斜拉橋拉索腐蝕情況研究進(jìn)展

楊海翼 仲震 張寅峰 吳璞涵

摘 要 斜拉索是斜拉橋的主要受力構(gòu)件，其使用情況可直接影響到一座斜拉橋的安全情況。由于拉索長期暴露于空氣中，因此常常會(huì)受到腐蝕作用的影響，從而導(dǎo)致其耐久性的下降，造成不良影響。本文從斜拉橋面臨的嚴(yán)峻現(xiàn)狀、斜拉索的腐蝕性質(zhì)、腐蝕對力學(xué)性能的影響和拉索防腐蝕研究這四個(gè)角度，介紹了目前國內(nèi)外部分學(xué)者的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞 斜拉索 力學(xué)性能 防腐蝕

中圖分類號：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）02-0112-03

斜拉橋是一種將主梁用許多拉索直接吊在橋塔上的橋梁，主要是由承壓的塔、受拉的索和承彎的梁體組合起來的一種結(jié)構(gòu)體系。作為一種拉索支撐體系，斜拉橋的跨越能力比梁式橋更大，在技術(shù)、結(jié)構(gòu)合理的跨徑范圍內(nèi)，斜拉橋的經(jīng)濟(jì)性比懸索橋更為優(yōu)越。斜拉索是斜拉橋的重要受力構(gòu)件，長期承受橋梁結(jié)構(gòu)的自重和移動(dòng)荷載，但同時(shí)又因?yàn)槠溟L期暴露在風(fēng)雨等自然環(huán)境中，容易受到不同原因的腐蝕，進(jìn)而演變成不同程度的破壞甚至斷裂。通常情況下，一座斜拉橋的設(shè)計(jì)使用年限為40年，但受到以上種種因素的影響，斜拉橋往往都很難達(dá)到其設(shè)計(jì)的使用壽命。下文從斜拉橋面臨的嚴(yán)峻現(xiàn)狀、斜拉索的腐蝕性質(zhì)、腐蝕對力學(xué)性能的影響和拉索防腐蝕研究這四個(gè)角度，綜述了目前國內(nèi)外部分學(xué)者的研究現(xiàn)狀。

1 斜拉橋面臨的嚴(yán)峻狀況

從目前各國已經(jīng)建成的斜拉橋拉索的情況來看，斜拉橋正在經(jīng)受拉索耐久性問題的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)和威脅。1987年，美國人Stafford和Watson對世界上近百座斜拉橋斜拉索進(jìn)行了外觀調(diào)查。之后在ASCE的刊物《Civil Engineering》上發(fā)表文章，稱“全球范圍內(nèi)過去幾十年建造的近200座斜拉橋因拉索腐蝕正面臨危險(xiǎn)”[1]。如在布魯克林大橋、威廉斯堡大橋和其它橋上就曾進(jìn)行過大量的腐蝕鋼絲維修工作。

我國第一座預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土斜拉橋——紅水河鐵路斜拉橋，運(yùn)營十多年后發(fā)現(xiàn)如拉索防護(hù)套有深度裂紋等問題，并對其中部分拉索進(jìn)行了更換。濟(jì)南黃河大橋由于拉索腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重，在通車十三年后更換了全部88根拉索。廣東南海九江大橋在通車九年后的詳細(xì)的檢測中發(fā)現(xiàn)部分拉索腐蝕嚴(yán)重，先后更換了98根拉索[2]。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)70至90年代初，我國修建的30余座斜拉橋中，已經(jīng)加固修復(fù)的橋占65%，有4座斜拉橋已經(jīng)拆除或已經(jīng)改成其它橋型，有46%的斜拉橋已全部或部分更換了斜拉索，尚有10余座90年代后修建的斜拉橋需要換索。

2 腐蝕性質(zhì)

可以看出，腐蝕是影響斜拉橋拉索的一大重要因素，為了研究分析拉索腐蝕損傷甚至失效對其性能所產(chǎn)生的影響及斜拉索防腐蝕的具體措施，首先便要從腐蝕其本身性質(zhì)出發(fā)，研究腐蝕的特征及其機(jī)理，從而能夠更加精準(zhǔn)地進(jìn)行后續(xù)研究，對癥下藥。下面先對腐蝕的特征及目前研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。由于腐蝕是影響拉索性能的化學(xué)變化，其作用機(jī)理不容忽視，其次便是介紹目前腐蝕機(jī)理相關(guān)的研究現(xiàn)狀。

