淺談橋梁拉吊索的認(rèn)識(shí)

王玉嬌 韓阿慧

1甘肅省公路航空旅游投資集團(tuán)有限公司（730030）2西安長(zhǎng)安大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司（710061）

0 前言

隨著國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略的推進(jìn),我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)突飛猛進(jìn)。斜拉橋已突破千米跨度,如主跨1 092 m的上海滬通鐵路大橋;鋼管混凝上拱橋也突破500 m跨徑,如上海盧浦大橋。對(duì)于要跨越較大河、江以及海洋的橋梁,拉索橋往往是設(shè)計(jì)師們青睞的橋型,如蘇通長(zhǎng)江大橋、東海大橋等。這些大橋不僅有效的克服了橋梁跨度大的問(wèn)題,還經(jīng)濟(jì)、美觀(guān)而且推動(dòng)我國(guó)上木工程技術(shù)向更高、更強(qiáng)方向發(fā)展。然而,拉索橋的拉吊索病害造成的斷索以及導(dǎo)致的垮橋問(wèn)題日益突出，不僅威脅著人民生命安全，也制約了社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，成為限制拉索橋發(fā)展的重要因素，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

1 拉吊索結(jié)構(gòu)與構(gòu)造

拉吊索作為斜拉橋、懸索橋等橋型的主要承重構(gòu)件，位于橋塔和橋面之間，斷面較小，其結(jié)構(gòu)包括索體、防護(hù)體系、錨固體系等。索體主要承受拉力，橋梁的荷載通過(guò)索體傳遞至索塔或者主纜，目前索體基本使用高強(qiáng)鋼絲或者鋼絞線(xiàn)，并且要求其排列整齊、斷面密實(shí)，易于錨固； 防護(hù)體系用來(lái)保護(hù)索體正常工作，在索體內(nèi)部填充塑膠材料形成內(nèi)滲防護(hù)，在索體外部設(shè)置PE套管等形成外裹防護(hù)，從而使拉吊索鋼絲與大氣、水隔離，增強(qiáng)其耐久性能；錨固體系主要有墩頭錨、熱鑄錨、夾片式群錨等，用來(lái)保證索體安全發(fā)揮作用[1]。由于拉吊索長(zhǎng)期處于高應(yīng)力狀態(tài)，防護(hù)結(jié)構(gòu)受損，索體結(jié)構(gòu)銹蝕、斷絲，錨固結(jié)構(gòu)損壞等威脅結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題逐漸暴露，拉吊索病害問(wèn)題、損傷機(jī)理、性能優(yōu)化等問(wèn)題成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

2 拉吊索病害問(wèn)題

拉吊索結(jié)構(gòu)發(fā)展使用年限較短，研究較少，拉吊索在使用過(guò)程中由于設(shè)計(jì)索力不足、拉吊索構(gòu)造缺陷、受力復(fù)雜、運(yùn)輸不慎安裝誤差、套管損壞等導(dǎo)致出現(xiàn)索體銹蝕、斷絲等病害，嚴(yán)重時(shí)索體斷裂導(dǎo)致橋梁倒塌[2]。

2.1 拉吊索的耐久性分析

環(huán)境因素導(dǎo)致的防護(hù)體系破壞是導(dǎo)致拉吊索耐久性下降的主要原因，由于護(hù)套等防護(hù)措施的破壞，空氣中的水分、Cl-、SO42-等得以進(jìn)入拉吊索索體內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致拉吊索索體、錨固區(qū)的銹蝕與破壞，直接影響拉吊索結(jié)構(gòu)的安全和正常使用[2]。建于1962年的委內(nèi)瑞拉Maracaibo橋?yàn)殡p索面稀索體系，防護(hù)體系未采用鍍鋅層保護(hù)，索體于上錨頭入口處銹蝕、損害，并發(fā)生斷索事故；德國(guó)的Kohlbrand Estruary橋同樣防護(hù)體系為采用鍍鋅層防護(hù)，短時(shí)間內(nèi)即發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)斷絲病害；上海泖港大橋則出現(xiàn)矛頭錨墊板銹蝕病害；九江大橋在運(yùn)營(yíng)10多年后出現(xiàn)了拉吊索護(hù)套大范圍損壞，錨頭輕微銹蝕[3]。一批學(xué)者對(duì)拉吊索耐久性進(jìn)行了研究，Scott Calabrese Barton[4]等人對(duì)鋼絲進(jìn)行了加速銹蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼絲的銹蝕和時(shí)間成線(xiàn)性關(guān)系；王建中[5]發(fā)現(xiàn)索體銹蝕速度與溫度、環(huán)境相對(duì)濕度等密切相關(guān)，溫度越高，相對(duì)濕度越大，索體的銹蝕速度越快。

