既有橋梁斜拉索檢測評估及損傷研究

臧騰

（鐵正檢測科技有限公司，山東 濟南 250014）

0 引言

20世紀，為了滿足國民交通運輸的發展，修建了許多大跨徑橋梁。由于斜拉橋造型優美，跨徑范圍廣，各結構受力和傳力合理，經濟性價比高，已成為跨江跨海橋梁的主要橋型之一[1]。橋梁建成通車后，伴隨服役年限的增加，受施工質量、交通流量增加、車輛超載、日照及雨淋等多種不利影響因素，導致斜拉橋結構病害出現，承載能力降低。尤其是主要構件的斜拉索系統，更是病害問題頻發，為橋梁運營造成安全隱患。本文以威海長會口大橋為工程背景，對其斜拉索系統檢測評估及損傷展開研究，為同類型橋梁養護維修提供工程參考。

1 工程概況

長會口大橋主橋跨徑組合為117m+230m+117m 的三跨預應力混凝土雙塔雙索面豎琴式斜拉橋，索塔呈“H”形，其總高度約106m，橋面以上塔高為75m，上橫梁采用蝴蝶結形狀，塔柱及上橫梁均采用實心結構，主梁為雙邊主梁肋板式預應力混凝土結構。

全橋共設52 對斜拉索，斜拉索采用φ7mm 高強度低松弛鍍鋅鋼絲，填充防腐油脂同心向左絞合而成。拉索鋼絲根數選取163 絲。拉索防護采用黑色高密度聚乙烯（PE）保護層，外加白色高密度聚乙烯（PE）護套，護套外表設有抗風雨振螺旋線。拉索在主梁上的標準索距8m，塔上索距約4.65m，張拉端位于主梁上，在塔上采用交叉方式錨固，塔上套筒內設置橡膠圈減振器。索體編號規則為從小里程側到大里程側，右側索號為1～52，左側索號為1’～52’。

2 斜拉索檢測評估

根據斜拉索病害特點，重點檢測該斜拉索護套及錨頭病害情況、斜拉索內部銹蝕狀況、索力安全性分析。

2.1 斜拉索護套及錨頭外觀檢測評估

斜拉索從安裝后就不可避免地受到腐蝕退化、振動疲勞衰減等各種不利因素的影響。由于其布置于梁體外部，并長期處于高應力狀態下，故斜拉索對腐蝕作用非常敏感[2]。斜拉索的護套、錨頭、將軍帽的完整性直接影響斜拉索的實用性、安全性和耐久性，也是檢測評估的重點。

2.1.1 斜拉索護套外觀檢測

斜拉索外觀檢測以目測結合智能爬索機器人CCB-III 設備進行檢測。經統計，長會口大橋主橋斜拉索護套外觀各類典型病害共計388 處，包含刮傷、修補痕跡、刮痕、嚴重刮傷、修補開裂五個類型，面積共計5345.5cm2。其中，刮傷數量最多為219 處，占總數量的56.44%；其他病害數量按百分比由大至小依次為：刮痕29.90%、嚴重刮傷10.82%、修補痕跡1.55%、修補開裂1.29%。護套病害主要原因可能是施工工藝把控不嚴、海邊環境腐蝕影響、活載的反復作用、護套老化等因素。

2.1.2 錨頭外觀檢測

該橋斜拉索上錨頭錨固在索塔錨箱內，外部有水密式艙口蓋密封，密閉效果好，雨水通過上錨頭進入索體的概率小。下錨頭采用普通罩板，密閉效果差，海水濕氣容易侵入，存在較多的隱患。現場打開將軍帽進行檢查，發現鋼套管內部減震塊完好，泡沫膠不飽滿，無積水。斜拉索下錨頭外觀檢測，發現104 個下錨頭防銹油大面積結塊、發黑，占總數量的100%；30個錨具銹蝕銹蝕情況一般，占總數量的28.85%；5 個錨具銹蝕嚴重，占總數量的3.85%；其余錨具銹蝕輕微，占比67.3%。病害主要原因可能是橋梁處于海洋環境，梁下錨頭密封差，海水因風作用或蒸發附著在錨具、錨杯，從而引起銹蝕，養護管理不到位。

2.2 斜拉索內部銹蝕狀況檢測

橋梁磁致伸縮導波檢測儀可以在不拆除外層PE和不銹鋼保護套的條件下，實現在役拉索索體及錨固區缺陷的快速檢測。根據《無損檢測 磁致伸縮超聲導波檢測方法》（GB/T 28704—2012）相關要求，檢測104 根拉索，檢測信號中均未出現超標異常回波，斜拉索內部無鋼絲銹蝕、斷裂、纏絲松弛等缺陷，評定標度為1。存在3 根拉索錨頭回波較弱，可能是由于各拉索間索內鋼絲材料差異和導波長遠距離傳播時的能量衰減引起。對拉索加強監測，如錨頭回波幅值進一步降低，應及時進行開窗驗證。

2.3 斜拉索索力安全性分析

斜拉索索力超限是影響斜拉索壽命的關鍵因素之一，長會口大橋自竣工以來歷次索力測試綜合結果表明，恒載狀況下斜拉索索力相對穩定。此次檢測采用目前工程界普遍應用的弦振頻率法進行測量，測出拉索的橫向振動頻率，經分析計算得出索力。經過現場檢測，104 根斜拉索索力與交工驗收的索力對比，共有83 根斜拉索實測索力與交工驗收的索力偏差率在±10%以內，21 根斜拉索實測索力與交工驗收的索力偏差率超過了±10%。受篇幅限制，結合外觀檢測結果，本文僅列出具有代表性的5 根斜拉索索力進行分析（見表1）。

