大跨徑懸索橋短吊索損壞原因與優化策略分析

張小丹，黃維樹 （安徽省交通控股集團有限公司養護管理中心，安徽 合肥 230088）

懸索橋吊索是將加勁梁自重、外荷載傳遞到主纜的主要傳力構件，是連接加勁梁和主纜的紐帶，主要承受軸向拉力，吊索在各種荷載的傳遞過程中有著非常重要的作用，是懸索橋的主要受力構件之一。目前吊索主要是由錨頭、高強鋼絲束、叉形耳板組成，但是在交通量越來越大，加勁梁在交變荷載產生豎向反復波動、在溫度變化時縱向伸縮，吊索在水氣、濕氣的影響下容易產生銹蝕，特別是在重交通量下交變荷載的頻率和幅度急劇變化的情況下，錨固位置更容易產生疲勞，導致鋼絲銹蝕、斷裂等病害，目前國內已經出現了不少橋梁吊索更換的實例。

1 大橋概況

某跨長江大橋左汊主橋為2×1080m三塔兩跨高速公路懸索橋，主梁為扁平流線型鋼箱梁，中塔為鋼-混凝土疊合塔，邊塔為混凝土塔，中塔高175m，邊塔高165m。建設標準為全封閉、全立交六車道高速公路，設計速度為100km/h，橋梁標準寬度為33.0m，瀝青混凝土路面。大橋于2013年12月建成通車，2016年7月通過交通運輸部竣工驗收。

大橋共2根主纜，采用預制平行鋼絲索股，每根主纜由154股索股組成，每股由91根直徑為5.2mm鍍鋅高強鋼絲組成，鋼絲標準抗拉強度不小于1770MPa，單根索股無應力長3045.53m，重46.2t。吊索采用銷接式索夾，每個吊點設置2根吊索，吊索上端通過叉形耳板與索夾連接，下端通過叉形耳板與鋼箱梁上的錨板連接，每個吊點在梁端錨板位置設計預留孔，方便后期吊索更換，全橋共528根吊索，吊點間距16m。索體為預制平行鋼絲束，鋼絲采用φ5.0mm鍍鋅高強鋼絲，鋼絲標準抗拉強度不小于1670MPa，鋼絲束外擠包8.0mm，雙層PE進行防護。標準吊索均采用109根φ5.0mm鍍鋅高強鋼絲，吊索上下端錨頭均采用叉形熱鑄錨頭。

2 短吊索主要病害及原因分析

吊索病害表征為吊索下錨端鋼套筒密封圈與錨杯間出現縫隙，且縫隙不斷增長，吊索上下銷軸中心間距增大，吊索長度存在增長現象。吊索下套筒與錨杯連接位置防水性能失效，連接處螺紋銹蝕嚴重，熱鑄錨內鋼絲有坑蝕現象，類似病害跨中短吊索居多（見圖1、圖2）。本次選取1根病害吊索進行檢測，并根據檢測結果分析病害產生原因。

圖1 典型病害照片

圖2 病害發展示意圖

2.1 構件銹蝕

通過外觀檢查發現，吊索病害主要為下錨端鋼套筒與錨杯連接處斷裂，解剖后發現下錨杯內部不密實，局部位置存在空隙，導致錨杯內腔濕氣侵入，鋼套筒與錨杯連接處鋼絲斷裂，且鋼絲斷口和鋼套筒銹蝕嚴重，銹蝕程度由下至上逐漸減弱。

2.2 銷軸與襯套

上下銷軸總體完整，表面磨損嚴重。上下襯套擠壓變形，磨損變形嚴重，局部位置破損，表面有部分固體潤滑劑缺失和破損，且受壓區潤滑劑損失嚴重（見圖3、圖4）。

圖3 銷軸典型病害照片

圖4 襯套典型病害照片

2.3 病害原因分析

①經現場勘驗，病害吊索大部分位于跨中處，且為短吊索，具有明顯的部位特征。病害吊索上下叉形耳板與吊索連接耳板間無轉動痕跡（正常索轉動痕跡明顯），同時下套筒與錨杯處出現斷裂現象。可能為銷軸與襯套卡死致使叉形耳板不能正常轉動，吊索受到彎折作用進而使鋼套筒與錨杯連接處斷裂，造成錨杯內進水，鋼絲產生銹蝕。