2.1 腐蝕特征

喬燕、孫傳智、繆長青利用袁州大橋拆下的39根腐蝕舊鋼絲，分析了蝕坑的物理分布特征與發(fā)展規(guī)律，對每一個(gè)蝕坑的長度、寬度、深度等集合參數(shù)進(jìn)行了測量與統(tǒng)計(jì)。最終研究結(jié)果表明腐蝕蝕坑的長度與深度都隨著失重率的增加而增加，寬度隨著失重率的增加而降低[3]。

黃娟針對拉索高強(qiáng)鋼絲的腐蝕進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對不同腐蝕樣本中的鋼絲表面蝕坑的尺寸及宏觀參數(shù)和集合參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，研究了無氧情況下不同蝕坑的分布情況，并與氧氣充足時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比。進(jìn)而發(fā)現(xiàn)蝕坑典型形態(tài)下的離散型較小，以及無氧條件下的蝕坑生長速率顯著小于氧氣充足時(shí)的生長速率[4]。

馮兆祥、于杰、繆長青結(jié)合了實(shí)際的換索工程，對斜拉索的腐蝕情況進(jìn)行了評定與分析，并對蝕坑的發(fā)展進(jìn)行了討論，最終根據(jù)蝕坑分布特征分析總結(jié)了蝕坑的發(fā)展演變規(guī)律[5]。

2.2 腐蝕機(jī)理

李濤通過在室內(nèi)鹽霧加速腐蝕的實(shí)驗(yàn)，研究分析了加速腐蝕中鋼絲在不同條件下的多種動(dòng)力學(xué)特征和性質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，同時(shí)運(yùn)用細(xì)觀損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)強(qiáng)度準(zhǔn)則對電纜的周圍環(huán)境腐蝕、應(yīng)力腐蝕和疲勞腐蝕的性質(zhì)特點(diǎn)和機(jī)理等問題進(jìn)行了綜合分析，得出“陽極的腐蝕原電池反應(yīng)是交變應(yīng)力狀態(tài)下拉索損傷的主要機(jī)理”的結(jié)論。拉索的腐蝕疲勞損傷主要的原因是鋼絲表面產(chǎn)生蝕坑，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力集中，最終引起損傷開裂[6]。Yao Guowen等利用鋼絲有限元分析腐蝕疲勞模擬試驗(yàn)，從理論上分析了拉索的損傷和失效機(jī)理，并且進(jìn)一步使用鹽霧室模擬了酸雨環(huán)境。結(jié)果表明，在腐蝕環(huán)境和交變應(yīng)力共同的相互作用下，拉索發(fā)生了具有腐蝕性和疲勞性的損傷。這導(dǎo)致了腐蝕損傷的強(qiáng)化，降低了拉索的延展性，增加了脆性，最終導(dǎo)致了拉索的脆性斷裂。同時(shí)，在相同的腐蝕條件中，交變應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的腐蝕性能程度最高[7]。Shun-ichi Nakamura等人在實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)了具有不同腐蝕缺陷的腐蝕鍍鋅鋼絲，并對其力學(xué)性能和剩余強(qiáng)度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明氫脆不太可能發(fā)生。而疲勞試驗(yàn)表明，只有鍍鋅層被腐蝕時(shí)，疲勞強(qiáng)度沒有變化，但在鍍鋅層以下的鋼被腐蝕后，疲勞強(qiáng)度顯著降低，從而可能導(dǎo)致斷裂[8]。

3 腐蝕對力學(xué)性能的影響

拉索是斜拉橋的主要受力構(gòu)件，拉索的腐蝕現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響其力學(xué)性能，從而造成斜拉橋的安全性與耐久性顯著下降，以下介紹目前在腐蝕對拉索力學(xué)性能影響方面的研究現(xiàn)狀。

