柔性吊桿拱橋吊桿索體病害特征及檢測指標

李元兵

（上海同濟建設工程質量檢測站，上海市 200092）

柔性吊桿拱橋吊桿索體病害特征及檢測指標

李元兵

（上海同濟建設工程質量檢測站，上海市 200092）

針對柔性吊桿拱橋吊桿索體的退化行為，系統地總結了柔性吊桿索體的安全性和耐久性病害特征。指出吊桿索體的安全性病害主要為鋼絲銹蝕、開裂、斷裂、吊桿偏位及彎曲變形，其中鋼絲孔蝕導致的開裂或斷裂是主要因素。同時，針對現行規范中關于柔性吊桿索體檢測指標方面的不足，在總結吊桿索體安全與耐久性能檢測指標的基礎上，建立了柔性吊桿索體服役健康狀態的檢測指標體系。

柔性吊桿拱橋；吊桿索體；病害特征；檢測指標；孔蝕

0　引言

現代柔性吊桿拱橋通常為拱、吊桿和梁的組合體系，其結構行為區別于純拱結構且更為復雜。從已有毀橋事故或吊桿更換的現象看，柔性吊桿拱橋橋面坍垮或吊桿更換的起因大多是運營階段吊桿斷裂或功能嚴重退化，其損傷機理有別于拱橋失穩或振動破壞。由于受各種內、外因素（設計標準、使用年限、投資數額、工程材料、外部環境、養護質量、交通量、作用荷載、偶然事故等）錯綜復雜的交互影響，橋梁結構內部必然會產生變異，導致承載力逐漸降低，再加上橋梁的銹蝕、老化、疲勞、破損，給橋梁的正常使用埋下了隱患。目前，我國大量20世紀90年代左右建造的吊桿拱橋，均出現了各種類型的吊桿索體病害，如護套開裂、吊桿索體斷裂等等。這些病害不僅使橋梁結構存在較大的安全隱患甚至垮塌風險，而且也對大橋的養護管理及設計維修提出了更高的要求。

本文結合大量實橋的資料調研及深度檢測結果，通過理論分析、現場測試、數值模擬及試驗數據分析，詳細而有針對性地對吊桿索體的病害進行了全面系統的梳理，總結了可應用于實橋檢測與評定的病害特征；同時建立了吊桿索體的檢測指標體系，為其技術狀況與承載力評定奠定一定的基礎。

1　吊桿索體病害特征及分析

由于吊桿在運輸或施工過程中的損傷或使用過程中的老化、鍍鋅鋼絲銹蝕、開裂、斷絲等原因，相當一部分吊桿在拱橋建成后不久便出現嚴重損傷，有的不得不提前維修或更換，甚至極個別斷裂導致橋梁倒塌［1-4］。根據吊桿索體的病害調查結果以及病害發生的部位和影響，可將吊桿索體的病害分成：（1）安全性病害：包括吊桿內鋼絲銹蝕、開裂、斷裂，吊桿偏位、彎曲變形等。（2）耐久性病害：包括護套病害，護套內積水或冷凝水，填充層防護失效，吊桿套管銹蝕、滲油、積水等。

1.1安全性病害

1.1.1鋼絲銹蝕

鋼絲銹蝕在既有吊桿索體病害調查中占絕大部分。它是導致鋼絲開裂或斷絲的起點，是吊桿承載力和使用壽命降低的直接原因。它和疲勞一起成為吊桿損傷演化的主要機制。如合肥壽春路橋由于防護工藝不到位，鋼管內進水，導致鋼絲不同程度銹蝕；廣西邕寧邕江大橋短吊桿外護管斷裂導致滲水，導致吊桿鋼絞線嚴重銹蝕；樂山沙灣大渡河橋由于吊桿PE管老化變形，內部灌漿不密實而積水，導致鋼絞線銹蝕較重；杭州葉青兜橋由于吊桿內積水、砂漿不均勻、部分鋼絲裸露導致鋼絲明顯銹蝕。重慶石門大橋也因防護失效導致鋼絲嚴重銹蝕。防護措施失效導致鋼絲與銹蝕性介質接觸并發生電化學等反應是鋼絲銹蝕的主要原因。進入索體內部的雨水、潮濕空氣，甚至微生物均可能導致鋼絲銹蝕。

