鋼絞線主纜銹蝕檢測及剩余承載力研究★

張贊鵬 王 鵬 米發吉 全恩懋

(招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400060)

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·橋梁·隧道·

鋼絞線主纜銹蝕檢測及剩余承載力研究★

張贊鵬 王 鵬 米發吉 全恩懋

(招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400060)

綜合國內研究現狀及相應規范，對某吊橋銹蝕后的鋼絞線主纜進行了現場外觀檢測，確定了鋼絞線銹蝕等級的標準及銹蝕鋼絞線強度公式，提出了確定主纜剩余承載力方法，并通過抗拉強度試驗，證明了該方法在工程實踐中的有效性。

鋼絞線，銹蝕，名義極限強度，強度折減系數

0 引言

懸索橋也稱吊橋，主要由主纜、索塔、錨碇、吊索、加勁梁、索鞍等組成。隨著運營時間增加，一些懸索橋開始出現病害，例如主纜局部銹蝕、吊索局部銹蝕等。在我國一些偏遠山區，由于建設條件及建設資金較為匱乏，往往采用鋼絞線或鋼絲繩作為主纜建設吊橋，這些吊橋在當時滿足了當地經濟及社會發展需要，但是隨著時間的推移和交通量增加，有些吊橋主纜出現銹蝕等病害。在維修加固前就需要對這些吊橋主纜進行銹蝕檢測，確定其剩余承載力。

本文以某吊橋的主纜為例，根據國內主纜銹蝕研究現狀，制定出鋼絞線主纜的無損檢測標準、工作流程及剩余強度計算方法，進而根據現場實測數據，通過數值運算，確定出其剩余承載力大小，以避免現場取樣進行抗拉強度試驗對原結構的傷害，可為類似的工程檢測提供技術支撐。

1 鋼絞線銹蝕檢測標準及工作流程

目前，對銹蝕后鋼絞線強度的檢測，常用的方法是現場取樣，然后在實驗室做拉拔試驗。但是由于主纜(鋼絞線)作為吊橋主要承重構件，是吊橋的生命線，不可能采取現場取樣的方法進行鋼絞線極限抗拉強度檢測。目前，通過鋼絞線外觀檢測來確定主纜鋼絞線的強度研究相對較小，本文綜合未除銹前外觀狀況、除銹后外觀狀況、典型銹蝕坑面積、深度、縮減鋼絲直徑等方面，結合綜合文獻[1]的研究成果、JTG H21—2011公路橋梁技術狀況評定標準[2]第7.1.1條，確定鋼絞線銹蝕等級共分為5類，具體各等級的評定標準見表1。

在確定出主纜銹蝕檢測標準后，主纜銹蝕檢測工作主要流程：

1)打開主纜外表防護，檢查主纜鋼絞線的銹蝕情況，并記錄缺陷位置和拍照。初步判斷外層鋼絞線的銹蝕等級。

2)選取銹蝕嚴重的鋼絲，采用3棱銼刀將主纜鋼絞線表面的銹蝕、附著物等打磨干凈。

3)檢查打磨后鋼絲的外觀形狀變化、表面腐蝕情況、銹坑分布特征等。

4)采用游標卡尺測量典型部位的鋼絲直徑變化，采用深度尺或單尖千分尺測量典型銹坑深度。

5)判斷外層鋼絞線的銹蝕等級。

6)必要時用木楔打開主纜，查看內部鋼絞線銹蝕情況。

2 鋼絞線銹蝕后名義極限強度計算研究

對鋼絞線銹蝕情況進行檢測后，需確定鋼絞線剩余極限強度，也即鋼絞線銹蝕后的名義極限強度。綜合國內研究現狀，根據主纜鋼絞線銹蝕特征，采用文獻[3]或文獻[4，5]提供的方法計算銹蝕鋼絞線的名義極限強度。

表1 鋼絞線銹蝕等級評定標準

計算原則和方法如下：

1)對1類鋼絞線，一般為完好狀態，強度無需折減，名義極限強度值取用規范值，即fpk,m=fpk(fpk,m為鋼絞線名義極限強度，fpk為鋼絞線極限強度標準值，下同)。按照JTG D62—2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[6]，鋼絞線極限強度標準值fpk取為1 860 MPa。