表1 斜拉索索力測試分析結果

通過表1數據分析可知，綜合考慮實測恒載索力、移動荷載引起的索力增量等因數，全橋斜拉索安全系數最小值為2.77，均＞2.5，滿足斜拉索在運營期間安全系數的要求。

3 斜拉索損傷后橋梁受力性能分析

對于斜拉橋而言，其服役壽命很大程度上由斜拉索使用壽命決定。斜拉索存在火災、爆炸等突發偶然情況、長期疲勞、大面積銹蝕等因素引起索力損傷甚至完全失效的可能。斜拉橋屬于超靜定結構，斜拉索損傷后，拉索索力會由其他拉索承擔，橋梁結構受力重新分配[3]。如果管養單位未及時發現，并采取應急措施進行處理，就可能引起或者加速剩余拉索的損壞，對重新分配的結構體系產生不利影響，甚至導致結構的漸次崩潰，引發重大安全事故。為了得到斜拉索損傷后，橋梁受力性能變化規律，借助有限元軟件Midas Civil 建立全橋計算模型，結合現場實際狀況，對計算模型進行優化，確保模型能夠真實反映既有橋梁結構狀態[4]。由于篇幅限制，本文針對21#索塔中跨右側具有代表性拉索失效后對該索塔右側其他拉索索力、橋面線形、梁體應力、梁體動力性能進行分析研究。

3.1 斜拉索損傷后對索力影響

橋梁服役期間，斜拉索的損傷具有隨意性，為了更好地分析斜拉索損傷后對索力的影響，分為3 個工況來進行研究，具體內容見表2。

表2 斜拉索損傷后對索力影響工況

單根拉索索力損傷后，索力的相對變化率見圖1。

圖1 單根拉索損傷索力變化幅度圖

通過圖1數據分析可知：工況1 右側最長索失效后，中跨右側整體索力值比原索力值增大，變化率幅度為-1.10%～17.85%，最大變化率為25 號索17.85%；另外，邊跨右側索力值比原索力值減小，變化率幅度為-14.74%～1.43%，最大變化率為1 號索-14.74%，越靠近索塔，索力值變化幅度越小；左側索力變化規律與右側索力同步，但變化幅度整體偏小，變化率幅度為-1.06%～1.75%。工況2 右側中間索失效后，中跨右側整體索力值比原索力值增大，變化率幅度為2.88%～14.25%，最大變化率為19 號索14.25%；邊跨右側拉索索力值有所減小，相對變化率為-0.98%～0.51%；同時，左側整體索力變化幅度較小，相對變化率為-0.37%～1.46%。工況3 最短索力失效后，整體索力變化幅度小，相對變化率為-0.54%～3.93%，附近的拉索索力變化值較大，最大變化率為15 號索3.93%，位置越遠的拉索變化值越小。總體來看，當某根斜拉索失效，結構索力會重新分配，同側同跨拉索索力會增加，距離越近增長幅度越大，同側不同跨索力會減小，距離越遠減小幅度越大[5]。不同側索力變化幅度比較小。長索對拉索結構的影響最大，中索次之，短索影響最小。

3.2 斜拉索損傷后對線形影響

單根斜拉索損傷后，對梁體線形的影響，工況與索力影響工況相同。具體數據見圖2。

圖2 斜拉索損傷位移變化幅度圖

通過圖2數據可知：工況1 最長索失效后，對橋梁整體線形影響比較大，中跨最大值為41mm，邊跨最大值為17mm；工況2 中間索失效后，對中跨線形影響比較大，最大值為44mm，對邊跨線形影響比較小；最短索工況3 失效后，對橋梁整體線形影響比較小，可忽略。

3.3 斜拉索損傷后對梁體動力特性的影響

單根斜拉索損傷后，對梁體動力特性的影響，工況與索力影響工況相同。具體數據見表3。

表3 斜拉索損傷后對梁體振型的影響

表3 （續）

通過對比各工況下梁體9 個階次頻率數值不難發現：工況1 梁體頻率變化最大為第6 階頻率差值為0.0071，工況2 梁體頻率變化最大為第9 階頻率差值為0.0096，工況3 對梁體各階頻率影響比較小。總體來看，單根拉索失效對梁體整體的動力特性影響較小。

4 結語

通過現場檢測評估數據表明：斜拉索護套主要病害為刮傷、修補開裂等，未發現明顯的拉索護套損傷而致的滲水和鋼絲銹蝕病害。錨頭的主要病害為防銹油大面積結、發黑，錨具、錨杯內外圈存在不同程度的銹蝕現象。斜拉索內部銹蝕狀況檢測主要為3 根拉索錨頭回波幅值較弱。全橋存在21 根斜拉索實測索力與交工驗收的索力偏差率超過了±10%，斜拉索安全系數最小值為2.77，均＞2.5，滿足斜拉索在運營期間安全系數的要求。建立有限元模型，對不同位置拉索損傷失效工況進行了理論模擬。數據分析表明：遠離索塔的單根長索損傷失效后，對結構索力、線形影響比較大，靠近索塔的單根短索損傷失效對結構影響較小，單根拉索損傷失效對結構動力特性影響比較小。針對此次檢測評估結果，建議業主單位對斜拉索病害集中專項整治，重點關注長索索力變化，安裝健康監測系統，對該橋健康狀況進行全面、實時監測。長會口大橋已經服役了11年，拉索病害具有代表性。該橋采用智能爬索機器人、磁致伸縮導波檢測儀等先進的檢測評估手段及數據分析方法，能夠有效地指導現場管養工作，可為同類型跨海斜拉橋檢測、監測提供借鑒。