橋梁失火拉索專項(xiàng)檢測(cè)及維護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究

蔣 林,王曉琳,李東平,楊 賡,劉少偉

(1.桂林市市政工程管理處,廣西 桂林 541003；2.柳州歐維姆結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)有限公司,廣西 柳州 545006)

拉索為橋梁的主要受力構(gòu)件之一,主要由高強(qiáng)鋼絲或鋼絞線及錨固體系組成。其長(zhǎng)期承受疲勞荷載,又處于跨江河、跨海灣地域,長(zhǎng)期暴露風(fēng)雨、潮濕和空氣污染的惡劣環(huán)境中,容易產(chǎn)生病害。目前拉索病害的主要形式有：①防護(hù)系統(tǒng)失效；②錨具腐蝕；③鋼絲的腐蝕或斷絲；④拉索的松弛與振動(dòng)[1]。本文分析了斜拉橋主要存在的病害及原因,并研究了相應(yīng)的檢測(cè)手段及工具,結(jié)合桂林某斜拉橋A2#拉索檢測(cè),給出檢測(cè)分析實(shí)例。

1 工程概況

桂林某大橋是一座曲線型獨(dú)塔雙索面斜拉橋,主橋?yàn)樗憾展探Y(jié)體系,橋跨布置為50m+87m+144m+39m=320m。主塔采用曲線H型全砼塔結(jié)構(gòu),曲塔橋面以上高63.4米。斜拉索布置為扇形雙索面,曲塔兩側(cè)共有12對(duì)拉索,見圖1。斜拉索采用φ7鍍鋅低松弛高強(qiáng)鋼絲制作,兩端配冷鑄錨頭[2]。其中A2#斜拉索為L(zhǎng)ZM7-163冷鑄錨,索長(zhǎng)75.668m,對(duì)應(yīng)索徑為?158mm。由于非人為因素,A2#塔端預(yù)埋管口位置發(fā)生失火事故,導(dǎo)致斜拉索PE損傷。為確認(rèn)是否滿足橋梁正常運(yùn)行,對(duì)A2#號(hào)拉索進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)。

圖1 工程示意圖

2 主要檢測(cè)內(nèi)容及方法

2.1 主要檢測(cè)內(nèi)容

本文從斜拉索主要的病害考慮,以及桂林南洲橋的實(shí)際情況,選取A2#拉索為被檢測(cè)拉索。主要從以下四個(gè)方面進(jìn)行檢測(cè)：(1)PE保護(hù)層外觀檢測(cè)；(2)拉索自由段的斷絲、銹蝕狀況；)(3)錨固端積水及外觀檢測(cè)；(4)A2#拉索以及相鄰上下游拉索(A1、A2、A3、A＇1、A＇2、A＇3)斜拉索索力測(cè)量；如圖2所示。

圖2 拉索檢測(cè)內(nèi)容

2.2 主要檢測(cè)方法及原理

2.2.1 漏磁法檢測(cè)機(jī)器人

電磁檢測(cè)的原理是基于鐵磁性材料的磁導(dǎo)率比空氣的磁導(dǎo)率至少大100倍,當(dāng)用一定的勵(lì)磁裝置將被檢測(cè)的鐵磁材料磁化到臨界飽和狀態(tài),一旦鐵磁材料的表面和內(nèi)部出現(xiàn)缺陷時(shí),由于鐵磁材料局部磁導(dǎo)率降低(磁阻增加),一部分磁場(chǎng)將會(huì)從鐵磁材料中外泄出來(lái),這一外泄的漏磁場(chǎng)將被磁傳感器檢測(cè)出,如下圖3,圖4所示。

當(dāng)材料中的磁力線遇到外面或內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的材料間斷時(shí),磁力線將會(huì)發(fā)生畸變,從而引起可被檢測(cè)的漏磁變化。下圖是兩種缺陷：外部缺陷和內(nèi)部缺陷的漏磁檢測(cè)信號(hào)的特征。