2)對2類鋼絞線，一般無銹坑狀態或有個別深度很小的銹坑，銹坑數量很少，深度很小，與1類鋼絞線可能存在的表面損傷相近，可不考慮鋼絞線的強度折減，名義極限強度值仍按規范值取用，即fpk,m=fpk。

3)對3類鋼絞線，銹蝕形態主要為連續分布的點狀銹坑，或者深度較小的片狀或條帶狀銹坑，銹蝕深度總體較均勻，宜采用文獻[4][5]提供的數學方法，計算其名義極限強度。具體的計算方法為：

fpk,m=(1-8.422ρ1.351)fpk。

式中：ρ——鋼絞線的銹蝕率；

r——鋼絲半徑；

Δr——鋼絲半徑折減值，由于無法通過試驗獲取鋼絞線的銹蝕率，故采用鋼絞線等代半徑的變化量進行計算，本報告將鋼絲最大銹坑深度的0.5倍作為半徑折減值。

4)對4類及5類鋼絞線，銹蝕形態主要為局部直徑縮減，坑槽面積、深度離散性較大，宜采用文獻[3]提供的數學方法，計算其名義極限強度。具體計算方法為：

fpk,m=(1-0.836μmax)fpk。

式中：μmax——單根鋼絲的最大截面損失率；

Ak——鋼絲截面銹坑損失面積；

As——鋼絲理論截面面積。

3 主纜強度折減系數計算

根據不同銹蝕等級鋼絞線的名義極限強度及銹蝕等級比例分布，采用加權方法計算主纜各測試截面處的主纜強度折減系數。但是對于鋼絞線而言，蝕坑為其銹蝕的主要形態，鋼絞線蝕坑形狀很不規則，表面凹凸不平，受拉之后出現應力集中，導致同一束鋼絞線極限破壞不同步，鑒于5類鋼絞線銹蝕程度較重且均分布于主纜外層，其銹蝕發展的速度最快，退出工作的可能性最早，計算中不考慮5類鋼絞線作用。

4 工程實例

某山區地錨式懸索橋，主跨120 m，主纜采用109φ15.2 mm平行鋼絞線束，吊索采用4φs15.2 mm鋼絞線。鋼絞線未銹蝕時，該橋采用有限元程序MIDAS/Civil進行結構計算，結構計算模型見圖1。計算得出主纜安全系數為3.2，大于規范限值2.5，滿足規范要求。由于當地建設條件比較差，建設資金較少，只是作為一個臨時便橋，主纜(鋼絞線)暴露在空氣中，加上該地區雨水較多，空氣潮濕，后來由于經濟的發展，需使其作為永久橋梁來使用。這就需要對主纜銹蝕情況進行檢測，確定主纜鋼絞線剩余承載力是否滿足規范要求。

5 主纜銹蝕檢測

5.1 主纜銹蝕檢測結果

根據該橋主纜銹蝕情況，選取3個主纜銹蝕較嚴重及有代表性的位置進行主纜橫截面銹蝕分布情況檢查。主纜檢測情況見表2。

通過對3個典型截面的主纜全截面鋼絞線銹蝕情況分析及內外部鋼絞線銹蝕程度比對，得到該橋主纜鋼絞線外觀銹蝕以及銹蝕在橫截面分布上的分布規律如下：1)主纜鋼絞線外觀銹蝕程度主要集中在3類和4類，以4類比例最高，主纜鋼絞線發現5類銹蝕鋼絞線的測區有1個；2)在橫截面上主纜鋼絞線銹蝕程度分布規律與外層鋼絞線分布規律基本一致，均為從上到下逐漸加重；3)5類銹蝕在全截面的比例較外層檢測結果更低，表明5類銹蝕主要集中在主纜底部外層。