表2 吊索鋼絲腐蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 損傷識(shí)別檢測(cè)

拉吊索的一般檢查主要通過(guò)外觀(guān)檢查拉吊索護(hù)套老化及破損、錨頭銹蝕、鋼絲銹蝕等，對(duì)拉吊索的工作狀況進(jìn)行定性描述。拉吊索外觀(guān)劣化檢測(cè)評(píng)定指標(biāo)包括護(hù)套防護(hù)、索體鋼絲的破壞和錨固區(qū)主要部件損傷。主要檢測(cè)及監(jiān)測(cè)方法有以下幾種:

①射線(xiàn)檢測(cè)法，射線(xiàn)檢測(cè)中主要應(yīng)用X射線(xiàn)和γ射線(xiàn)，通過(guò)檢測(cè)過(guò)程中射線(xiàn)強(qiáng)度來(lái)判斷局部缺陷問(wèn)題，但由于檢測(cè)效率低、造價(jià)高等原因，此技術(shù)應(yīng)用較少；②磁漏檢測(cè)法，此技術(shù)通過(guò)磁化拉吊索表面泄露的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)判斷；③磁致伸縮導(dǎo)波法，拉吊索受到外部磁場(chǎng)力時(shí)，根據(jù)其內(nèi)部磁場(chǎng)出現(xiàn)的變化來(lái)進(jìn)行檢測(cè)判斷；④索力監(jiān)測(cè)法，拉吊索局部出現(xiàn)損傷時(shí)，其索力必然會(huì)出現(xiàn)變化，通過(guò)此方法可實(shí)現(xiàn)拉吊索的健康監(jiān)測(cè)；⑤聲發(fā)射檢測(cè)法，此技術(shù)通過(guò)材料內(nèi)部損傷產(chǎn)生的向四周擴(kuò)散傳播的瞬時(shí)彈性波來(lái)對(duì)拉吊索損傷情況進(jìn)行實(shí)時(shí)反映；⑥模態(tài)測(cè)試法，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)分析來(lái)判斷結(jié)構(gòu)損傷情況；⑦布拉格光纖光柵傳感器法，此技術(shù)通過(guò)光柵布拉格波長(zhǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)中的溫度、應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量監(jiān)測(cè)，當(dāng)拉吊索出現(xiàn)損傷時(shí)，索體應(yīng)力應(yīng)變等出現(xiàn)變化，光柵布拉格波長(zhǎng)隨之變化，從而實(shí)現(xiàn)損傷識(shí)別[6-8]。

2.3 損傷程度評(píng)定

拉吊索的損傷程度一般通過(guò)索體損傷情況來(lái)體現(xiàn)，實(shí)際檢測(cè)中，在役橋梁拉吊索的評(píng)估多采用外觀(guān)檢測(cè)方法，文獻(xiàn)[9]較早提出了如表1所示的銹蝕分級(jí)，由于此分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)受到當(dāng)時(shí)的條件所限，分級(jí)的界限不太明確，分成了4級(jí)。重慶交通大學(xué)陳新[10]對(duì)懸索橋平行鋼絲吊索分級(jí)進(jìn)行了研究，結(jié)合試驗(yàn)中銹蝕鋼絲外貌及銹蝕鋼絲力學(xué)性能，同時(shí)依據(jù)對(duì)應(yīng)《公路橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)范》中關(guān)于橋梁安全分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)吊索鋼絲銹蝕分級(jí)分成了5級(jí)，見(jiàn)表2。

表1 鋼絲銹蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)語(yǔ)

認(rèn)識(shí)橋梁拉吊索的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，了解拉吊索易出現(xiàn)的病害及檢測(cè)手段是工程人員對(duì)拉吊索橋梁合理設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，也對(duì)橋梁拉吊索的合理檢查和維護(hù)有著重要的意義。目前國(guó)家正處于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展期，拉吊索廣泛應(yīng)用于懸索橋、斜拉橋等大跨橋梁，認(rèn)識(shí)并有效解決拉吊索的病害問(wèn)題，必然會(huì)大大促進(jìn)大跨橋梁的發(fā)展。