本文利用爬索機(jī)器人搭載模塊化的勵(lì)磁檢測(cè)設(shè)備來(lái)檢測(cè)拉索,利用模塊中的永磁鐵構(gòu)成磁回路,磁化橋索內(nèi)部的鋼絲,同時(shí)利用霍爾元件檢測(cè)鋼絲的漏磁,并利用無(wú)線數(shù)傳模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X中并保存分析[3]。

2.2.2 索力檢測(cè)

振動(dòng)頻率法是利用緊固在拉索上的高靈敏度傳感器,拾取索在環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào),經(jīng)過(guò)濾波、放大、譜分析,得出纜索的自振頻率,根據(jù)自振頻率與索力的關(guān)系,來(lái)檢測(cè)拉索索力[4]。

在拉索兩端為鉸支且不考慮拉索彎曲剛度的情況下：

P=KF2

(2-1)

F=Fn/n

(2-2)

K=4mL2/1000

(2-3)

其中：F—拉索基頻(Hz)；Fn—拉索主振動(dòng)頻率(Hz)；n—主振頻率的階次；L—鋼索兩嵌固點(diǎn)之間的長(zhǎng)度(m)；m—拉索單位長(zhǎng)度的質(zhì)量(kg/m)。

3 主要的檢測(cè)成果

3.1 PE保護(hù)層檢測(cè)結(jié)果

對(duì)A2#斜拉索PE護(hù)套表觀狀況進(jìn)行全面檢測(cè)檢測(cè),結(jié)果如下：①下預(yù)埋管保護(hù)罩密封膠老化、脫落；②斜拉索出現(xiàn)環(huán)向紋,不同程度的劃痕損傷及凸起開裂現(xiàn)象；保護(hù)罩及拉索PE部分檢查結(jié)果詳見圖5,圖6。

利用爬索機(jī)器人對(duì)A2#斜拉索PE護(hù)套表觀及斷絲、銹蝕狀況進(jìn)行全面檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 爬升機(jī)器人視頻檢測(cè)拉索損傷圖

A2#斜拉索索體自由段表觀檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 拉索損傷情況示意

3.2 斷絲銹蝕檢測(cè)

在獲得采集到的數(shù)據(jù)之后,將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計(jì)算程序中,得到每個(gè)通道測(cè)得數(shù)據(jù)的曲線圖,如圖9所示。

圖9 漏磁法檢測(cè)結(jié)果圖

從圖9中可以看出,檢測(cè)到的數(shù)據(jù)有一定輕微的異常波動(dòng),并未出現(xiàn)大幅度缺陷的類正弦波波形,所以初步得出結(jié)論：A2#斜拉索索體(非燒傷段)局部有輕微銹蝕的跡象,但未表現(xiàn)出有嚴(yán)重銹蝕、斷絲等缺陷的跡象,內(nèi)部鋼絲完好狀況基本良好。

3.3 A2#斜拉索 PE護(hù)套開窗檢查

對(duì)PE護(hù)套有嚴(yán)重開裂病害的斜拉索,進(jìn)行PE護(hù)套的開窗檢查,檢查內(nèi)部鋼絲銹蝕斷絲情況,結(jié)果如下：①斜拉索纏包帶良好,無(wú)斷裂、無(wú)明顯水漬；②鋼絲光滑整齊,無(wú)斷絲；鋼絲表面有白色氧化物,俗稱白銹。原因分析鍍鋅層表面若粘附一層凝結(jié)水,與氧氣、二氧化碳、碳化氫、二氧化硫、煙灰、塵土以及其它的化學(xué)氣體作用后,變成了一種具有腐蝕性的水溶液而附著于鍍鋅層表面,形成一種電解液。說(shuō)明索體內(nèi)部進(jìn)水或有潮濕空氣。如圖10,圖11所示。

3.4 拉索上、下錨頭表觀狀況檢查

對(duì)防水罩、預(yù)埋管等橋面及梁底可操作部位進(jìn)行開窗檢查,重點(diǎn)進(jìn)行檢查。檢查結(jié)果主要有：①塔內(nèi)上錨頭工作狀態(tài)良好,油漆正常；錨杯內(nèi)環(huán)氧砂漿密實(shí),鋼絲鐓頭處有部分環(huán)氧砂漿脫落；②下錨頭保護(hù)罩及墊板出現(xiàn)銹蝕,墊板表面有油污。錨頭具體檢查結(jié)果如圖12,圖13所示。

