吊杆损伤检测与成因分析

王 浩

大型桥梁结构的使用期长达几十年甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应，疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的累积损伤和抗力衰减，进而导致其抵制自然灾害甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故。为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，对在役桥梁结构进行有效的监测和评价其安全状况、修复与控制损伤变得越发重要。拱桥吊杆是传递桥面系的恒载与活载的关键受力构件，它的使用正常与否，关系到桥梁的整体寿命和安全。然而，由于受当前设计理论，科学技术和工业水平发展进程的制约，桥梁吊杆吊具的设计、制造、防护、安装、服役、维护、健康诊断、拆换乃至设计寿命的确定、使用一段时间后剩余寿命的预测等等，皆缺乏严谨、明确、统一的规范。经初步调查，采用柔性吊杆的中下承式拱桥，全国达 70座以上，众多的拱桥，数以千计的吊杆中，大多不同程度地存在着隐患[1]。鉴于此种情况，十分有必要对在役拱桥吊杆的健康状况进行检测，并分析其可能的成因，以便于进一步研究控制措施。

1 吊杆损伤检测

1.1 吊杆损伤类型[2]

吊杆暴露在大气环境中，雨水的侵蚀和车辆尾气将导致吊杆锈蚀。腐蚀损伤和疲劳损伤是吊杆最普遍的两种损伤。

1)吊杆的腐蚀损伤。吊杆在一般条件下的腐蚀为电化学腐蚀和化学腐蚀，但由于它总是处在交变荷载的作用下，因此在疲劳受力状态下吊杆发生的腐蚀属于应力腐蚀。应力腐蚀对高强预应力钢筋危害很大，这是一种腐蚀介质和拉应力共同作用下钢筋产生晶间或穿晶断裂的现象。腐蚀介质、钢材应力水平和钢材材质情况是影响钢材应力腐蚀严重程度的主要因素。锈蚀主要导致吊杆的截面面积减小和氢脆现象，前者是由于锈蚀产物的生成而造成吊杆实际受力面积的缩小;锈蚀产生的坑点作为一个氢原子源，有利于后者的发生。在锈蚀凹坑里，水分子分解产生氢原子，由于氢原子的原子半径小，所以具有渗透金属的能力，可以很容易扩散到钢的空隙中，在那里结合形成气体，产生的压力使铁原子受到很大的内拉应力，结合预应力筋的张拉应力，当超过钢的抗拉强度时就会发生钢绞线的脆性断裂破坏，氢脆降低吊杆的疲劳强度和延性，从而减小吊杆的安全性。

2)吊杆的疲劳损伤。吊杆不仅承受桥面传来的车辆反复冲击荷载，还承受风荷载和温度变化的作用，在长期交变荷载作用下，通常在工作应力峰值低于弹性极限时会突然破坏，这种破坏现象称为疲劳。钢绞线的疲劳破坏主要由各钢丝间的擦伤疲劳引起的。擦伤疲劳破坏是由变化的轴向应力、摩擦应力、侧向压力和滑移等因素共同作用所引起的，在这些荷载作用下，钢绞线或者钢丝接触面之间出现相对位移 0.1μm～300μm，金属表面氧化膜很快会被擦掉，两个粗糙的表面很容易被熔合成一体;每次接触表面相对滑移，使熔合在一起的这些接触点产生破坏并又形成新的熔合点，从而产生表面磨损并引起表面开裂，此后的裂缝发展速度主要取决于轴向应力的变化幅度。

1.2 损伤检测

进行吊杆损伤检测，吊杆内力、腐蚀、滑丝、断丝等是检测的必要内容。1)吊杆内力测试。在实际工程中，常见索力测试方法有荷重传感器测量法、压力型油压千斤顶测量法、磁通量法、频率法以及电阻应变法、光纤光栅传感器测索力。不同的测试方法各有其优缺点。荷重传感器测量法、压力型油压千斤顶测量法属于直接法，简单易行，是施工中控制索力最实用的方法。频率法是首先测量索的自振频率，再根据索自振频率与索的张拉力之间的关系来换算出索力。由于设备可重复使用，而且当前的电子仪器日趋小型化，仪器携带、安装均很方便，测试精度高。磁通量法是利用放在拉索中的小型电磁传感器，测定磁通量变化，根据索力、温度与磁通量的变化关系，来推算索力。该方法的核心优点是除磁化拉索外，它不会影响拉索的任何力学和物理特性，缺点是必须现场标定，并受温度场、电磁场的干扰很大。光纤光栅传感器的基本原理是在外界应变和温度作用下光纤光栅的中心波长发生漂移，通过解调光纤光栅的中心波长变化，就可以方便获得待测的应变和温度值。该法具有仪器尺寸小(125μm)、精度高、抗电磁干扰、分布式监测、耐久性好等优点。2)吊杆腐蚀、滑丝、断丝等损伤监测。对上述这些损伤进行检测的方法主要有:人工检测法，超声波检测，射线检测，漏磁检测法，声发射检测技术等。

