鋼管混凝土拱橋吊桿疲勞壽命研究

周 瀟

(武漢市城市路橋收費管理中心，湖北武漢 430050)

鋼管混凝土拱橋吊桿疲勞壽命研究

周 瀟

(武漢市城市路橋收費管理中心，湖北武漢 430050)

吊桿是鋼管混凝土拱橋的重要受力構(gòu)件，直接影響橋梁結(jié)構(gòu)安全，但目前對于吊桿破斷的安全判定指標不明確, 因此對吊桿的防腐體系和疲勞壽命進行研究就尤為必要。文章通過對晴川橋吊桿的外觀檢測、PE材料老化試驗、鋼絲力學試驗、鋼絲疲勞試驗，系統(tǒng)開展吊桿防腐體系及疲勞壽命研究，為判斷吊桿安全狀況提供了參考。

拱橋； 吊桿； 疲勞壽命； 安全

吊桿的使用正常與否，關(guān)系到拱橋的整體壽命和安全。由于目前對于吊桿破斷的安全判定指標不明確,針對吊桿破壞壽命短且分散不定的情況，工程中常采用“二年一檢測，十年一拆換”等措施來確保橋梁安全，然而這類措施的周期也是憑經(jīng)驗確定的，不能保證采取此等措施就能真正確保拱橋的安全，因此對吊桿的防腐體系和疲勞壽命進行研究就尤為必要。

1 研究背景

晴川橋位于漢江與長江交匯處， 2000年10月建成通車，雙向四車道，橋?qū)?0 m。主橋為凈跨 280 m 的下承式鋼管混凝土系桿拱橋。主拱由上下 2 片桁架組成，每片桁架由 4 根φ1 000 mm×12 mm 弦管、綴板和腹桿構(gòu)成，且桁架之間有橫撐連接。本橋共計 110 根吊桿，吊桿采用 61φ7 高強鍍鋅平行鋼絲(Rby=1670 MPa)，冷鑄鐓頭錨具熱擠 PE 防護(圖1)。

圖1 橋型布置

2014年檢測發(fā)現(xiàn)上游37#吊桿PE 護套破損嚴重，開窗發(fā)現(xiàn)內(nèi)部平行鋼絲表面銹斑成片出現(xiàn)，除銹后鋼絲表面有凹坑。在新剖開的PE護套內(nèi)表面存在水珠，鋼絲內(nèi)部積水，而且鋼絲表面出現(xiàn)銹蝕坑，由于吊桿截面尺寸小，對銹蝕作用非常敏感，在凹坑處會出現(xiàn)比較明顯的應(yīng)力集中，在應(yīng)力銹蝕及疲勞荷載作用下吊桿將迅速發(fā)生銹蝕疲勞斷裂。為確保橋梁安全，以及對吊桿工作狀況進行研究的需要，對晴川橋上游1#吊桿、上游37#吊桿、下游16#吊桿進行更換，并結(jié)合更換下的3根吊桿開展疲勞壽命研究。分別開展吊桿外觀檢測、PE護套老化試驗、吊桿退化鋼絲力學性能試驗、吊桿退化鋼絲疲勞試驗，通過各項試驗對吊桿進行評估，并為類似橋梁設(shè)計維護提供相關(guān)建議。

2 試驗研究

2.1 外觀檢測

對更換下來的3根吊桿進行錨頭開蓋檢測、鋼絲銹蝕檢測和機械切割內(nèi)部鋼絲檢測。統(tǒng)計資料表明，吊桿索結(jié)構(gòu)病害中，鋼絲銹蝕和開裂具有出現(xiàn)頻率高、檢測困難、降低吊桿承載力、無法修復(fù)的特點，對吊桿的危害性最大。鋼絲銹蝕的出現(xiàn)頻率比開裂發(fā)生的頻率高得多，而開裂總是發(fā)生在銹蝕位置，因此鋼絲銹蝕是決定吊桿極限承載力和剩余使用壽命的關(guān)鍵因素。在吊桿的病害中，僅錨頭開裂對吊桿承載力有較大影響，但這種病害極為罕見。通常，人們以為錨頭附近的鋼絲易于發(fā)生銹蝕或開裂病害，但晴川橋吊桿外觀檢測及解剖結(jié)果表明，套筒附近的鋼絲并沒發(fā)生銹蝕，而是在PE護套破損開裂位置存在鋼絲銹蝕病害。

2.2 PE材料老化試驗

剝除37#索吊桿外層纏包帶，從PE護套上取6個試件，3個一 組進行對比試驗。即3個試件置于70 ℃環(huán)境中96 h后，測試其力學性能，另外3個試件在常溫環(huán)境下PE進行力學性能試驗，兩組試件結(jié)果做對比分析，研究熱空氣下材料老化情況。對試件進行熱空氣老化試驗，采用的主要檢測儀器設(shè)備有CTP701F高低溫試驗箱、CMT5105微機控制電子萬能試驗機。將3個PE試件進行70 ℃高溫下暴露96 h后進行拉伸試驗，測試其抗拉強度和拉斷伸長率，另取3個PE試件直接進行拉伸試驗，測試其抗拉強度和拉斷伸長率(圖2、圖3)。