3.5 A2#斜拉索塔部預(yù)埋管口位置表觀狀況重點(diǎn)檢測(cè)

對(duì)A2#斜拉索塔部預(yù)埋管口位置重點(diǎn)檢測(cè),結(jié)果如下：①上預(yù)埋管處外PE有燒傷痕跡,燒損部位PE損傷嚴(yán)重,鋼絲大面積裸露；②部份鋼絲表面已經(jīng)出現(xiàn)點(diǎn)蝕麻坑。

利用汽吊對(duì)A2#斜拉索塔部預(yù)埋管口位置表觀狀況重點(diǎn)檢測(cè)如圖14,圖15所示。

3.6 索力檢測(cè)

本文采用振動(dòng)頻率法對(duì)損傷拉索以及相鄰拉索進(jìn)行了檢測(cè)。拉索參數(shù)表見表2所示。

表2 斜拉索參數(shù)表

將2015年測(cè)得的索力數(shù)據(jù)與2014索力數(shù)據(jù)對(duì)比,如表3所示。

表3 南洲大橋A1、A2、A3、A＇1、A＇2、A＇3#斜拉索索力匯總

2015年與2014年索力對(duì)比圖如圖16和17所示。

圖16 南側(cè)索2015年與2014年索力值

圖17 北側(cè)索2015年與2014年索力值

2015年A1、A2、A3#斜拉索南北側(cè)索力值與2014年A1、A2、A3#斜拉索南北側(cè)索力值最大偏差為3%,表明A1、A2、A3#斜拉索在一年的運(yùn)營(yíng)時(shí)間里面,運(yùn)營(yíng)狀況恒定,沒有發(fā)生明顯變化索；2015年A1、A2、A3#南北兩側(cè)斜拉索索力值最大偏差為3%,說(shuō)明斜拉索對(duì)稱性較好。

4 拉索維護(hù)

拉索PE自然燃燒情況下一般鋼絲溫度在250℃左右,且持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)。可以認(rèn)為不改變拉索鋼絲力學(xué)性能[5]。依據(jù)檢測(cè)結(jié)果,拉索索體PE護(hù)套有不同程度的老化龜裂、大面積劃痕損傷、裂口及局部變形凸起；拉索鋼絲(非燒傷段)內(nèi)部開始出現(xiàn)白銹,雖不會(huì)馬上危及橋梁整體結(jié)構(gòu)安全。燒損部位受損嚴(yán)重,鋼絲裸露,并出現(xiàn)點(diǎn)蝕麻坑；威脅到索體的安全。需要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行修復(fù),具體維修方案如下：(1)對(duì)拉索橋面保護(hù)罩進(jìn)行更換密封膠；對(duì)預(yù)埋管內(nèi)進(jìn)行清理,重新灌注油性密封蠟；對(duì)預(yù)埋管和保護(hù)罩進(jìn)行重新防腐涂裝。(2)對(duì)全橋拉索下錨頭進(jìn)行除銹并防腐涂裝；(3)首先對(duì)損傷部位PE進(jìn)行補(bǔ)索修復(fù),再在最外層采取PVF帶纏包的修復(fù)方式進(jìn)行修復(fù)[6]。見圖18、圖19所示。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)采用爬索機(jī)器人對(duì)拉索自由段進(jìn)行外觀檢測(cè)是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法,搭載漏磁法檢測(cè)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)拉索斷絲銹蝕的檢測(cè)。

(2)拉索失火后會(huì)對(duì)PE保護(hù)層破壞,需要及時(shí)進(jìn)行檢測(cè)維修,可采取先補(bǔ)索,后纏包PVF帶的方式進(jìn)行修復(fù)。如具備施工條件可以考慮對(duì)拉索進(jìn)行整體纏包,提高拉索防護(hù)性能。

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