某桥梁项目运营期斜拉索技术状况检测分析

任小坤

（贵州省公路工程集团有限公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

斜拉桥凭借跨度大、稳定性好、施工简便、造型美观等优点，在大跨度桥梁建设中得到了大规模应用。但由于桥梁工程运营环境复杂，受自然环境、荷载作用及材料自身性能影响，斜拉桥运营过程中拉索极易产生锈蚀破坏，严重影响桥梁使用安全，缩短使用寿命[1]。因此，桥梁运营过程中加强斜拉索技术状况检测，对保证桥梁运营安全性、稳定性、耐久性具有重要意义[2]。该文结合实际工程案例，对斜拉索技术状况检测进行分析，以期能有效提升检测水平，及时发现斜拉索存在的质量问题，从而采取科学有效的维修保养措施，保证桥梁运营安全。

1 工程概况

某斜拉桥采用独塔双锁结构，主跨设计长度为232 m，于2012 年投入运营，至今已10 年有余。塔身为混凝土结构，出承台顶主塔高度为113.5 m。桥面布置形式为双向四车道（15 m）+两侧人行道（各1.75 m），荷载等级为汽车—超20 级。主梁采用预应力混凝土箱梁结构，主、边跨分别为开口箱型和闭口箱型断面。斜拉桥路面布置图如图1 所示。

图1 某独塔斜拉桥立面布置

该斜拉桥拉索采用扇形布设，主要材质为规格φ7 mm镀锌高强钢丝，标准抗拉强度为1 600 MPa，利用冷铸墩头锚进行锚固，张拉、锚固端分别位于主塔、主梁位置。斜拉索防护体系共包含4 层，由内向外依次为防腐涂层、双层玻璃丝带及双层涤纶布、热挤PE防护套、PVF外包带。拉索端头部位设有橡胶减震设施。桥梁服役期间拉索为主要承载构件，内部承受应力作用较大，防护体系遭受外部环境影响较大[3]。由于斜拉索防护体系主要为PE 防护套，并且均处于高空环境中，采用现有检测技术对拉索钢丝锈蚀状况实施检测，其难度较大。并且当前我国针对机器人无损检测技术在斜拉索钢丝锈蚀、断丝检测方面应用的研究较少，给检测工作带来较大困难。

鉴于以上问题，为全面了解该斜拉桥拉索工作状态，对PE 防护套、上下锚头、下索导管及减振器等设施实施外观质量检测，并借助机器人无损检测技术对斜拉索钢丝锈蚀及断丝情况实施检测，为斜拉索维护保养提供依据。

2 斜拉索外观病害状况

2.1 PE 防护套

2.1.1 PE 防护套病害统计

将斜拉索表面PVF 外包带拆除，对PE 防护套质量状况实施检测，数量共计104 根。

（1）结果显示：存在质量缺陷的PE 防护套共计82 根，占比高达78.8%，主要缺陷为表面破损和环、纵向开裂等。

（2）环向开裂或断裂PE 防护套共计43 根，占比为41.3%，最大裂缝宽度为5.0 cm。

（3）具体开裂情况：①PE 防护套裂缝主要出现于6#~18#索；②1#~5#索PE 防护套裂缝数量相对较少，裂缝数量均未超出5 道；③19#~26#索PE 防护套相对完成，除25#索存在1 道轻微环向裂缝外，其余均未产生裂缝。

2.1.2 PE 护套病害原因分析

（1）材料老化。单根拉索PE 防护套损坏较为严重，并呈现一定的规律性，表明材料出现老化状态。此桥梁运营年限已达11 年之久，经风雨侵蚀、阳光直射、冰雪冻融反复作用，拉索PE 防护套耐久性显著下降，逐渐老化产生破坏。现阶段，国内大多数桥梁缆索运营年限均在20 年以内。

（2）外部环境影响。桥梁运营期间拉索及PE 防护套体系内部应力较大，在外界环境因素作用下，产生老化裂纹，加之交通荷载、风雪荷载等影响，造成裂纹逐渐发展，形成更加严重的环向开裂[4]。

（3）材料批次不同或工艺差异。结合此桥梁单根拉索开裂及裂缝分布状况，6#~18#索PE 防护套开裂极为严重，出现该状况的主要原因为此批次PE 防护套材质存在差异，或施工时采用的施工方法不同。

2.2 上下锚头

拆除锚头防护罩，对锚头质量实施检测。结果显示：锚头整体质量状况良好，少数锚头缺少防腐油脂，并且钢丝墩头位置存在生锈现象[5]。各锚头未出现钢丝墩头收缩现象，且表面无积水。

2.3 下索导管及减振器

将军帽锈蚀严重。下索导管与将军帽结合部位存在锈蚀现象，且少数导管内存在杂质。减震器部分构件产生锈蚀，底部限位装置橡胶垫老化断裂，且部分紧固螺栓松动。

3 钢丝锈蚀和断丝检测结果

3.1 PE 开窗部位的钢丝锈蚀情况

为全面了解拉索内部钢丝锈蚀情况，现场随机选择10 根PE 防护套裂缝较为严重拉索，对裂缝部位实施开窗检测；并选择1 根PE 防护套外观质量良好的拉索实施检测，检测完成后对拉索PE 防护套实施修复处理。详细检测情况如下：

