柔性吊杆拱桥吊杆索体病害特征及检测指标

2016-11-18李元兵

城市道桥与防洪 2016年7期

关键词：断丝护套吊杆

李元兵

（上海同济建设工程质量检测站，上海市 200092）

柔性吊杆拱桥吊杆索体病害特征及检测指标

李元兵

（上海同济建设工程质量检测站，上海市 200092）

针对柔性吊杆拱桥吊杆索体的退化行为，系统地总结了柔性吊杆索体的安全性和耐久性病害特征。指出吊杆索体的安全性病害主要为钢丝锈蚀、开裂、断裂、吊杆偏位及弯曲变形，其中钢丝孔蚀导致的开裂或断裂是主要因素。同时，针对现行规范中关于柔性吊杆索体检测指标方面的不足，在总结吊杆索体安全与耐久性能检测指标的基础上，建立了柔性吊杆索体服役健康状态的检测指标体系。

柔性吊杆拱桥；吊杆索体；病害特征；检测指标；孔蚀

0　引言

现代柔性吊杆拱桥通常为拱、吊杆和梁的组合体系，其结构行为区别于纯拱结构且更为复杂。从已有毁桥事故或吊杆更换的现象看，柔性吊杆拱桥桥面坍垮或吊杆更换的起因大多是运营阶段吊杆断裂或功能严重退化，其损伤机理有别于拱桥失稳或振动破坏。由于受各种内、外因素（设计标准、使用年限、投资数额、工程材料、外部环境、养护质量、交通量、作用荷载、偶然事故等）错综复杂的交互影响，桥梁结构内部必然会产生变异，导致承载力逐渐降低，再加上桥梁的锈蚀、老化、疲劳、破损，给桥梁的正常使用埋下了隐患。目前，我国大量20世纪90年代左右建造的吊杆拱桥，均出现了各种类型的吊杆索体病害，如护套开裂、吊杆索体断裂等等。这些病害不仅使桥梁结构存在较大的安全隐患甚至垮塌风险，而且也对大桥的养护管理及设计维修提出了更高的要求。

本文结合大量实桥的资料调研及深度检测结果，通过理论分析、现场测试、数值模拟及试验数据分析，详细而有针对性地对吊杆索体的病害进行了全面系统的梳理，总结了可应用于实桥检测与评定的病害特征；同时建立了吊杆索体的检测指标体系，为其技术状况与承载力评定奠定一定的基础。

1　吊杆索体病害特征及分析

由于吊杆在运输或施工过程中的损伤或使用过程中的老化、镀锌钢丝锈蚀、开裂、断丝等原因，相当一部分吊杆在拱桥建成后不久便出现严重损伤，有的不得不提前维修或更换，甚至极个别断裂导致桥梁倒塌［1-4］。根据吊杆索体的病害调查结果以及病害发生的部位和影响，可将吊杆索体的病害分成：（1）安全性病害：包括吊杆内钢丝锈蚀、开裂、断裂，吊杆偏位、弯曲变形等。（2）耐久性病害：包括护套病害，护套内积水或冷凝水，填充层防护失效，吊杆套管锈蚀、渗油、积水等。

1.1安全性病害

1.1.1钢丝锈蚀

钢丝锈蚀在既有吊杆索体病害调查中占绝大部分。它是导致钢丝开裂或断丝的起点，是吊杆承载力和使用寿命降低的直接原因。它和疲劳一起成为吊杆损伤演化的主要机制。如合肥寿春路桥由于防护工艺不到位，钢管内进水，导致钢丝不同程度锈蚀；广西邕宁邕江大桥短吊杆外护管断裂导致渗水，导致吊杆钢绞线严重锈蚀；乐山沙湾大渡河桥由于吊杆PE管老化变形，内部灌浆不密实而积水，导致钢绞线锈蚀较重；杭州叶青兜桥由于吊杆内积水、砂浆不均匀、部分钢丝裸露导致钢丝明显锈蚀。重庆石门大桥也因防护失效导致钢丝严重锈蚀。防护措施失效导致钢丝与锈蚀性介质接触并发生电化学等反应是钢丝锈蚀的主要原因。进入索体内部的雨水、潮湿空气，甚至微生物均可能导致钢丝锈蚀。

