吊桿拱橋吊索及錨頭使用壽命研究分析

賀智功

(四川川高工程技術咨詢有限責任公司，四川成都 610000)

目前，世界各國都把橋梁視為寶貴的財富，力求充分利用現有橋梁，或進行適當的維修和加固，延長其使用壽命，以滿足現代交通運輸發展的要求。據國外資料介紹，公路舊橋的加固資金僅為新建橋梁的10 %；一般情況下，我國橋梁加固所需的資金為新建橋梁的10 %～30 %。與新建橋梁相比，舊橋的加固和維修可節省大量的資金，經濟效益和社會效益十分顯著。

20世紀90年代，我國修建了許多類似于成都市二環路清水河大橋的吊桿拱橋，限于當時的認識和設計理論、設計規范的局限性，主要出現的問題是：(1)吊索鋼絞線的防腐效果不好；(2)錨頭無法更換。這樣一來，吊索鋼絞線和吊索錨頭的壽命往往就是橋梁的壽命。

成都市二環路清水河大橋已經進行過多次定期檢測和荷載試驗[4]，吊桿鋼絞線的銹蝕和吊索錨頭是否失效一直是多方比較關心但又暫時無法準確了解的問題。因整體規劃拆除重建，故在本橋被拆除后，對拆除吊索鋼絞線和吊索錨頭進行試驗，能準確了解其實際狀況，為正在運營的同類型橋梁養護管理積累資料提供參考。

1　橋梁概況

成都市二環路清水河大橋位于成都市二環路西南段，橫跨清水河，該橋于1992年10月建成，外側幅為大件路，設計荷載為汽超-20級，掛車-120級，人群荷載為3.5 kN/m2，全橋寬40 m(2×13 m行車道+2 m中央分隔帶+2×6 m人行道及欄桿)。清水河大橋凈跨徑為45 m，矢跨比1/4，本橋主拱為實心鋼筋混凝土矩形下承式肋拱，全橋共3片肋，拱軸線線形為懸鏈線，本橋基礎采用重力式剛性基礎，橋面板、橫梁、縱梁均為預制。清水河大橋縱向布置示意見圖1，橫向布置示意見圖2。本橋吊索為19根7Φ5鋼絞線，錨具采用新津筑路機械廠生產的YM15-19型錨具。

圖1　縱向布置示意

圖2　橫向布置

2　試驗研究內容及方法

2.1　試驗研究主要內容

清水河大橋拆除時，選取對拆除保留完好的吊桿吊索及錨頭分別進行試驗研究。吊索試驗檢測分為現場張拉試驗、現場解剖試驗和室內鋼絞線及錨頭試驗三個階段。

(1)現場張拉:主要測試錨頭處橫梁外表的受力情況，分析橫梁應力，判斷橫梁在張拉過程中是否被破壞。

(2)現場解剖試驗:主要將錨頭張拉完后，將包裹錨頭外的橫梁采用機械破碎結合人工破碎的方法對橫梁及橫梁內鋼絞線、錨頭進行解剖試驗。

(3)室內鋼絞線及錨頭試驗: 對鋼絞線[5]和錨具[6]進行基本材質試驗，包括單根鋼絞線抗拉強度、延伸率[6]、非比例極限[6]、彈性模量的試驗[6]和錨具外觀[6]、硬度[6]、靜載錨固系數[6]的測試。

2.2　試驗方法及過程

2.2.1試驗前有限元計算

在整體張拉試驗前對橫梁建立有限元模型進行應力[4]分析，模擬張拉受力情況，分析橫梁應力，判斷橫梁在張拉過程中是否被破壞。有限元計算模型見圖3。

圖3　計算分析模型

2.2.2現場張拉試驗方法

2.2.2.1準備工作

(1)將錨墊板喇叭管內的混凝土清理干凈；(2)清除鋼絞線上的銹蝕、泥漿；(3)套上工作錨板，根據氣候干燥程度在錨板錐孔內抹上一層簿簿的黃油；(4)錨板每個錐孔內裝上工作夾片(圖4)。