（1）开窗部位钢丝锈蚀级别处于4~5 级范围内。

（2）拉索钢丝锈蚀基本情况：①梁端位置钢丝锈蚀较为严重，塔端锈蚀相对较轻；②相同断面内，底部钢丝锈蚀较为严重，顶部钢丝锈蚀较轻[6]。

（3）对PE 防护套外观质量良好的拉索实施开窗检测，结果显示钢丝锈蚀级别为1 级，表明钢丝质量状况优良，未产生锈蚀现象。

3.2 钢丝锈蚀或断丝的机器人无损检测结果

为准确了解拉索内部钢丝锈蚀或断丝情况，选取该桥梁PE 防护套裂缝较为严重的8 根拉索，借助机器人无损检测技术对钢丝锈蚀及断丝情况实施进一步检测。详细检测数据如表1 所示。

表1 某桥斜拉索的钢丝锈蚀或断丝的无损检测结果

通过表1 能够看出：斜拉索钢丝截面损失率处于1.17%~4.82%范围内，全部未产生断丝问题。为验证检测结果的准确性，对检测结果采用开窗检测的方式进行抽样检测，结果显示两种检测手段得到的结果相同，表明斜拉索钢丝锈蚀或断丝检测中，采用机器人无损检测技术具有较强的可行性。

3.3 斜拉索钢丝锈蚀原因分析

根据具体检测结果，并结合桥梁运营环境等各方面，对钢丝锈蚀原因实施分析，具体原因如下：

（1）在外部环境作用下，PE 防护套产生老化破坏，失去了对钢丝的保护效用，导致外部水分、尘土、空气等进入，在钢丝表面发生理化反应，使钢丝产生锈蚀。

（2）斜拉索钢束采用多根钢丝组成，各钢丝间空隙较大，当外部水体进入时，会造成钢丝锈蚀。

（3）该桥梁PE 防护套较为完整的拉索，钢丝未产生锈蚀现象，说明防护性能良好。而对于钢丝锈蚀的拉索，在应力及交通荷载共同影响下，后期腐蚀速率显著加快，承载性能迅速下降，严重缩短运营年限。

4 安全性分析

4.1 近年索力测量结果分析及索力安全系数

为充分了解钢丝锈蚀后斜拉索索力变化情况，对日常监测索力数据实施比较分析。结合恒定荷载作用下索力监测结果，各拉索索力基本稳定[7]。针对PE 防护套裂缝较为严重的拉索索力安全系数实施计算，详细数据如表2 所示。

表2 PE 护套断裂或开裂数量较多的斜拉索索力安全系数

通过表2 能够看出：综合考虑实测恒载索力、外部荷载作用导致的索力增大以及钢丝锈蚀等各种因素影响，得出现状拉索最小索力安全系数为2.64，高于规范规定的2.5，充分表明该桥梁各斜拉索索力安全性能满足要求。

4.2 近年主梁线形测量结果分析

为充分了解钢丝锈蚀对主梁线形的影响，对梁体标高实施监测，并依据监测结果绘制梁体下挠变化曲线[8]，具体如图2 所示。

图2 主梁的下挠线形

通过图2 能够看出：①该斜拉桥边跨主梁下挠变化幅度较小，总变形量均未超出10 mm；②中跨主梁下挠监测值与初始值相比显著增大，锚点位置总变形量为-122 mm；自2021—2023 年间桥梁标高变化均未超出±1 cm，中跨主梁下挠逐渐达到稳定状态，充分表明钢丝锈蚀对主梁线形基本无影响。

5 结论

综上所述，该文结合某独塔斜拉桥工程实例，对斜拉索技术状况进行分析，利用机器人无损检测技术对斜拉索钢丝锈蚀及断丝情况实施检测，并对斜拉索安全性能实施评估，得出如下结论：

（1）该斜拉桥共有斜拉索104 根。其中82 根斜拉索PE 防护套存在质量缺陷，占比高达78.8%，而环向开裂或断裂PE 防护套有43 根，占比为41.3%，最大裂缝宽度为5.0 cm，并且单根拉索PE 防护套损坏较为严重，并呈现一定的规律性，表明材料出现老化。

（2）PE 防护套老化破坏是造成钢丝锈蚀的主要原因，该工程斜拉索钢丝截面损失率处于1.17%~4.82%范围内，全部未产生断丝问题[9]。

（3）经综合检测验算分析，该桥梁工程斜拉索最小索力安全系数为2.64，高于规范规定的2.5，充分表明该桥梁各斜拉索索力安全性能满足要求[10]。

（4）通过对主梁线形测量结果分析，验证钢丝锈蚀对主梁线形基本无影响。

（5）结合实际检测结果，对该桥梁破损PE 防护套进行拆除，并对锈蚀钢丝实施除锈、防腐处理，然后逐层修复防护体系，以有效地提高斜拉索使用性能和耐久性，保证桥梁运营安全。