斜拉索銹蝕損傷及其檢測與監測和防護

孫 磊

(同濟大學橋梁工程系，上海 200092)

斜拉橋作為一種拉索體系橋梁，比梁式橋的跨越能力更大，是大跨度橋梁的最主要橋型。斜拉橋是由許多直接連接到塔上的鋼纜吊起橋面，斜拉橋由索塔、主梁、斜拉索組成。索塔型式有A形、倒Y形、H形、獨柱，材料主要有鋼和混凝土。斜拉索布置有單索面、平行雙索面、斜索面等。在跨越峽谷、大江河、海灣等不利于修筑橋墩或者由于地質原因不利于修建地錨的地方，斜拉橋往往是一種不錯的橋型選擇。斜拉橋的受力體系主要是橋面體系、支承橋面體系的索體系、支承索體系的橋塔。斜拉橋充分利用了鋼材的抗拉性能、混凝土材料的抗壓性能，具有優良的動力特性和抗風性能。它跨越能力大、結構新穎，已經成為現代橋梁工程中發展最快、最具有競爭力的橋型之一。1955年瑞典人建成了世界第一座現代斜拉橋，從此世界各地的斜拉橋建設蓬勃發展，但現有斜拉橋大多是獨塔雙跨式和雙塔三跨式，而具有連續主梁的三塔四跨式斜拉橋很少。伴隨著內陸經濟發展，三峽庫區蓄水工作逐漸完成，長江作為最大的黃金水道其重要性更加凸顯，這也要求橋梁必須能夠保證通航，多跨連續斜拉橋正好可以完整適應這一要求。自1975年開始的近40年來，我國已建成上百座斜拉橋，特別是近10年來，我國斜拉橋建設速度之快、數量之多、跨越能力之大為世人所矚目。然而，斜拉橋這一合理跨徑范圍廣、造型美觀多樣的橋型，卻面臨著一個挑戰性的問題——斜拉索的安全和耐久性問題，尤其是索體的銹蝕斷裂問題。

1 斜拉索使用現狀

目前，國內及國際上用于斜拉橋拉索的結構主要有兩種，即平行鋼絲拉索和鋼絞線拉索。鋼絞線拉索在美洲已較普遍使用，而在歐洲、亞洲、澳大利亞，兩種拉索體系都應用在很多拉索結構橋梁上。目前在美國鍍鋅鋼絲作斜拉索體系已不推薦使用，國際上著名的一些預應力公司如:VSL，FRESSINET，DVWIDAG，BBR等均有各自成熟的鋼絞線、鋼絲拉索體系。鋼絲拉索結構體系橋型本身具有一些特點，拉索防護體系容易受到各種損壞，這可能會導致不得不進行換索(也包括拉索結構類似的拱橋吊桿)，而近年來這種情況越來越多。如紅水河橋、海印橋、濟南黃河橋、恒豐路橋、石門橋、犍為橋、廣州九江橋、南昌八一橋等已換索。封閉交通所引起的間接損失也很大。國內斜拉索的實際使用壽命一般不超過20年。

2 斜拉索銹蝕病害

斜拉索是斜拉橋的重要受力構件。斜拉索在長期運營中遭受活載、風雨振以及日照、腐蝕性氣體侵蝕等因素的反復作用，很容易出現外包護套破損、局部鋼絲銹蝕斷裂、錨固系統銹蝕等病害，從而降低了斜拉索體系的使用壽命。一般情況下，大橋斜拉索設計使用年限為30年，但受到以上各種因素的影響，斜拉索使用壽命極難達到設計要求。

在拉索制造過程中護套受到初始損傷;在卷盤運輸過程中護套由于應變過大而開裂;在施工過程中拉索護套表面磨損，甚至被尖銳物體劃破;在運營過程中環境、溫度、交通荷載等作用甚至是車輛意外撞擊;在拉索檢測過程中沿拉索移動的檢測小車摩擦擠壓拉索;由于拉索護套HDPE老化等因素，都可能導致護套損傷甚至破裂，水分滲入、鋼絲暴露。

斜拉索是由高強抗拉材料和耐腐蝕防護材料組成的。高強材料一般采用鋼材，也就是高強鋼絲。斜拉索腐蝕的主要原因是高強鋼絲與周圍介質發生電化學作用，造成氧化還原反應。在腐蝕性介質中，鋼絲會與腐蝕性介質發生廣義氧化還原反應，導致鋼絲表面的鍍鋅和鋼材變成離子形式，進而與其他物質結合成銹蝕產物，最終改變鋼絲的表面形態和力學性能，這一過程就是鋼絲的銹蝕。鋼絲在拉索環境下的銹蝕速度不屬于通常的大氣腐蝕，由于護套環境的影響，拉索鋼絲的銹蝕速度快于正常大氣下的。

鍍鋅的銹蝕:Zn→Zn2++2e

鍍鋅的銹蝕程度可以表示成:D=AT。

碳鋼的銹蝕:Fe→Fe2++2e

碳鋼的銹蝕程度可以表示成:D=ATn。

其中，T為鋼絲使用年份;A為金屬第一年的銹蝕程度;n為常數。

3 斜拉索檢測與監測

3.1 索體損傷的檢測技術方法

1)目視檢測方法。也就是人工檢測，主要是根據鋼絲的外觀變化判斷鋼絲的銹蝕程度。觀察護套的表面情況，根據情況來分析確定是否有必要打開錨固區或者將所需部位的護套位鑿開，露出鋼絲，這樣就可以直接查看銹蝕、斷絲的情況。有些時候還需要取樣部分鋼絲，進行物理和力學等相關試驗，以確定纜索的狀態。該法直觀、方便，但有損檢測，只能定性分析。