圖4　準備工作

2.2.2.2安裝定位

(1)套上相應的限位板，根據鋼絞線直徑大小確定限位尺寸；(2)裝上張拉千斤頂，并且與油泵相連接；(3)裝上可重復使用的工具錨板；(4)裝上工具夾片(夾片表面涂上退錨靈)(圖5)。

圖5　安裝定位

2.2.2.3加載

(1)向千斤頂張拉油缸慢慢送油，直至達到計算值；(2)測量預應力筋伸長量；(3)做好張拉詳細記錄(圖6)。

圖6　加載

2.2.2.4退錨

(1)卸載；(2)以退錨千斤頂退錨(圖7)。

圖7　退錨

3　現場解剖試驗

采用機械破碎結合人工破碎的方法對橫梁及橫梁內鋼絞線、錨頭進行解剖試驗。

4　鋼絞線、錨具的基本材質試驗

在實驗室內對鋼絞線和錨具進行基本材質試驗，包括單根鋼絞線抗拉強度、延伸率、非比例極限、彈性模量的試驗和錨具外觀、硬度、靜載錨固系數的測試等。

5　試驗結果研究分析

5.1　整體張拉試驗分析

5.1.1有限元模型計算結果分析

根據有限元模型計算，在達到設計最大張拉力時，橫梁的Von Mises等效應力均小于C40混凝土的極限抗壓強度，橫梁在張拉全過程中混凝土不會被破壞。橫梁等效應力見圖8。

圖8　橫梁Mises等效應力

5.1.2現場橫梁應力測試

為保證試驗過程的安全，在對II號橫梁進行整體張拉試驗的過程中，橫梁監控應變片測點布置[8]，實時監測橫梁表面應力。

5.1.3實測應力與有限元計算應力比較

在整體張拉過程中，橫梁表面實測應力均小于有限元計算應力，即結構校驗系數均小于1，符合試驗要求。吊索被破壞時，3#～8#測點實測應力值與有限元計算的應力值見表1。監控的橫梁錨頭附近最大應力推算為2.24 MPa，張拉過程中實際監測橫梁錨頭附近最大應力小于該值，同時觀察未發現肉眼可見的裂縫。排除由周邊混凝土強度不足導致錨具移位、錨固效率系數下降的可能。

表1　吊索破壞時各控制測點應力值

5.2　Ⅱ號索整索整體張拉結果分析

Ⅱ號索整索整體張拉，錨固效率系數[9]ηa=0.827 7，小于0.95，未達到設計要求，試驗結果見表2。從破壞形態看，錨具破壞形式表現為部分鋼絞線頸縮破斷。鋼絞線受力不均、銹蝕導致抗拉強度降低，故在未達到設計值之前部分鋼絞線率先破壞。

表2　Ⅱ號索整索試驗結果

5.3　Ⅳ、Ⅴ索現場單根張拉結果分析

根據現場實際情況，Ⅳ索現場張拉7根，Ⅴ索現場張拉10根，單索破壞形式為頸縮破壞。單索極限應力見表3，單索張拉力與單索總應變關系圖見圖9。

圖9　單索張拉力與單索總應變關系

從表3看出，最小的張拉破斷力為201 kN，僅達到設計值的77 %，鋼絞線的破壞形態亦為頸縮破斷(注：在本次實際測試過程中單根張拉有一定偏斜，會降低其極限強度)。從圖9看，單索張拉力與實測總應變的關系無對應規律。

5.4　解剖試驗結果分析

張拉試驗完成后對6個吊索進行解剖試驗。通過解剖結果表明：(1)橫梁內鋼絞線銹蝕情況和橫梁以上差異不大[8]；(2)部分橫梁內鋼絞線未灌漿[8]，或灌漿偏向一側；(3)整體張拉的II號索錨頭外觀情況較好，未出現失效跡象[8]。

表3　單索極限拉力

根據解剖試驗樣品情況，鋼絞線抗拉強度下降，吊索體系破壞先從鋼絞線破斷開始說明鋼絞線銹蝕是導致鋼絞線率先破壞的首要原因；其次，灌漿不均，鋼絞線非均勻受力也是導致部分鋼絞線破壞的因素之一。

