某橋梁項目運營期斜拉索技術狀況檢測分析

任小坤

（貴州省公路工程集團有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

斜拉橋憑借跨度大、穩定性好、施工簡便、造型美觀等優點，在大跨度橋梁建設中得到了大規模應用。但由于橋梁工程運營環境復雜，受自然環境、荷載作用及材料自身性能影響，斜拉橋運營過程中拉索極易產生銹蝕破壞，嚴重影響橋梁使用安全，縮短使用壽命[1]。因此，橋梁運營過程中加強斜拉索技術狀況檢測，對保證橋梁運營安全性、穩定性、耐久性具有重要意義[2]。該文結合實際工程案例，對斜拉索技術狀況檢測進行分析，以期能有效提升檢測水平，及時發現斜拉索存在的質量問題，從而采取科學有效的維修保養措施，保證橋梁運營安全。

1 工程概況

某斜拉橋采用獨塔雙鎖結構，主跨設計長度為232 m，于2012 年投入運營，至今已10 年有余。塔身為混凝土結構，出承臺頂主塔高度為113.5 m。橋面布置形式為雙向四車道（15 m）+兩側人行道（各1.75 m），荷載等級為汽車—超20 級。主梁采用預應力混凝土箱梁結構，主、邊跨分別為開口箱型和閉口箱型斷面。斜拉橋路面布置圖如圖1 所示。

圖1 某獨塔斜拉橋立面布置

該斜拉橋拉索采用扇形布設，主要材質為規格φ7 mm鍍鋅高強鋼絲，標準抗拉強度為1 600 MPa，利用冷鑄墩頭錨進行錨固，張拉、錨固端分別位于主塔、主梁位置。斜拉索防護體系共包含4 層，由內向外依次為防腐涂層、雙層玻璃絲帶及雙層滌綸布、熱擠PE防護套、PVF外包帶。拉索端頭部位設有橡膠減震設施。橋梁服役期間拉索為主要承載構件，內部承受應力作用較大，防護體系遭受外部環境影響較大[3]。由于斜拉索防護體系主要為PE 防護套，并且均處于高空環境中，采用現有檢測技術對拉索鋼絲銹蝕狀況實施檢測，其難度較大。并且當前我國針對機器人無損檢測技術在斜拉索鋼絲銹蝕、斷絲檢測方面應用的研究較少，給檢測工作帶來較大困難。

鑒于以上問題，為全面了解該斜拉橋拉索工作狀態，對PE 防護套、上下錨頭、下索導管及減振器等設施實施外觀質量檢測，并借助機器人無損檢測技術對斜拉索鋼絲銹蝕及斷絲情況實施檢測，為斜拉索維護保養提供依據。

2 斜拉索外觀病害狀況

2.1 PE 防護套

2.1.1 PE 防護套病害統計

將斜拉索表面PVF 外包帶拆除，對PE 防護套質量狀況實施檢測，數量共計104 根。

（1）結果顯示：存在質量缺陷的PE 防護套共計82 根，占比高達78.8%，主要缺陷為表面破損和環、縱向開裂等。

（2）環向開裂或斷裂PE 防護套共計43 根，占比為41.3%，最大裂縫寬度為5.0 cm。

（3）具體開裂情況：①PE 防護套裂縫主要出現于6#~18#索；②1#~5#索PE 防護套裂縫數量相對較少，裂縫數量均未超出5 道；③19#~26#索PE 防護套相對完成，除25#索存在1 道輕微環向裂縫外，其余均未產生裂縫。

2.1.2 PE 護套病害原因分析

（1）材料老化。單根拉索PE 防護套損壞較為嚴重，并呈現一定的規律性，表明材料出現老化狀態。此橋梁運營年限已達11 年之久，經風雨侵蝕、陽光直射、冰雪凍融反復作用，拉索PE 防護套耐久性顯著下降，逐漸老化產生破壞?，F階段，國內大多數橋梁纜索運營年限均在20 年以內。

（2）外部環境影響。橋梁運營期間拉索及PE 防護套體系內部應力較大，在外界環境因素作用下，產生老化裂紋，加之交通荷載、風雪荷載等影響，造成裂紋逐漸發展，形成更加嚴重的環向開裂[4]。

（3）材料批次不同或工藝差異。結合此橋梁單根拉索開裂及裂縫分布狀況，6#~18#索PE 防護套開裂極為嚴重，出現該狀況的主要原因為此批次PE 防護套材質存在差異，或施工時采用的施工方法不同。

2.2 上下錨頭

拆除錨頭防護罩，對錨頭質量實施檢測。結果顯示：錨頭整體質量狀況良好，少數錨頭缺少防腐油脂，并且鋼絲墩頭位置存在生銹現象[5]。各錨頭未出現鋼絲墩頭收縮現象，且表面無積水。

2.3 下索導管及減振器

將軍帽銹蝕嚴重。下索導管與將軍帽結合部位存在銹蝕現象，且少數導管內存在雜質。減震器部分構件產生銹蝕，底部限位裝置橡膠墊老化斷裂，且部分緊固螺栓松動。

3 鋼絲銹蝕和斷絲檢測結果

3.1 PE 開窗部位的鋼絲銹蝕情況

為全面了解拉索內部鋼絲銹蝕情況，現場隨機選擇10 根PE 防護套裂縫較為嚴重拉索，對裂縫部位實施開窗檢測；并選擇1 根PE 防護套外觀質量良好的拉索實施檢測，檢測完成后對拉索PE 防護套實施修復處理。詳細檢測情況如下：