圖2 PE材料取樣

圖3 萬能試驗機

2.3 鋼絲力學試驗

采用鋼絲最小截面直徑法測量鋼絲的銹蝕程度，經(jīng)過銹蝕程度量化后的鋼絲試件，利用萬能試驗機加載。得到鋼絲主要力學性能指標隨鋼絲銹蝕程度變化關(guān)系，從而根據(jù)銹蝕程度推斷吊桿力學性能指標的變化。

將替換下來的吊桿進行剝除護套，取出單根鋼絲，將銹蝕鋼絲進行鋼絲銹蝕程度等級劃分后，選擇具有代表性的幾根鋼絲，將試驗段鋼絲逐一編號后排列，在除去每一根鋼絲的銹層之后，選擇該根鋼絲的較小截面尺寸進行測量，此測量尺寸作為鋼絲的有效截面尺寸。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)以及鋼絲外觀的觀察，對照鋼絲銹蝕程度分級標準進行分類統(tǒng)計。對編好號的鋼絲進行抗拉強度試驗。

1#短吊桿在實橋運營中受力狀態(tài)為最不利狀態(tài)。由于短吊桿自由長度太短，受溫度變化影響大，且橋面反復(fù)縱向位移，短吊桿不能自由擺動，頻頻出現(xiàn)較大的附加應(yīng)力。試驗選擇1#吊桿在使用14 年后的狀態(tài)進行鋼絲材料力學性能試驗，選擇的鋼絲為表面無銹蝕的鋼絲，抗拉強度滿足規(guī)范要求，說明無銹蝕情況下，鋼絲材料性能并無明顯改變。

2.4 鋼絲疲勞試驗

取37#吊桿鋼絲一根，表面光潔無銹蝕部位在萬能試驗機上進行疲勞試驗，頻率采用15 Hz，次數(shù)為50×104次，測試其抗拉強度。最終測定其疲勞抗拉強度為1 429 MPa，比規(guī)范要求的1 670 MPa下降14 %。

3 結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場檢查，鋼絲銹蝕均出現(xiàn)在PE護套破損位置。因此，加強PE 護套的定期檢查與防護，對保證鋼絲正常使用具有重要意義。

(2)通過現(xiàn)場對吊桿的解剖，雖然吊桿鋼絲表面存在銹蝕，但內(nèi)部鋼絲均處于完好狀態(tài)，說明吊桿內(nèi)部防腐延緩或阻止了鋼絲銹蝕的傳播。

(3)通過現(xiàn)場試驗，吊桿鋼絲在表層局部銹蝕后，其抗拉強度仍滿足規(guī)范要求。

(4)通過現(xiàn)場試驗，吊桿 PE 護套的抗拉強度和扯斷伸長率對溫度變化并不敏感。

(5)通常以為錨頭附近的鋼絲易于發(fā)生銹蝕或開裂病害，但通過現(xiàn)場切割，套筒附近的鋼絲并沒發(fā)生銹蝕，而是在 PE 護套破損開裂位置存在鋼絲銹蝕病害，這也說明PE護套的保護對防止鋼絲銹蝕的重要性。

(6)根據(jù)試驗結(jié)果提出以下建議：

①重視纏包帶與PE護套的檢查，根據(jù)規(guī)范要求定期開展纏包帶和PE護套的檢查工作；

②對于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的PE護套開裂或破損，應(yīng)及時修補。若發(fā)現(xiàn)PE護套修補處重復(fù)破損，則應(yīng)引起注意，開展鋼絲銹蝕或斷絲檢測。

③考慮到外部防護對鋼絲壽命的重要性，從實際使用條件出發(fā)，建議將橋梁竣工至吊桿 PE 護套達到老化壽命期，作為吊桿正常使用壽命期。

[1] 孫慶凱. 大跨中承式拱橋短吊桿結(jié)構(gòu)行為研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2003.

[2] 陳兵， 趙雷， 楊弘， 等. 拉薩柳梧大橋吊桿疲勞壽命研究[J]. 鐵道建筑, 2007(4): 6-8.

[3] 鐘啟賓. 系桿拱橋吊桿、系桿設(shè)計壽命及相關(guān)問題[J]. 預(yù)應(yīng)力技術(shù), 2002(2).

[定稿日期]2017-06-21

周瀟(1982～)，男，碩士研究生， 工程師， 從事橋梁檢測養(yǎng)護管理工作。

U446.3

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