用，而且當前的電子儀器日趨小型化，儀器攜帶、安裝均很方便，測試精度高。磁通量法是利用放在拉索中的小型電磁傳感器，測定磁通量變化，根據索力、溫度與磁通量的變化關系，來推算索力。該方法的核心優點是除磁化拉索外，它不會影響拉索的任何力學和物理特性，缺點是必須現場標定，并受溫度場、電磁場的干擾很大。光纖光柵傳感器的基本原理是在外界應變和溫度作用下光纖光柵的中心波長發生漂移，通過解調光纖光柵的中心波長變化，就可以方便獲得待測的應變和溫度值。該法具有儀器尺寸小(125μm)、精度高、抗電磁干擾、分布式監測、耐久性好等優點。2)吊桿腐蝕、滑絲、斷絲等損傷監測。對上述這些損傷進行檢測的方法主要有:人工檢測法，超聲波檢測，射線檢測，漏磁檢測法，聲發射檢測技術等。

2 吊桿鋼索破損成因

吊桿鋼索破損的誘因有:強度損失、疲勞破壞與腐蝕作用[3]。

1)強度損失。一般吊桿的安全系數取值都要求大于 2.5，即吊桿承受的最大應力低于鋼絲索標準強度的 40%，所以吊桿由于強度不足而產生破壞的可能性較小。大部分因強度破壞而受到損壞的吊桿均由于防護失效而導致銹蝕，使吊桿截面縮小而間接導致的強度破壞。

2)疲勞破壞。鋼材在反復荷載的作用下，雖然應力還低于極限強度，甚至低于屈服點，但也會發生破損，即疲勞破壞。在中下承式拱橋吊桿的設計中，一般對強度問題比較重視，對吊桿的最大應力控制的比較好，但對與疲勞有關問題考慮較少，即便考慮也只是將應力幅控制在一定范圍內，就認為吊桿鋼索和錨頭可以滿足疲勞方面的要求。這種設計方法存在著一定的問題，諸如設計理論的不完善、設計中對振動、沖擊、彎曲附加應力等影響因素的忽略等，加之常規靜力計算所得的應力幅均不大，所以設計中容易忽略了疲勞的驗算。

3)腐蝕作用。鋼索腐蝕的原因主要是防護措施開裂失效，導致水、氧氣及其他有害物質與鋼索直接接觸引起銹蝕。另外吊桿所處的大氣環境、應力狀態等對鋼索的腐蝕也有影響。一般來說，吊桿的破壞是由疲勞與腐蝕的共同作用引起的。交變的疲勞荷載降低了防腐措施的有效性，而腐蝕又直接削弱了吊桿的抗拉強度。

3 吊桿錨具破損成因

吊桿的錨具主要有墩頭錨、冷鑄錨和夾片錨。現在成品索大多采用抗疲勞性能較好的墩頭錨和冷鑄錨。錨具在工廠研制、開發和生產過程中，都進行抗疲勞的相關試驗，在正常的工作條件下一般不會產生疲勞問題。但應注意的是:在吊桿設計中對影響吊桿及錨具疲勞壽命的因素要加以考慮，使吊桿和錨具處于正常的工作條件下。錨具的腐蝕分外部腐蝕和內部腐蝕。如吊桿錨頭外部幾乎未進行有效防護，其銹蝕也是必然的。所以對不進行封錨處理的錨具，應加防護罩或采取其他有效的措施防止錨具外部的銹蝕。

4 吊桿防護破損成因

防護破損開裂有:1)防護材料自身的收縮;2)吊桿鋼索松弛引起防護材料變形;3)吊桿受交變荷載引起防護材料變形;4)溫度變化引起防護材料變形;5)防護材料的老化。吊桿防護的破損開裂往往是以上這些因素共同作用的結果，而吊桿鋼索與防護材料變形不協調是其中的重要因素。防護開裂后，使空氣中的水分、氧氣以及其他有害物質與鋼索接觸，發生腐蝕。由于吊桿的防護措施又具有一定的密封性，反而使這些有害物質難以及時觀察到并得到排除，存積在吊桿內部，長期腐蝕吊桿。

[1] 湯國棟，侯金龍，劉元泉，等.拱橋吊桿的安全憂慮與對策——吊桿健康診斷[J].公路，2002(4):78-89.

[2] 李冬生.拱橋吊桿損傷監測與健康診斷[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學，2007.

[3] 鹿劍閣，徐君蘭.鋼管混凝土拱橋吊桿的破損行為分析[D].天津:天津大學，2005.

[4] 邸小壇，周 燕.大氣環境下鋼筋銹蝕規律的研究[A].第四屆全國混凝土耐久性學術交流論文集[C].1996.