吊杆内钢丝锈蚀的类型主要为均匀锈蚀和孔蚀。均匀锈蚀指钢丝表面受到均匀的锈蚀，表面各处所受的锈蚀程度和深度相等。孔蚀是指钢丝在大部分表面不发生锈蚀或锈蚀很轻微，但在个别点或微小区域内钢丝表面出现蚀孔或麻点，且随着时间的推移，蚀孔不断向纵深方向发展，形成小孔状锈蚀坑。钢丝均匀锈蚀和孔蚀均改变钢丝几何形状，但两者对钢丝脆断的贡献却不尽相同。均匀锈蚀均匀减小钢丝横截面，但截面仍为圆形，仅改变钢丝沿纵向的圆柱体形状，钢丝的强度和延性基本无变化。而孔蚀则由于在钢丝表面形成局部锈蚀坑而改变钢丝横截面，使其截面由圆形变为非圆形，钢丝的强度与延伸率显著下降、甚至出现尖锥状断丝。锈蚀初期为小范围片状锈斑，较难实施无损检测，后期逐步演化为大面积铁锈布满钢丝表面，无损检测时难度适度降低。钢丝锈蚀的病害特征主要表现为：（1）镀锌层均匀锈蚀，钢丝表面具有金属光泽，但局部出现白色锌粉；（2）镀锌层均匀锈蚀，钢丝表面覆满白色锌粉，但未见铁锈痕迹；（3）镀锌层与钢丝均匀锈蚀，钢丝表面的白色锌粉中出现铁锈；（4）钢丝均匀锈蚀，钢丝表面的铁锈数量增多，部分锈斑连接成片，但铁锈面积比白粉面积小；（5）钢丝均匀锈蚀，钢丝表面大面积黄色锈斑，大部分锈斑连接成片，铁锈面积比白粉面积大；（6）钢丝均匀锈蚀，铁锈布满钢丝表面，锌粉基本消失；（7）钢丝孔蚀，钢丝表面形成小孔状锈蚀坑；（8）钢丝孔蚀，蚀孔数量增多且向纵深发展；（9）钢丝孔蚀，蚀孔非常深，钢丝截面削弱严重，几何形状“非圆”；（10）严重锈蚀（均匀锈蚀、孔蚀），钢丝局部接近断裂（见图1）。

图1　吊杆索体内钢丝锈蚀的病害特征之实景

1.1.2钢丝开裂、断丝

钢丝开裂在检测时较少被发现，且所有已检测到的钢丝开裂均出现在锈蚀处。由于锈蚀产物遮盖，裂纹难以检测，多数情况下，仅当钢丝断丝后其裂纹才被发现。钢丝开裂主要由于均匀腐蚀及孔蚀使钢丝截面削弱、几何形状改变、表面粗糙度增加从而导致钢丝极限延伸率下降、蚀坑底部应力强度因子增加造成的，主要包括应力腐蚀和腐蚀疲劳开裂两种机制。应力腐蚀是指钢丝在特定腐蚀介质和静应力共同作用下产生滞后开裂、甚至发生滞后断裂的腐蚀现象。腐蚀疲劳是指钢丝在循环应力和腐蚀环境协同、交互作用下因开裂或脆性断裂而提前失效的现象。

钢丝断丝在吊杆中非常普遍。钢丝断裂将影响吊杆的承载能力，使吊杆安全系数降低，并引发其他钢丝的应力增大而加速破坏。根据实桥钢丝的检测资料，钢丝断裂有4种典型形态（如图2所示）［5］：（1）A型断丝，在检测General U.S.Grant Bridge时被发现。断丝始于裂纹，初始时裂纹扩展方向垂直于钢丝，但当裂纹面积接近钢丝截面积50%时，裂纹扩展方向突然倾斜45°，形成贯穿裂纹；（2）B型断丝，在检测Mid-Hudson Bridge时被发现。断丝始于裂纹，初始时裂纹垂直钢丝扩展，当裂纹面积接近钢丝截面积50%时，钢丝突然断裂，断口呈锯齿状；（3）C型断丝，这种断丝始于裂纹，初始时裂纹垂直钢丝扩展，当裂纹面积接近钢丝截面积50%时，裂纹扩展方向改变，新方向与原方向接近垂直。裂纹继续扩展到一定程度后，扩展方向恢复至初始扩展方向，钢丝快速断裂；（4）D型断丝，在石门大桥检测中发现绝大多数断丝属于这种情况，断丝处呈尖锥状，附近未发现裂纹。其中，A、B、C型断丝的平截面均是腐蚀疲劳作用的结果，但从不规则截面看，A、B型断丝是在拉伸作用下的韧性断裂形成的，C型断丝则是应力腐蚀作用形成的。D型断丝是锈蚀单独作用形成的。

