钢结构斜拉桥常见病害空间特征分析

刘小玲, 文萌, 汪炳

(1.宁波大学 海运学院，浙江 宁波 315200；2.宁波大学 土木与环境工程学院)

近年来，斜拉桥由于其跨越能力强、外形美观等优点，得到了广泛的应用和发展。随着世界范围内对大跨径桥梁的需求增大，建成了数以百计的大跨径斜拉桥。但是，斜拉桥构造相对复杂，早期设计施工存在一些问题，再加上长时间的荷载和养护不到位的影响，大量斜拉桥在运营期内不可避免地出现了多种病害问题，成为结构安全的较大隐患。

国内外学者对不同类型斜拉桥的病害进行分类总结研究。田志强等通过国内外斜拉桥病害调研，总结出钢塔斜拉桥重要部件的典型病害；吴育苗、江向红等对混凝土斜拉桥的病害成因进行分析，并提出了相应的养护处理方案。学者们主要研究病害的成因和处治办法，但是对于病害的空间特征并未做深度挖掘。谢发祥等通过管养数据总结分析了高速公路板梁桥病害特征，并对其主要病害随跨径的发展特征进行了总结；韦锋等初步分析了混凝土刚构桥典型病害的分布特点，这些成果对斜拉桥的病害统计具有借鉴意义。鉴于此，该文以钢结构斜拉桥为例，基于已有的典型病害，对主要部件病害进行整理和归类，对病害的空间特征进行统计与分析，为斜拉索的养护和维修提供参考。

1 某钢结构斜拉桥的检测概况

某斜拉桥位于江苏省南京市，主桥全长1 288.0 m，呈南北向布置，跨径布置为(63+257+648+257+63)m。该桥于2005年10月7日正式通车。主梁采用正交异性钢箱梁形式，索塔为钢箱形式的弧线形塔，下部结构中采用桩柱式墩台，钻孔灌注桩基础。对于斜拉索系统而言，该桥采用双索面形式，斜拉索呈东西侧对称布置，每个索面有84根索，一共168根。斜拉索采用直径为7 mm的高强度平行钢丝外挤包高密度聚乙烯形式，最小型号为109根钢丝束，最大型号为241根钢丝束。目前桥梁正常运营，在2010年年度检测中属于1类桥，2012年检测为3类桥，主要是主梁斜腹杆多处裂纹造成的。2013年对之前的病害进行了维修，结构评定为1类桥。因此，该文以2012年检测报告中的病害为统计对象。

2 斜拉索常见病害特征分析

2.1 斜拉索病害在不同部位的分布特征分析

2012年，工程背景桥的斜拉索系统评分为83.9分。斜拉索系统在长时间荷载、风雨等自然环境的作用下，易出现各类病害问题，从该桥年检报告可以看出：斜拉索的上下锚头、索体、护套、减震系统等部位都出现了不同程度的病害，主要表现为钢护套表面防锈漆多处脱落、锚头的防腐油脂渗漏、下锚头圆形钢护筒内海绵碎裂等病害。

根据检测报告，表1为斜拉索系统中上锚头、拉索护套钢护筒段、下锚头、减震装置等部位的病害数量。

表1 斜拉索病害在不同部位分布

从表1可以看出：整体病害数量和种类并不多，说明目前斜拉索系统处于相对较好的状态。病害较多的地方为上锚头、拉索护套以及下锚头。20个上锚头存在防腐油脂渗漏问题，此类病害在距离桥面190.6～205.6 m处多发，即对应最长的6根拉索位置，说明较长的拉索锚头处易发生防腐油脂渗漏，这些斜拉索承担着较大的索力，因此更容易受到破坏，应加强长索的病害检查。下锚头仅有7处防腐油脂渗漏，其余为涂装层起皮问题。护套病害主要是斜拉索钢护筒防锈漆脱落。

2.2 护套病害的空间分布特征

该桥运营时间不长，拉索的使用时间仅为7年，因此护套没有致命的病害，检测出护套病害类型中97%的病害为斜拉索钢护筒防锈漆脱落，这种病害存在于27.4%的拉索中。

经调查：① 斜拉索钢护筒部分防锈漆脱落情况为:上游仅有5处病害，而下游有41处。桥梁的下游明显比上游斜拉索护套开裂数量多;② 斜拉索护套开裂的病害在下游的分布情况为：普遍南塔岸侧以及跨中病害较多，这可能是由于常年多东南风造成。南京属于亚热带季风气候区域，夏季受海风影响，吹东南风，同时湿度较大，造成了南边的涂装层出现较多的劣化问题。养护单位在评估时可以考虑以单侧最不利情形为评判标准。