吊桿內鋼絲銹蝕的類型主要為均勻銹蝕和孔蝕。均勻銹蝕指鋼絲表面受到均勻的銹蝕，表面各處所受的銹蝕程度和深度相等。孔蝕是指鋼絲在大部分表面不發生銹蝕或銹蝕很輕微，但在個別點或微小區域內鋼絲表面出現蝕孔或麻點，且隨著時間的推移，蝕孔不斷向縱深方向發展，形成小孔狀銹蝕坑。鋼絲均勻銹蝕和孔蝕均改變鋼絲幾何形狀，但兩者對鋼絲脆斷的貢獻卻不盡相同。均勻銹蝕均勻減小鋼絲橫截面，但截面仍為圓形，僅改變鋼絲沿縱向的圓柱體形狀，鋼絲的強度和延性基本無變化。而孔蝕則由于在鋼絲表面形成局部銹蝕坑而改變鋼絲橫截面，使其截面由圓形變為非圓形，鋼絲的強度與延伸率顯著下降、甚至出現尖錐狀斷絲。銹蝕初期為小范圍片狀銹斑，較難實施無損檢測，后期逐步演化為大面積鐵銹布滿鋼絲表面，無損檢測時難度適度降低。鋼絲銹蝕的病害特征主要表現為：（1）鍍鋅層均勻銹蝕，鋼絲表面具有金屬光澤，但局部出現白色鋅粉；（2）鍍鋅層均勻銹蝕，鋼絲表面覆滿白色鋅粉，但未見鐵銹痕跡；（3）鍍鋅層與鋼絲均勻銹蝕，鋼絲表面的白色鋅粉中出現鐵銹；（4）鋼絲均勻銹蝕，鋼絲表面的鐵銹數量增多，部分銹斑連接成片，但鐵銹面積比白粉面積小；（5）鋼絲均勻銹蝕，鋼絲表面大面積黃色銹斑，大部分銹斑連接成片，鐵銹面積比白粉面積大；（6）鋼絲均勻銹蝕，鐵銹布滿鋼絲表面，鋅粉基本消失；（7）鋼絲孔蝕，鋼絲表面形成小孔狀銹蝕坑；（8）鋼絲孔蝕，蝕孔數量增多且向縱深發展；（9）鋼絲孔蝕，蝕孔非常深，鋼絲截面削弱嚴重，幾何形狀“非圓”；（10）嚴重銹蝕（均勻銹蝕、孔蝕），鋼絲局部接近斷裂（見圖1）。

圖1　吊桿索體內鋼絲銹蝕的病害特征之實景

1.1.2鋼絲開裂、斷絲

鋼絲開裂在檢測時較少被發現，且所有已檢測到的鋼絲開裂均出現在銹蝕處。由于銹蝕產物遮蓋，裂紋難以檢測，多數情況下，僅當鋼絲斷絲后其裂紋才被發現。鋼絲開裂主要由于均勻腐蝕及孔蝕使鋼絲截面削弱、幾何形狀改變、表面粗糙度增加從而導致鋼絲極限延伸率下降、蝕坑底部應力強度因子增加造成的，主要包括應力腐蝕和腐蝕疲勞開裂兩種機制。應力腐蝕是指鋼絲在特定腐蝕介質和靜應力共同作用下產生滯后開裂、甚至發生滯后斷裂的腐蝕現象。腐蝕疲勞是指鋼絲在循環應力和腐蝕環境協同、交互作用下因開裂或脆性斷裂而提前失效的現象。

鋼絲斷絲在吊桿中非常普遍。鋼絲斷裂將影響吊桿的承載能力，使吊桿安全系數降低，并引發其他鋼絲的應力增大而加速破壞。根據實橋鋼絲的檢測資料，鋼絲斷裂有4種典型形態（如圖2所示）［5］：（1）A型斷絲，在檢測General U.S.Grant Bridge時被發現。斷絲始于裂紋，初始時裂紋擴展方向垂直于鋼絲，但當裂紋面積接近鋼絲截面積50%時，裂紋擴展方向突然傾斜45°，形成貫穿裂紋；（2）B型斷絲，在檢測Mid-Hudson Bridge時被發現。斷絲始于裂紋，初始時裂紋垂直鋼絲擴展，當裂紋面積接近鋼絲截面積50%時，鋼絲突然斷裂，斷口呈鋸齒狀；（3）C型斷絲，這種斷絲始于裂紋，初始時裂紋垂直鋼絲擴展，當裂紋面積接近鋼絲截面積50%時，裂紋擴展方向改變，新方向與原方向接近垂直。裂紋繼續擴展到一定程度后，擴展方向恢復至初始擴展方向，鋼絲快速斷裂；（4）D型斷絲，在石門大橋檢測中發現絕大多數斷絲屬于這種情況，斷絲處呈尖錐狀，附近未發現裂紋。其中，A、B、C型斷絲的平截面均是腐蝕疲勞作用的結果，但從不規則截面看，A、B型斷絲是在拉伸作用下的韌性斷裂形成的，C型斷絲則是應力腐蝕作用形成的。D型斷絲是銹蝕單獨作用形成的。

圖2　鋼絲斷裂的典型形態之實景

1.1.3吊桿偏位、彎曲變形

由于吊桿橫向較柔，其吊桿索安裝時有偏差、主梁的擺動或橫向荷載作用下索將產生相對于錨具的彎曲、偏位等病害。對于柔性長吊桿，由于在錨具附近進入固結端而產生較大的彎矩，造成鋼絲在此處存在局部彎曲應力，大小約占總應力45%，并且由于柔性索橫向振動較大，易引起錨固處鋼絲的疲勞斷裂，降低吊桿的壽命。對于剛度較大的短吊桿，偏位和變形不但引起鋼絲應力的增大，而且會造成拱圈與短吊桿相剪，對拱圈局部造成損傷。在因吊桿偏位變形產生較大局部應力后，再由于柔性吊桿橫向振動較大，易引起錨固處鋼絲的疲勞斷裂，從而降低吊桿的壽命。