图2　钢丝断裂的典型形态之实景

1.1.3吊杆偏位、弯曲变形

由于吊杆横向较柔，其吊杆索安装时有偏差、主梁的摆动或横向荷载作用下索将产生相对于锚具的弯曲、偏位等病害。对于柔性长吊杆，由于在锚具附近进入固结端而产生较大的弯矩，造成钢丝在此处存在局部弯曲应力，大小约占总应力45%，并且由于柔性索横向振动较大，易引起锚固处钢丝的疲劳断裂，降低吊杆的寿命。对于刚度较大的短吊杆，偏位和变形不但引起钢丝应力的增大，而且会造成拱圈与短吊杆相剪，对拱圈局部造成损伤。在因吊杆偏位变形产生较大局部应力后，再由于柔性吊杆横向振动较大，易引起锚固处钢丝的疲劳断裂，从而降低吊杆的寿命。

1.2耐久性病害

1.2.1护套病害

通过对部分桥梁吊杆的病害调查，发现绝大部分桥梁PE护套均出现横向或纵向开裂，最短的不到1 a，最长的不到10 a。护套防护层病害将直接导致吊杆与外部环境接触而引起钢丝锈蚀。而且护套与吊杆上下连接筒间的连接处缠包带的封闭情况也是薄弱环节，养护中应给予重视。吊杆索体护套病害特征主要表现为：（1）护套划痕、刮痕、凹坑，会导致护套开裂、破损；（2）护套老化、泛白，会导致护套开裂，或护套内出现冷凝水；（3）护套龟裂，会导致护套开裂、渗水，镀锌层、钢丝锈蚀；（4）护套环向开裂，会导致镀锌层、钢丝锈蚀；（5）护套纵向开裂，会导致镀锌层、钢丝锈蚀；（6）护套被吊杆阻尼器限位块割伤而开裂，会导致镀锌层、钢丝锈蚀；（7）护套上、下连接处密封橡胶圈破损、渗水、渗油，会导致锚头锈蚀、积水；（8）护套烧伤；（9）护套撞损；（10）护套外钢套管锈蚀、渗油（见图3）。

图3　吊杆索护套病害特征之实景

1.2.2护套内积水或冷凝水

护套在老化、开裂、破损及填充层防护失效后均会导致护套内存在积水或冷凝水，进而引发钢丝镀锌层及基质的锈蚀。如对南通市丁堡河桥部分吊杆护套解剖后发现，相当部分的护套内壁附着冷凝水，并渗透至钢丝内部，使护套内钢丝均处于潮湿的环境中，易引起钢丝镀锌层及基质的锈蚀。

1.2.3填充材料防护失效

水泥浆填充层防护失效的主要原因如下：（1）由于护套和水泥浆热膨胀系数的差异，使得温度较低时护套因收缩受浆体限制而环向开裂；（2）水泥压浆压力超出护套承载能力使护套开裂；（3）水泥在压浆过程中未填满钢丝间的空隙，并且在硬化时出现干缩裂缝，这些裂缝和空隙降低了水泥对钢丝的防蚀作用；（4）压浆过程中往往出现泌水、沉淀与离析、空洞、浆体不密实、砂浆硬化后开裂等现象，特殊情况下还可能出现水泥浆长期不凝固的现象，恶化了钢丝的使用环境，导致钢丝锈蚀。水泥浆防护失效危害程度最大，影响最广，国内外许多桥梁的吊杆失效乃至换索均源自该类病害。黄油填充层防护失效主要表现为黄油挥发、霉变等。

1.2.4吊杆套管锈蚀、渗油、积水

上、下端吊杆套管积水的主要原因如下：（1）保护罩防护失效，水直接沿索体进入吊杆套管内；（2）大多数老式防水罩因不能适应吊杆摆动变形，使用一两年便失效；（3）桥梁施工过程中防水与排水措施不够，造成吊杆套管积水；（4）某些桥梁吊杆套管太短，没有高于桥面，水直接流入吊杆套管内造成积水；（5）冷凝水造成吊杆套管积水和潮湿度增加。

1.3各类病害比较

吊杆索体各类病害比较如表1所列。