李文治在室內(nèi)模擬了沿海一些地區(qū)的斜拉橋拉索遭受銹蝕的現(xiàn)象和情況，以此來研究鋼鉸線在流體動(dòng)力學(xué)和機(jī)械性能等方面的變化現(xiàn)象，分析其銹蝕產(chǎn)生的根本原因。運(yùn)用了有限元的分析對不同長寬深的裂紋進(jìn)行模擬分析，他發(fā)現(xiàn)在腐蝕率相差不大時(shí)，力學(xué)性能中的受拉性能下降退化的原因中，最重要的就是蝕坑產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)或截面削弱效應(yīng)[9]。鐘力介紹了對拉索損傷程度檢測評估及安全控制性能等相關(guān)技術(shù)的重點(diǎn)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，對斜拉索高強(qiáng)度鋼絲在無受力、靜態(tài)應(yīng)力和交變動(dòng)態(tài)應(yīng)力這三種不同受力方式情況下進(jìn)行了酸性鹽霧的試驗(yàn)，建立拉索模型庫并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究等，模擬它的演化過程并深入地分析研究了如何可靠的分析確定其安全性能特性[10]。徐陽并未從拉索整體出發(fā)，而是去專門地研究了有關(guān)斜拉索內(nèi)部高強(qiáng)鋼絲的退化狀態(tài)情況，從而考慮對力學(xué)性能等方面的影響，進(jìn)行了人工加速腐蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)均勻加速腐蝕深度分布是一種服從于對數(shù)的正態(tài)深度分布，再通過對銹蝕后高強(qiáng)鋼絲進(jìn)行單軸力學(xué)拉伸試驗(yàn)，得到了眾多關(guān)于材料的力學(xué)指標(biāo)的分布規(guī)律，最后還對實(shí)際的情況進(jìn)行研究，確保所得結(jié)果的一致性[11]。于杰對不同蝕坑分布的鋼絲進(jìn)多種實(shí)驗(yàn)，研究了拉索鋼絲表面蝕坑分布對鋼絲力學(xué)和疲勞性能的影響規(guī)律。并且從應(yīng)力分布的角度對他所得出的結(jié)論進(jìn)行了解釋[12]。黃成研究了拉索長期處于惡劣自然環(huán)境下所受的破壞程度并推理其安全壽命。他以某實(shí)際斜拉橋工程為基礎(chǔ)，建立該橋?qū)?yīng)的有限元模型，詳細(xì)分析了不同高度位置的拉索在受到相同損傷的情況下對主梁線形、主塔偏移、拉索索力的影響[13]。

4 拉索防腐蝕研究

基于以上對于斜拉橋腐蝕情況與拉索腐蝕不良性的分析，可以看出防治拉索腐蝕的工作已刻不容緩，以下介紹拉索防腐蝕方面的研究情況。

葉覺明和鐘建馳結(jié)合國內(nèi)的工程實(shí)例分析了懸索橋的保護(hù)措施，并且從熱擠高密度聚乙烯（PE）防護(hù)和外套HDPE護(hù)套管這兩種我國常用的斜拉索防護(hù)系統(tǒng)出發(fā)，討論了纜索的腐蝕防護(hù)方法[14]。彭建鋒研究了OTC（氧化聚合包覆技術(shù)）結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)及其在其他領(lǐng)域的保護(hù)實(shí)例，并且通過實(shí)驗(yàn)研究了鋼絲在不同狀態(tài)下的腐蝕行為，從中發(fā)現(xiàn)了在OTC防護(hù)下的鋼絲腐蝕速率更低、腐蝕形成的蝕坑特點(diǎn)不同于其他、腐蝕產(chǎn)物較少的現(xiàn)象。最后提出可將OTC包裹技術(shù)作為一種主動(dòng)、綠色的拉索長效防腐技術(shù)[15]。常彬彬?qū)鴥?nèi)外腐蝕失效的斜拉橋做了統(tǒng)計(jì)，并以此分析了造成拉索損傷從而導(dǎo)致斜拉橋腐蝕失效的原因，又在充分了解HDPE套管的保護(hù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究了玻璃纖維和納米級粒子對PE材料性能改善的影響，發(fā)現(xiàn)兩者能十分顯著地改善HDPE材料的力學(xué)性能。還研究了控制拉索內(nèi)部微腐蝕環(huán)境的方法，提出將電加熱除濕的方法應(yīng)用于拉索的腐蝕防護(hù)[16]。徐超和方海等五人從交變應(yīng)力、HDPE材料性質(zhì)、自然環(huán)境、施工作業(yè)方式等可造成的HDPE防護(hù)套損傷破壞的因素分析，提出了優(yōu)化斜拉索防腐保護(hù)效果的建議，可使用長纖維來加強(qiáng)保護(hù)套的結(jié)構(gòu)，同時(shí)在保護(hù)套和斜拉索之間設(shè)置粘彈性隔離層，以此來加強(qiáng)腐蝕防護(hù)的效果[17]。

