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浅析斜拉桥中斜拉索病害的构成

  [摘 要] 斜拉桥虽具有跨越能力大、结构型式简洁、受力明确、空气动力稳定性好、结构轻巧美观等优点,但拉索腐蚀退化和疲劳抗力衰减已经成为影响桥梁结构使用寿命、严重威胁桥梁结构服役安全的最主要因素之一。将斜拉桥中斜拉索的病害进行治理,对避免重大安全事故的发生及减少全寿命周期内桥梁的总成本具有重要的科学意义和工程意义。

  [关键词] 斜拉索 ; 病害; 构成

  [Abstract]: Cable-stayed bridge has large spanning capacity, simple structure type, the force is clear, aerodynamic stability, lightweight structure, aesthetic advantages, but the cable corrosion degradation and attenuation of fatigue resistance has become one of the most important factor for a bridge structure service life, a serious threat to the bridge structure serving the safety. Cable-stayed bridge in the diseases control, to avoid the occurrence of major accidents and to reduce the bridge across the life cycle cost has important scientific significance and engineering significance.

  [Key words: cable-stayed; disease; constitute

  中图分类号:U448.27 文献标识码:A 文章编号:

  斜拉桥是一种由索、塔、梁三种基本结构组成的复杂结构体系,具有自重轻,跨越能力强,施工便捷,墩台少,防洪、通航性能好;刚度大、伸缩缝少,行车平顺舒适;抗风能力强;造型美观、雄伟、挺拔等优点,是跨越大江大河的首选桥型之一,迄今为止,我国己建成各类斜拉桥一百余座。拉索是斜拉桥上的主要承力构件,担负着将主梁荷载传递到桥塔上的任务。由于拉索结构十分纤细,这使其成为斜拉桥结构体系中对病害最敏感的构件。在迄今发现的斜拉桥病害中,出现在拉索的病害占了绝大部分。这些病害导致拉索力学性能退化,耐久性降低。

  一、斜拉索的损伤

  斜拉索损伤主要有腐蚀损伤以及疲劳性能损伤:

  1、腐蚀损伤

  拉索的腐蚀主要是由于钢索与周围介质发生电化学作用,造成氧化还原反应所致。在拉索钢材中的合金元素、渗碳体及其它杂质往往构成阴极,铁元素构成阳极,当拉索表面凝结和吸附水汽而形成水膜时,就构成无数微电池,拉索就会被腐蚀。空气中的氧、二氧化硫、二氧化碳及氯离子等还会不断地溶解到水膜中去,促进铁元素的电离,加快钢索腐蚀速度。类似金属腐蚀,斜拉索腐蚀形态可分为两大类,即全面腐蚀和局部腐蚀。全面腐蚀常称为均匀腐蚀;局部腐蚀可分为点蚀、磨损腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等。

  要防止钢索腐蚀,就要防止钢索与腐蚀介质接触,因而钢索防护的一个重要原则就是将它与大气隔离。斜拉桥拉索常见防护措施大致有以下几种:(1)全封闭索防护;(2)单根钢丝镀锌防护;(3)单根钢丝镀铝防护;(4)化学涂层法;(5)套管压浆法;(6)直接挤压护套法。目前国内外大量采用热挤塑高密度聚乙烯(HDPE)护套加聚氨酯(PU)彩色护套的挤包护层扭绞型拉索。

  2、斜拉索的力学性能与疲劳性能损伤

  斜拉索包括拉索和锚具两大部分。拉索承受拉力,锚具用来锚固拉索传递的索力。目前钢拉索主要有如下几种形式:锁合式螺管索;螺旋钢绞线索;平行钢丝索;平行钢绞线索。

  斜拉索两端配装合适的锚具后才成为可以承受拉力的拉索。良好的锚具可保证拉索的静载性能不受影响,但拉索的动载性能却不可避免地要稍低于索中单丝的性能。通用锚具种类有如下几种形式:镦头锚;冷铸镦头锚;热铸锚;夹片群锚。前三种锚具都事先安装固定在拉索上,张拉时千斤顶张拉锚具,称拉锚式锚具;配装夹片群锚的拉索,张拉时千斤顶直接拉钢索,张拉结束后锚具才发挥作用,所以夹片群锚又称拉丝式锚具。