2)磁性檢測方法。磁性檢測方法的使用基礎是纜索的磁特性。用一個永久磁鐵勵磁回路將纜索磁化，纜索相對于勵磁回路運動時，只要遇到斷絲，斷口處就會產生向外泄漏的漏磁場;或者，如果纜索中金屬截面總面積發生變化，勵磁回路中的主磁通量就會隨之改變。根據這個原理，用儀器測量磁場的這些變化參數，我們就會獲得纜索中的缺陷狀況。此法可無損檢測，斷絲檢測靈敏度高，但檢測精度受外界干擾大。

3)放射線檢測方法。放射線法可探測索體的多種缺陷和損傷。它的檢測原理是:當射線通過接受檢測的物體時，物體的缺陷部位和無缺陷部位對射線的吸收能力是不一樣的，通常情況下透過有缺陷部位的射線強度要比無缺陷部位的射線強度高，因此通過檢測透過接受檢測的物體后的射線強度的不同，可以判斷物體中是否有缺陷存在。但為了屏蔽輻射，射線裝置往往較大。

4)超聲波測試檢測方法。20世紀末美國、日本等一些國家研究了應用超聲波檢測技術來檢測斜拉索錨固區內鋼絲斷裂情況的技術。據相關報道，當頻率保持在5 MHz～10 MHz時，超聲波可檢測到錨固區內2 m～5 m長度內纜索的斷絲情況。這項技術可以作為檢測拉索的一種選擇，但是還存在一些困難。首先，想要得到比較理想的檢測結果，必須事先進行嚴格的標定;其次，超聲波測試技術難以檢測錨固區外的纜索。

5)電反射技術檢測方法。電反射技術檢測方法包括電時域反射(ETDR)和電頻域反射技術(EFDR)。電時域反射測量技術是一種先進的測量技術，是在高速脈沖技術迅速發展的基礎上出現的。其原理是對傳輸系統發出高速脈沖信號，接收器接受反射信號，由此可以分析判斷傳輸系統的阻抗特性，判斷出多個不連續點的位置、性質和大小。測試過程直觀形象，ETDR波形能直觀反映互連的物理結構。EFDR測量原理是將掃頻信號輸入到待測的傳輸線/天線，并將其反射信號的測量數據經快速傅里葉變換轉換為時域信息。電頻域反射技術可以獲得比時域分析更簡潔更明確的結果，而且在消除噪聲對分析結果的影響方面也更勝一籌。

3.2 索體損傷的監測技術方法

1)聲發射監測法。聲發射監測的基本原理是:當固體材料的內部發生缺陷并擴展時，會釋放能量，這種能量以彈性波的形式向四周傳播，此時缺陷就成為聲發射源，這種方法是一種“被動”型監測。對索體進行檢測時，纜索鋼絲具有很高的拉應力，一旦有裂紋、腐蝕或斷絲出現，其局部高應力的釋放會產生特定的應力波，聲發射監測系統可以捕捉到這種應力波，記錄下來并分析其所代表的物理過程。使用時，需要保持聲發射監測系統持續工作，只要有應力波(聲波)出現，就將其記錄下來。2)振動法。拉索內力的檢測監測都可以用振動法。振動測試法是目前應用最廣的一種索力測試方法，振動測試法要求纜索具有清楚的長度、線密度和邊界條件，且纜索不能過短、過長、過粗或者有中間支撐等。滿足這些要求后，在測試前標定索力和頻率的關系，然后恰當使用振動法就能準確測定出纜索的靜張力。已有的振動法的使用受到一些條件的限制，因此該方法也在不斷的發展中。

4 斜拉索防護及小結

現有拉索系統銹蝕防護方法主要有:鍍鋅、灌水泥漿、灌環氧材料、包環氧外套、采用防銹油脂和蠟、在單根鋼絲外包塑料皮、護套、纏包帶。斜拉索養護也面臨著一些困境:由于缺乏理論指導，忽視拉索檢測，管理部門未能及時發現拉索中存在的病害，導致斷索事故發生;管理單位一旦發現拉索病害，由于心理恐懼，為確保結構的絕對安全，在拉索遠未達到實際使用壽命時就開始換索，造成大量浪費;在決定換索后，由于拉索退化程度及結構體系狀態不明，設計單位制訂的換索方案使斜拉橋結構的可靠度指標在換索過程中大幅降低，甚至可能釀成事故。目前已建成的斜拉橋的拉索體系都或多或少出現了各種病害。這不僅影響橋梁正常使用性能，甚至會導致橋梁主體結構的安全隱患。因此加強斜拉索體系的檢測監測和養護維修工作，對延長斜拉索使用壽命，確保橋梁的安全運營有著十分重要的意義。目前各研究機構或高校都在對拉索的檢測和監測進行深入探索和研究。最終目的都是希望能隨時摸清掌握拉索的病害損傷情況，隨時可以判斷拉索的剩余使用壽命，從而及時對拉索進行維護或更換，這樣就能有效避免橋梁跨塌、人民生命財產受損失等惡性事件的發生。同時對斜拉索的防護體系、鋼絲復合材料及減振避振措施方面的研究也在不斷進展。可以預見將來的拉索體系必將是綜合考慮材料、防護、檢測及監測的全方位智能拉索。

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