5 綜合分析與展望

上述的現(xiàn)有研究在設(shè)置拉索腐蝕因素時(shí)不再局限于單一變量，而是從多變量平衡的角度模擬真實(shí)條件下的拉索腐蝕環(huán)境。多組研究采用對真實(shí)腐蝕的拉索進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，并且用有限元軟件模擬真實(shí)受力情況，兩種方法可互相驗(yàn)證，并能夠進(jìn)行誤差分析。

但是在對鋼絲抗拉強(qiáng)度的研究中，所得出的數(shù)據(jù)離散性較大，仍然需要大量的實(shí)驗(yàn)才能擬合出更加準(zhǔn)確的變化曲線。同時(shí)實(shí)際鋼絲腐蝕蝕坑分布情況較為復(fù)雜，需要分析多個(gè)蝕坑更加復(fù)雜的分布情況，才能更加準(zhǔn)確地評估鋼絲的力學(xué)性能與疲勞壽命。

同時(shí)，目前的防腐蝕方法也較為空缺，相關(guān)的研究并不足夠深入，大多數(shù)學(xué)者對于防腐蝕的研究還

停留在拉索保護(hù)套材料性能的方面，研究的方面較為單一。

在未來的研究中，學(xué)者可以結(jié)合更多現(xiàn)有橋梁拉索的實(shí)際數(shù)據(jù)，進(jìn)行理論研究，以得到更加準(zhǔn)確并且更加具有現(xiàn)實(shí)意義的成果。國內(nèi)外對橋梁耐久性的研究時(shí)間并不久，所積累的數(shù)據(jù)文獻(xiàn)還稱不上豐富，對于現(xiàn)有斜拉橋以及在役和卸下的拉索，應(yīng)該有更多的學(xué)者對其腐蝕形貌、疲勞情況做更多的統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)收集工作，以總結(jié)更多文獻(xiàn)資料，對于后繼研究亦大有裨益。不僅如此，防腐蝕的相關(guān)工作也應(yīng)從更多的方面入手，而不僅僅局限于保護(hù)套的材料性能。

6 結(jié)語

對于斜拉橋的拉索往往達(dá)不到它的設(shè)計(jì)使用壽命方面的問題，人們常常會(huì)因?yàn)閾?dān)心拉索受腐蝕疲勞影響而提早更換拉索。而實(shí)際上，拉索的腐蝕是在所難免的，在大部分更換拉索的時(shí)候，往往并沒有對受腐蝕拉索的承載力以及剩余壽命進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以至于常在非最佳換索時(shí)刻對拉索進(jìn)行了更換。這就會(huì)造成高額的換索費(fèi)用（直接經(jīng)濟(jì)損失）。很多斜拉橋處于高速公路以及城市主干道上，行使著交通樞紐職能，而在換索的過程中，會(huì)實(shí)行交通管制甚至封閉交通，這就會(huì)導(dǎo)致交通系統(tǒng)的局部紊亂（間接經(jīng)濟(jì)損失）。但同時(shí)，如果因?yàn)檠芯砍晒膮T乏而引起的疲勞壽命預(yù)測錯(cuò)誤，而導(dǎo)致錯(cuò)過最佳換索時(shí)機(jī)，也會(huì)造成隱形甚至直接的危害。拉索的腐蝕往往會(huì)對其疲勞壽命產(chǎn)生負(fù)面影響，最終造成社會(huì)以及經(jīng)濟(jì)的不良影響與損失，所以相關(guān)部門和企業(yè)應(yīng)該重視研究拉索的腐蝕對斜拉橋性能及壽命的影響問題。

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