（1）開窗部位鋼絲銹蝕級別處于4~5 級范圍內。

（2）拉索鋼絲銹蝕基本情況：①梁端位置鋼絲銹蝕較為嚴重，塔端銹蝕相對較輕；②相同斷面內，底部鋼絲銹蝕較為嚴重，頂部鋼絲銹蝕較輕[6]。

（3）對PE 防護套外觀質量良好的拉索實施開窗檢測，結果顯示鋼絲銹蝕級別為1 級，表明鋼絲質量狀況優良，未產生銹蝕現象。

3.2 鋼絲銹蝕或斷絲的機器人無損檢測結果

為準確了解拉索內部鋼絲銹蝕或斷絲情況，選取該橋梁PE 防護套裂縫較為嚴重的8 根拉索，借助機器人無損檢測技術對鋼絲銹蝕及斷絲情況實施進一步檢測。詳細檢測數據如表1 所示。

表1 某橋斜拉索的鋼絲銹蝕或斷絲的無損檢測結果

通過表1 能夠看出：斜拉索鋼絲截面損失率處于1.17%~4.82%范圍內，全部未產生斷絲問題。為驗證檢測結果的準確性，對檢測結果采用開窗檢測的方式進行抽樣檢測，結果顯示兩種檢測手段得到的結果相同，表明斜拉索鋼絲銹蝕或斷絲檢測中，采用機器人無損檢測技術具有較強的可行性。

3.3 斜拉索鋼絲銹蝕原因分析

根據具體檢測結果，并結合橋梁運營環境等各方面，對鋼絲銹蝕原因實施分析，具體原因如下：

（1）在外部環境作用下，PE 防護套產生老化破壞，失去了對鋼絲的保護效用，導致外部水分、塵土、空氣等進入，在鋼絲表面發生理化反應，使鋼絲產生銹蝕。

（2）斜拉索鋼束采用多根鋼絲組成，各鋼絲間空隙較大，當外部水體進入時，會造成鋼絲銹蝕。

（3）該橋梁PE 防護套較為完整的拉索，鋼絲未產生銹蝕現象，說明防護性能良好。而對于鋼絲銹蝕的拉索，在應力及交通荷載共同影響下，后期腐蝕速率顯著加快，承載性能迅速下降，嚴重縮短運營年限。

4 安全性分析

4.1 近年索力測量結果分析及索力安全系數

為充分了解鋼絲銹蝕后斜拉索索力變化情況，對日常監測索力數據實施比較分析。結合恒定荷載作用下索力監測結果，各拉索索力基本穩定[7]。針對PE 防護套裂縫較為嚴重的拉索索力安全系數實施計算，詳細數據如表2 所示。

表2 PE 護套斷裂或開裂數量較多的斜拉索索力安全系數

通過表2 能夠看出：綜合考慮實測恒載索力、外部荷載作用導致的索力增大以及鋼絲銹蝕等各種因素影響，得出現狀拉索最小索力安全系數為2.64，高于規范規定的2.5，充分表明該橋梁各斜拉索索力安全性能滿足要求。

4.2 近年主梁線形測量結果分析

為充分了解鋼絲銹蝕對主梁線形的影響，對梁體標高實施監測，并依據監測結果繪制梁體下撓變化曲線[8]，具體如圖2 所示。

圖2 主梁的下撓線形

通過圖2 能夠看出：①該斜拉橋邊跨主梁下撓變化幅度較小，總變形量均未超出10 mm；②中跨主梁下撓監測值與初始值相比顯著增大，錨點位置總變形量為-122 mm；自2021—2023 年間橋梁標高變化均未超出±1 cm，中跨主梁下撓逐漸達到穩定狀態，充分表明鋼絲銹蝕對主梁線形基本無影響。

5 結論

綜上所述，該文結合某獨塔斜拉橋工程實例，對斜拉索技術狀況進行分析，利用機器人無損檢測技術對斜拉索鋼絲銹蝕及斷絲情況實施檢測，并對斜拉索安全性能實施評估，得出如下結論：

（1）該斜拉橋共有斜拉索104 根。其中82 根斜拉索PE 防護套存在質量缺陷，占比高達78.8%，而環向開裂或斷裂PE 防護套有43 根，占比為41.3%，最大裂縫寬度為5.0 cm，并且單根拉索PE 防護套損壞較為嚴重，并呈現一定的規律性，表明材料出現老化。

（2）PE 防護套老化破壞是造成鋼絲銹蝕的主要原因，該工程斜拉索鋼絲截面損失率處于1.17%~4.82%范圍內，全部未產生斷絲問題[9]。

（3）經綜合檢測驗算分析，該橋梁工程斜拉索最小索力安全系數為2.64，高于規范規定的2.5，充分表明該橋梁各斜拉索索力安全性能滿足要求[10]。

（4）通過對主梁線形測量結果分析，驗證鋼絲銹蝕對主梁線形基本無影響。

（5）結合實際檢測結果，對該橋梁破損PE 防護套進行拆除，并對銹蝕鋼絲實施除銹、防腐處理，然后逐層修復防護體系，以有效地提高斜拉索使用性能和耐久性，保證橋梁運營安全。