2.3 索力的时空分布特征分析

对此桥的40根长索索力进行监测，由于是在通车状态下测量的，而第一次通车状态测量索力是在2009年，因此，将这两次结果进行对比。2012年相比2009年索力值相差不大，40根拉索索力合计增长了779 kN，拉索变化率均在2%以内，表明该桥总体表现平稳。图1为上游20根拉索和下游20根拉索相比2009年的索力变化率，其中SA代表南塔岸侧索，SJ代表南塔江侧索，NJ代表北塔江侧索，NA代表北塔岸侧索。索长从短到长依次编号为1～21。索力变化幅度最大为1.9%，表明索力整体保持稳定。上下游索力变化增减基本一致，但是仍然存在某些拉索变化相异的情况。

图1 2012年上下游索力变化率对比

由图1可以看出：北塔两边的索力出现了上下游变化不同的情况，而南塔两侧的上下游索力基本保持了相同的趋势，而且普遍索力增大。这样不对称的变化特征，需进一步检测两个塔的偏位情况，以做进一步判断。

3 钢箱梁常见病害特征分析

主梁评定为5类部件，主要是由斜腹杆过焊孔的受力裂缝导致。目前钢箱梁检测出主要病害是涂装层锈蚀以及斜腹杆过焊孔的裂纹，涂装层锈蚀小且散。

图2为钢箱梁每个箱室内涂装层锈蚀的总面积。

由图2可见：大部分箱室内涂装层锈蚀状况较为一致，在梁体的两端涂装层问题相对较多。而在北塔侧一个箱室内出现了异常高的劣化面积，达到了1 650 cm2。在检测中应重点关注梁体两端的涂装层劣化状况。

图2 钢箱梁涂装层锈蚀分布图

图3为钢箱梁斜腹杆过焊孔裂纹分布情况。由图3可以看出：钢箱梁斜腹杆过焊孔裂纹分布与主梁的受力分布吻合。在桥塔附近的钢箱梁受力较为稳定，斜腹杆过焊孔基本无裂纹，但是在跨中很大一片区域以及辅助墩附近，裂纹扩展迅速，甚至过焊孔整个断裂，因此在过焊孔裂纹检测中应重点关注受力不利点。

图3 钢箱梁斜腹杆过焊孔裂纹分布图

4 钢塔常见病害分布特征分析

索塔评分为84.9分，评定等级为2级。钢塔的主要病害有较多涂装层缺陷(脱落、开裂、锈蚀)、190个高强螺栓锈蚀，1个高强螺栓丢失、焊缝不饱满等。其中最多的问题是涂装层缺陷。

图4为南北两个钢塔的涂装层缺陷统计分布。

从图4可以看出：南塔和北塔涂装层缺陷在不同箱室的分布特征大致相同，在塔高较矮的地方，涂装层缺陷基本较少，而在塔高较高的地方，涂装层缺陷较多，甚至19号箱室的涂装层劣化面积达到了1 m2。因此，在桥塔涂装层缺陷检查中应格外关注塔顶位置。

图4 钢塔涂装层缺陷统计分布图

5 结论

通过对某大跨径钢结构斜拉桥2012年检测报告中病害的特征(主要分析部件包括斜拉索、钢箱梁、钢塔)进行分析，得出以下结论：

(1)斜拉索锚头防腐油脂渗漏多出现在长索中。斜拉索护套开裂病害在上游和下游分布相差很大，评估时可以考虑以单侧最不利情形为评判标准。上下游索力可能变化不一致，顺桥向索力变化应结合塔顶偏位作进一步判断。

(2)钢箱梁涂装层缺陷检测应重点关注梁体两端的劣化状况。钢箱梁斜腹杆过焊孔裂纹分布与主梁的受力分布吻合。应重点检测跨中区域和辅助墩附近。

(3)钢塔典型病害为涂装层缺陷，包括脱落、开裂、锈蚀等，应重点关注桥面处和塔顶区域。