1.2耐久性病害

1.2.1護套病害

通過對部分橋梁吊桿的病害調查，發現絕大部分橋梁PE護套均出現橫向或縱向開裂，最短的不到1 a，最長的不到10 a。護套防護層病害將直接導致吊桿與外部環境接觸而引起鋼絲銹蝕。而且護套與吊桿上下連接筒間的連接處纏包帶的封閉情況也是薄弱環節，養護中應給予重視。吊桿索體護套病害特征主要表現為：（1）護套劃痕、刮痕、凹坑，會導致護套開裂、破損；（2）護套老化、泛白，會導致護套開裂，或護套內出現冷凝水；（3）護套龜裂，會導致護套開裂、滲水，鍍鋅層、鋼絲銹蝕；（4）護套環向開裂，會導致鍍鋅層、鋼絲銹蝕；（5）護套縱向開裂，會導致鍍鋅層、鋼絲銹蝕；（6）護套被吊桿阻尼器限位塊割傷而開裂，會導致鍍鋅層、鋼絲銹蝕；（7）護套上、下連接處密封橡膠圈破損、滲水、滲油，會導致錨頭銹蝕、積水；（8）護套燒傷；（9）護套撞損；（10）護套外鋼套管銹蝕、滲油（見圖3）。

圖3　吊桿索護套病害特征之實景

1.2.2護套內積水或冷凝水

護套在老化、開裂、破損及填充層防護失效后均會導致護套內存在積水或冷凝水，進而引發鋼絲鍍鋅層及基質的銹蝕。如對南通市丁堡河橋部分吊桿護套解剖后發現，相當部分的護套內壁附著冷凝水，并滲透至鋼絲內部，使護套內鋼絲均處于潮濕的環境中，易引起鋼絲鍍鋅層及基質的銹蝕。

1.2.3填充材料防護失效

水泥漿填充層防護失效的主要原因如下：（1）由于護套和水泥漿熱膨脹系數的差異，使得溫度較低時護套因收縮受漿體限制而環向開裂；（2）水泥壓漿壓力超出護套承載能力使護套開裂；（3）水泥在壓漿過程中未填滿鋼絲間的空隙，并且在硬化時出現干縮裂縫，這些裂縫和空隙降低了水泥對鋼絲的防蝕作用；（4）壓漿過程中往往出現泌水、沉淀與離析、空洞、漿體不密實、砂漿硬化后開裂等現象，特殊情況下還可能出現水泥漿長期不凝固的現象，惡化了鋼絲的使用環境，導致鋼絲銹蝕。水泥漿防護失效危害程度最大，影響最廣，國內外許多橋梁的吊桿失效乃至換索均源自該類病害。黃油填充層防護失效主要表現為黃油揮發、霉變等。

1.2.4吊桿套管銹蝕、滲油、積水

上、下端吊桿套管積水的主要原因如下：（1）保護罩防護失效，水直接沿索體進入吊桿套管內；（2）大多數老式防水罩因不能適應吊桿擺動變形，使用一兩年便失效；（3）橋梁施工過程中防水與排水措施不夠，造成吊桿套管積水；（4）某些橋梁吊桿套管太短，沒有高于橋面，水直接流入吊桿套管內造成積水；（5）冷凝水造成吊桿套管積水和潮濕度增加。

1.3各類病害比較

吊桿索體各類病害比較如表1所列。

表1　柔性吊桿拱橋吊桿索體各類病害比較表

2　吊桿索體檢測指標

吊桿索體的檢測指標體系如圖4所示。

3　結　論

對柔性吊桿拱橋結構有效地進行檢測和評定關系到橋梁的安全運營與養護管理。針對國內外相繼出現的吊桿拱橋工程事故，本文重點研究了柔性吊桿索體的病害特征與檢測指標體系，主要結論如下：

圖4　吊桿索體檢測指標體系圖

（1）吊桿索體的安全性病害主要為鋼絲銹蝕、開裂、斷裂、吊桿偏位及彎曲變形，其中鋼絲孔蝕導致的開裂或斷裂是主要因素；

（2）吊桿索體的安全性檢測指標包括鋼絲銹蝕、鋼絲開裂、鋼絲斷裂、吊桿彎曲與偏位；

（3）吊桿索體的耐久性檢測指標包括護套病害、填充材料防護失效、護套內積水或冷凝水、預埋管防護失效。

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U448.21+6

A

1009-7716（2016）07-0288-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.086

2016-04-21

李元兵（1979-），男，湖北應城人，博士，工程師，從事橋梁檢測與評估、施工監控及結構退化等技術研究工作。