5.5　室內單根鋼絞線張拉結果

室內試驗時，將截取的樣品進行了4組12根鋼絞線的張拉，在基本排除張拉傾斜對極限強度的影響后，最小的張拉破斷力為222 kN[8]，僅達到設計值的85 %，最大的也僅為246 kN，仍不能達到設計要求。這說明鋼絞線的銹蝕對于鋼絞線張拉極限強度的影響是主要的。

5.6　室內更換鋼絞線后張拉結果

為了研究錨具對于錨固效率系數的影響，在對6個吊索進行解剖后，選擇3個錨具進行更換合格鋼絞線后的整體張拉試驗，本試驗共進行三組，依次編號為c、d、e號。

(1)c號錨具整體張拉結果：更換鋼絞線后張拉，錨固效率系數ηa=0.940 8[8]，小于0.95，未達到設計要求，試驗結果見表4。

(2)d號錨具整體張拉結果：更換鋼絞線后張拉，錨固效率系數ηa=0.891 0，小于0.95，未達到設計要求，試驗結果見表4。

(3)e號錨具整體張拉結果：更換鋼絞線后張拉，錨固效率系數ηa=0.937 8，小于0.95，未達到設計要求，試驗結果見表4。

由以上三組試驗結果可知，更換鋼絞線以排除鋼絞線銹蝕對于錨固效率系數的影響后，錨具的錨固效率系數有了大幅提升，進一步說明了吊索體系破壞主要是由于鋼絞線銹蝕造成。但以上三組錨具錨固效率系數仍不符合設計要求，這說明錨杯銹蝕，握裹力下降也是影響錨固效率系數的因素。

5.7　靜載錨固試驗后錨具金屬超聲波探傷和硬度試驗

通過對錨具的金屬超聲波探傷和硬度試驗，檢驗該橋錨具在極限荷載后是否滿足使用要求，并從外部因素上分析造成錨具接缺陷的原因，進一步依據規范規程評定其質量是否滿足設計要求。

5.7.1金屬超聲波探傷

根據JB/T 4730.3-2005《承壓設備無損檢測第3部分：超聲檢測》對錨具進行缺陷評價。規范中5.1.9質量分級焊接接頭質量分級要求如表5，實物金屬超聲波探傷檢測結果如表6。

對原橋拆回六套錨具在靜載試驗后進行金屬探傷，未發現大于0.2 mm的線性缺陷。

表4　吊索整索試驗結果

表5　焊接接頭質量分級要求

表6　金屬超聲波探傷檢測結果

5.7.2硬度檢驗

硬度測試時要求構件表面光潔平整，所拆卸的錨具均不能達到要求，對一套錨具局部進行處理后進行測試，硬度符合同類型錨具設計要求。

6　結論

吊索錨固效率系數是反映吊索體系結構安全性的一個綜合指標，通過對成都市二環路清水河大橋吊桿的試驗分析，說明PE管內灌漿的防銹體系的效果不理想，鋼絞線銹蝕，導致吊索錨固效率系數僅為82.77 %，遠達不到設計要求的95 %。根據試驗，錨具效率系數的影響因素有以下三點：

(1)吊桿拱橋吊索錨固效率系數不能達到設計要求，主要是由于鋼絞線銹蝕致使截面變小，鋼絞線抗拉極限強度不能達到設計要求，鋼絞線率先頸縮破壞導致錨具失效。

(2)試驗中所檢測的鋼絞線存在未灌漿或灌漿偏向一側的現象，不僅會影響防腐效果，還將引起鋼絞線受力不均，進一步降低整根吊索鋼絞線整體抗拉強度。

(3)錨杯銹蝕，幾何尺寸發生細微變化，造成握裹力下降對吊索錨固效率系數也有一定影響。

7　結束語

綜上所述，吊索的破壞主要是由于銹蝕引起，因此今后對此類橋梁結構的設計應盡量科學化，便于施工實施難度降低；施工中應精細化施工，提供科學的施工工藝和施工管理水平，做好吊索尤其是吊索鋼絞線的防腐措施[3]；對于同類橋梁的養護管理工作應建立詳細的養護管理工作制度和巡查制度。