服役橋梁鋼索損傷機理分析

楊華龍

(四川大學建筑與環境學院 四川 成都 610065)

引言

鋼索體系橋梁是現在大跨度橋梁建設的首選，如懸索橋、斜拉橋、中下承式拱橋，并且數量日益增多。但是，由斷索垮橋造成事故的案例時有發生，鋼索腐蝕案例和換索工程也頻繁出現。因此，本文通過對鋼索損傷機理進行了詳細分析，并對服役20年的鋼索內鋼絲進行了鋼絲銹蝕和力學性能的研究。

一、鋼索的損傷

鋼索防護套是成品鋼索防腐的關鍵，是防護索體內部鋼絲的第一道防線。目前，我國鋼索防護套主要采用的是高密度聚乙烯(HPDE)熱擠護套，設計使用壽命不少于20年。鋼索護套的損傷主要受防護材料和環境的影響，在外觀上首先表現為PE護套開裂，其損傷的形式主要有劃痕、刮痕、龜裂、裂縫等。

鋼索內鋼絲的銹蝕實質是一個微電池原理的電化學腐蝕，鋼絲電化學腐蝕按其被破壞的形式可以分為：全面腐蝕和局部腐蝕。局部腐蝕是相對全面腐蝕而言的，主要發生在局部部位，雖然局部腐蝕造成的金屬損失量不大，但是嚴重的局部腐蝕會導致鋼索斷絲，甚至是鋼索的斷裂，這種破壞屬于脆性斷裂，很難預測。大量調查研究發現，由于在外界環境和荷載等作用下，鋼索中鋼絲的局部腐蝕主要是點蝕、應力腐蝕和腐蝕疲勞[1]。

錨具病害主要有銹蝕、變形和開裂。錨具的變形和開裂在實橋調查中出現的概率非常小，最常見的病害是錨具銹蝕。雖然錨具銹蝕對鋼索承載力不起控制作用，但是錨具的嚴重銹蝕也會影響鋼索的正常使用，國內已發生過多起因錨頭及錨頭內裸露鋼絲銹蝕而脫錨的事故。

二、服役鋼索內銹蝕鋼絲試驗

(一)服役鋼絲的銹蝕

試驗采用國內某服役了20年的斜拉橋拆換下來的鋼索內鋼絲為樣本，選取鋼索內25根鋼絲并將鋼絲分層編號，見圖1。根據圖2鋼絲的表觀可以看到1-6號內層鋼絲表面的鍍鋅層開始被破壞，出現了一定程度的均勻腐蝕，但鋼絲基質沒有損傷；7-12號中間層鋼絲發生了明顯的均勻腐蝕，鋼絲基質遭到破壞；13-25號外層鋼絲銹蝕程度加深，主要由均勻腐蝕產生了局部腐蝕，有蝕坑出現。

圖1 鋼索內鋼絲編號 圖2 鋼索內編號鋼絲的銹蝕情況

(a)服役后的鋼絲(25根) (b)新鋼絲(6根)

(二)服役鋼絲的拉伸試驗

根據相關規范要求，7mm直徑的高強鍍鋅鋼絲抗拉強度為1770MPa，屈服強度為1580MPa，伸長率≥4%，彈性模量為(2±0.1)105MPa[2]。分別對25根鋼索內腐蝕鋼絲和6根新鋼絲進行靜力拉伸試驗，得到其應力—應變曲線如圖3。從圖中可以看出鋼絲的應力—應變曲線沒有明顯的屈服階段，而服役后鋼絲的抗拉強度和屈服強度與新鋼絲相比均有不同程度的下降；試驗得到鋼絲的斷后伸長率均≥4%，彈性模量幾乎沒有變化。

三、試驗分析

(一)鋼絲的銹蝕規律

根據文獻[3]對鋼絲的銹蝕進行詳細的分級標準可得到鋼索內鋼絲銹蝕程度，見表1。鋼索鋼絲在徑向上的銹蝕程度由內向外逐漸增大。

表1 鋼絲銹蝕程度分級標準

(二)鋼絲的力學性能

由表2可以得到，試驗使用的25根服役鋼絲的伸長率均大于4%，滿足規范要求；其中只有5根鋼絲的剩余強度值大于1770MPa，滿足規范要求。根據規范《公路斜拉橋設計細則》要求運營狀態下斜拉索的安全系數不小于2.5，如用此安全系數按照規范要求的鋼絲標準抗拉強度計算可得到鋼絲的規范要求設計抗拉強度應為708MPa，而試驗使用的服役了20年的鋼索內鋼絲的最小剩余抗拉強度為1665MPa是遠大于708MPa的，因此根據以上分析可以初步判斷試驗用的鋼絲仍然具備一定的剩余強度。

表3 鋼絲抗拉強度、屈服強度和延伸率

四、結論

鋼索的損傷機理主要歸納為護套損傷開裂、鋼絲腐蝕和錨頭滲水銹蝕，鋼索護套損傷開裂后導致索體內鋼絲銹蝕。在外界環境和長期荷載作用下，鋼索內鋼絲的腐蝕主要為點蝕、應力腐蝕和腐蝕疲勞等。鋼索內鋼絲銹蝕程度為表層鋼絲銹蝕最嚴重，越往鋼索內部鋼絲的銹蝕程度逐漸減輕。由于鋼索設計時考慮了較大的安全系數，試驗使用的服役橋梁鋼索仍然具備一定的承載能力。