②懸索橋跨中短吊索區域車輛行駛等作用引起的加勁梁豎向波動，振動較為明顯，溫度變化引起縱向位移，吊索偏轉振幅比較大，吊索在荷載的作用下，存在應力反復變化情況。同時，由于跨中吊索長度較短，其應力對縱向位移極為敏感，因此，跨中短吊索始終處在一個高應力幅的疲勞荷載作用下，反復的振動和偏轉加速了吊索鋼套筒、下錨杯等連接位置處的變形和損壞而產生縫隙，防水失效，水氣侵入后造成鋼絲銹蝕，吊索鋼絲產生疲勞破壞。

總體來看，病害原因主要為短吊索在疲勞荷載作用下叉形耳板與銷軸不能轉動情況下，致使鋼套筒斷裂脫開，防水性能失效，鋼絲在彎折和銹蝕作用下導致部分鋼絲斷裂。

3 優化思路

新吊索優化部位是根據病害吊索檢查結果和病害產生的原因分析，主要針對上下錨固端的錨杯、鋼套筒、銷軸、襯套及防水罩進行優化設計，新吊索索體規格與原設計保持一致，均采用109根φ5.0mm鍍鋅高強鋼絲。

3.1 上下錨端優化設計

3.1.1 下錨頭優化設計（見圖5）

圖5 下錨端優化設計

①襯套：銷軸與梁端錨板接觸面采用錫青銅材料襯套不變，錫青銅襯套潤滑性能好，但抗變形能力不足。優化后銷軸與連接叉耳板接觸面增加DU復合材料襯套，銷軸與梁端錨板接觸面采用錫青銅材料襯套不變。錫青銅襯套潤滑性能好，但抗變形能力不足，銷軸與連接叉耳板接觸面增加DU材料襯套，DU材料襯套滑動面采用四氟板膜，耐磨耗性能不足，但抗變形能力強。二者并用，利于銷軸轉動，能延長銷軸和襯套壽命。

②銷軸：原銷軸由定位板固定在叉耳板上，優化后銷軸長度縮短至與叉耳板孔厚度一致，銷軸不外露，銷軸兩端用擋板限位，銷軸與叉耳板不固定，增加銷軸轉動性能，利用錫青銅材料襯套、DU復合材料襯套、銷軸互動，增加吊索連接部位的轉動性能，延長吊索壽命。

③錨杯：由原設計材料ZG310-570優化為40Cr，通過錨杯材料優化改善錨杯口力學性能。

④鋼套筒：由原設計鋼套筒嵌入錨杯口28mm優化為錨杯口嵌入鋼套筒45mm，鋼套筒厚度由原設計12.5mm優化為23.5mm。鋼套筒與錨杯連接形式由內嵌改為外包，有利于提升結構防水性能，提高鋼套筒抗彎能力，并減緩錨杯、鋼護筒變形。

⑤增加密封罩：原設計無密封罩，優化后于鋼套筒上端增加密封罩，提高下錨頭防水性能。

3.1.2 上錨端優化設計（見圖6）

圖6 上錨端優化設計

①銷軸、襯套、錨杯材質優化與上錨頭相同。

②鋼套筒：由原設計鋼套筒嵌入錨杯口28mm優化為鋼套筒嵌入錨杯口46mm，鋼套筒厚度由原設計12.5mm優化為18mm。增加鋼套筒嵌入錨固長度和厚度，有利于提升結構防水性能，提高鋼套筒抗彎能力，并減緩錨杯、鋼護筒變形。

3.1.3 新舊吊索優化前后對比表及圖片

見表1、圖7。

新舊吊索優化前后對比表 表1

圖7 新舊吊索對比圖片

4 結語

通過吊索構造優化，新吊索相比舊吊索安全性及耐久性均有提高。一方面新吊索銷軸與叉耳板接觸面增加了DU復合材料襯套，銷軸改為可轉動，通過襯套與銷軸聯動，利于吊索連接處轉動，有效解決短吊索疲勞問題。另一方面新吊索改進了下錨頭與鋼套筒錨固構造，增加了構件剛度，提高抗變形能力，錨頭與鋼套筒連接形式增加防水功能，增設防水密封罩，能有效解決下錨頭與鋼套筒連接部位防水問題。此吊索優化思路可以為后續懸索橋吊索的更換提供借鑒。