表2 典型截面檢測結果統計表

5.2 主纜銹蝕后名義極限強度

1類鋼絞線，一般為完好狀態，強度無需折減，名義極限強度值取為1 860 MPa。2類鋼絞線，一般無銹坑狀態或有個別深度很小的銹坑，銹坑數量很少，深度很小，與1類鋼絞線可能存在的表面損傷相近，可不考慮鋼絞線的強度折減，名義極限強度值取為1 860 MPa。對于3類、4類、5類鋼絞線的名義極限強度如表3所示。

表3 主纜鋼絞線名義極限強度計算結果

5.3 主纜銹蝕后強度折減系數計算結果

本橋主纜銹蝕后強度折減系數計算根據不同銹蝕等級鋼絞線的名義極限強度及銹蝕等級比例分布，采用加權方法計算主纜各測試截面處的主纜強度折減系數。且計算中已偏安全的從主纜強度中略去5類銹蝕鋼絞線的作用。三個典型截面主纜銹蝕后強度折減系數見表4。

表4 主纜強度折減系數計算結果

由表4可知，計算得到的下游主纜強度折減系數為0.45～1.00，平均值為0.66，最大折減位于2號測區。

5.4 主纜銹蝕后剩余承載力計算結果

根據檢測結果，主纜鋼絞線銹蝕程度在全長范圍內離散性較大，建議主纜承載能力計算以局部最不利抗力控制。主纜強度折減系數建議取值為0.45。鋼絞線銹蝕后，主纜承載力安全系數為：3.2×0.45=1.44<2.50，不滿足規范要求。建議進行限載或者更換主纜。經多方研究確定對該橋主纜進行更換，將拆除下來的鋼絞線進行抗拉強度試驗，試驗結果表明與數值計算結果相近，偏差在10%以內，滿足工程精度要求。拉拔試驗表明通過外觀檢測評定鋼絞線銹蝕等級，再結合銹蝕鋼絞線強度公式確定銹蝕后鋼絞線剩余承載力的方法，在實際工程中有效。

6 結語

主纜是懸索橋結構中最主要的承重構件之一，被稱為懸索橋的生命線，養護檢測中主纜的實際承載能力的評定是保證懸索橋安全的重要環節。鋼絞線作為主纜常用材料之一，其銹蝕程度對主纜鋼絞線極限抗拉強度影響極大。通過主纜鋼絞線外觀檢測評定鋼絞線銹蝕等級，再結合銹蝕鋼絞線強度公式能夠確定出主纜腐蝕后剩余承載力大小，且該方法在工程中有效。

[1] 劉志梅,候 旭,許宏元,等.預應力鋼筋銹蝕程度評定與力學性能衰減研究[A].第十九屆全國橋梁學術會議論文集(下冊)[C].2010.

[2] JTG/T H21—2011，公路橋梁技術狀況評定標準[S].

[3] 鄭亞明,歐陽平,安 琳.銹蝕鋼絞線力學性能的試驗研究[J].現代交通技術,2005(6)：53-54.

[4] 羅小勇,李 政.無黏結預應力鋼絞線銹蝕后力學性能研究[J].鐵道學報,2008,30(2)：30-32.

[5] 張贊鵬.在役預應力混凝土連續剛構橋承載力時變可靠度研究[D].重慶:重慶交通大學,2014.

[6] JTG D62—2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

Study on corrosion test and determination of residual bearing capacity of main cable of steel strand★

Zhang Zanpeng Wang Peng Mi Faji Quan Enmao

(ChinaMerchantsChongqingTransportationScientificResearchandDesignInstituteCo.,Ltd,Chongqing400060,China)

This paper comprehensive domestic research situation and the corresponding norms, undertakes the site outlook test on the main cable of the steel strand of some suspension bridge after corrosion, the field detection of the appearance of determine the corrosion of steel strand grade standard and corrosion of steel strand strength formula, is presented for determining residual capacity method of main cable, and verified by tensile strength test. The test shows that this method is effective in engineering practice.

steel wire, rust, nominal ultimate strength, strength reduction factor

2016-03-22★：西部交通建設科技項目(項目編號：2010318740008)

張贊鵬(1987- )，男，助理工程師

1009-6825(2016)16-0162-03

U448.25

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