2 吊杆钢索破损成因

吊杆钢索破损的诱因有:强度损失、疲劳破坏与腐蚀作用[3]。

1)强度损失。一般吊杆的安全系数取值都要求大于 2.5，即吊杆承受的最大应力低于钢丝索标准强度的 40%，所以吊杆由于强度不足而产生破坏的可能性较小。大部分因强度破坏而受到损坏的吊杆均由于防护失效而导致锈蚀，使吊杆截面缩小而间接导致的强度破坏。

2)疲劳破坏。钢材在反复荷载的作用下，虽然应力还低于极限强度，甚至低于屈服点，但也会发生破损，即疲劳破坏。在中下承式拱桥吊杆的设计中，一般对强度问题比较重视，对吊杆的最大应力控制的比较好，但对与疲劳有关问题考虑较少，即便考虑也只是将应力幅控制在一定范围内，就认为吊杆钢索和锚头可以满足疲劳方面的要求。这种设计方法存在着一定的问题，诸如设计理论的不完善、设计中对振动、冲击、弯曲附加应力等影响因素的忽略等，加之常规静力计算所得的应力幅均不大，所以设计中容易忽略了疲劳的验算。

3)腐蚀作用。钢索腐蚀的原因主要是防护措施开裂失效，导致水、氧气及其他有害物质与钢索直接接触引起锈蚀。另外吊杆所处的大气环境、应力状态等对钢索的腐蚀也有影响。一般来说，吊杆的破坏是由疲劳与腐蚀的共同作用引起的。交变的疲劳荷载降低了防腐措施的有效性，而腐蚀又直接削弱了吊杆的抗拉强度。

3 吊杆锚具破损成因

吊杆的锚具主要有墩头锚、冷铸锚和夹片锚。现在成品索大多采用抗疲劳性能较好的墩头锚和冷铸锚。锚具在工厂研制、开发和生产过程中，都进行抗疲劳的相关试验，在正常的工作条件下一般不会产生疲劳问题。但应注意的是:在吊杆设计中对影响吊杆及锚具疲劳寿命的因素要加以考虑，使吊杆和锚具处于正常的工作条件下。锚具的腐蚀分外部腐蚀和内部腐蚀。如吊杆锚头外部几乎未进行有效防护，其锈蚀也是必然的。所以对不进行封锚处理的锚具，应加防护罩或采取其他有效的措施防止锚具外部的锈蚀。

4 吊杆防护破损成因

防护破损开裂有:1)防护材料自身的收缩;2)吊杆钢索松弛引起防护材料变形;3)吊杆受交变荷载引起防护材料变形;4)温度变化引起防护材料变形;5)防护材料的老化。吊杆防护的破损开裂往往是以上这些因素共同作用的结果，而吊杆钢索与防护材料变形不协调是其中的重要因素。防护开裂后，使空气中的水分、氧气以及其他有害物质与钢索接触，发生腐蚀。由于吊杆的防护措施又具有一定的密封性，反而使这些有害物质难以及时观察到并得到排除，存积在吊杆内部，长期腐蚀吊杆。

[1] 汤国栋，侯金龙，刘元泉，等.拱桥吊杆的安全忧虑与对策——吊杆健康诊断[J].公路，2002(4):78-89.

[2] 李冬生.拱桥吊杆损伤监测与健康诊断[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007.

[3] 鹿剑阁，徐君兰.钢管混凝土拱桥吊杆的破损行为分析[D].天津:天津大学，2005.

[4] 邸小坛，周 燕.大气环境下钢筋锈蚀规律的研究[A].第四届全国混凝土耐久性学术交流论文集[C].1996.