  斜拉索所用高强钢丝或钢绞线与锚固体系的疲劳性能一般是通过疲劳试验来评估的。以往认为斜拉索锚具处的疲劳破坏是斜拉索疲劳破坏的最主要结构部位,调查测试和工程实践证明,由于在长拉索自由长度内钢丝和钢绞线缺陷的增加,使在自由长度内破坏的可能性也增加了。单根钢丝或钢绞线试验是确定钢丝及钢绞线疲劳性能的简易方法。由于钢索自由长度内的破坏影响到钢丝和钢绞线的疲劳性能,所以还需要建立单根钢丝或钢绞线试件疲劳性能与长拉索自由长度部分疲劳破坏之间的关系。

  二、斜拉索的病害

  1、索体病害

  根据调研,护套和高强钢丝均容易发生病害,此外,某些填充剂也可能导致严重的索体病害。

  护套的损伤形式主要受制作材料以及环境影响。国内拉索护套多采用HDPE,其病害为开裂,具体表现形式包括龟裂、划痕、刮痕、裂缝等。

  护套开裂可能源于以下原因:

  (1)拉索在制作过程中受到初始损伤而开裂;

  (2)在卷盘运输过程中,位于内圈的拉索护套由于卷绕的直径较小,始终保持较高应变,导致应力开裂。

  (3)在施工过程中,施工方由于操作失误或重视程度不足,在成品索搬运及安装过程中未采取必要的保护措施,导致护套损伤。

  (4)在对拉索进行病害检查时,沿拉索移动的检测小车难免会与护套发生接触,在摩擦挤压过程中导致护套损伤;

  (5)由于HDPE老化,护套延伸率降低,最终开裂;

  (6)采用PE十PU双层护套的拉索,由于两种材料的热膨胀系数不同,且两层护套间的粘结力较弱,使护套从两层材料的交界位置剥裂;

  (7)修补破损护套时必须加热破口附近的护套。补好后,HDPE冷却收缩,在护套上产生附加拉应力,导致不久护套再次破损。

  2、拉索锚头病害

  已知的锚头病害包括锈蚀、开裂和变形。

  锈蚀是锚头最常见的病害,通常出现在锚杯外螺纹等易于积水积尘的部位。如拉索锚杯未设置端盖或端盖密封不严,则可能导致内螺纹、锚板甚至钢丝镦头锈蚀。

  OVM锚具通常采用工地填充灌注胶等柔性填充剂的方式进行锚内防腐,防腐效果受材料及施工质量控制,但由于这种锚具在国内应用时间还较短,因此这种防蚀措施的效果还有待进一步观察。

  锚头变形主要发生在拉索出厂前的超张拉检验过程中,典型现象是锚板回缩。

  3、其它相关构件病害

  拉索系统其它设施中的常见病害包括下锚箱渗水、锚箱锈蚀等。

  下锚箱渗(积)水属于拉索系统常见病害,渗水来源于梁体导管与索体间空隙中的积水。渗水量受降雨持续时间和降雨强度影响,由此判断积水源于索面(桥面)雨水,是导管口与拉索护套间密封失效造成的。

  锚箱锈蚀是另一种常见病害,锚箱渗水、防蚀涂装失效是发生这种病害的主要原因。

  下锚箱前端焊接的钢导管在焊趾处开裂。这种病害是由于拉索在振动过程中反复碰撞钢导管造成的,更换导管并安装减震器后这种病害未再发生。某些桥梁拉索上还安装有避雷针、装饰用灯具等附件,这些设施也可能出现各种形式的损坏,因其不危害拉索的正常使用功能,对这些病害不再赘述。

  4、拉索系统致命性病害总结

  拉索系统病害中,钢丝锈蚀和开裂具有出现频率高,检测困难,降低拉索承载力,无法修复的特点,对拉索的危害性最大。而钢丝锈蚀是决定拉索极限承载力和剩余使用寿命的最致命性因素。

  拉索的其它病害中,仅锚头开裂对拉索承载力有较大影响,但这种病害极为罕见。鉴于锚头开裂病害发生概率小,容易检测,且损伤演化速度比钢丝慢,认为锚头开裂对拉索寿命的影响可以忽略。

  护套开裂不会直接降低拉索的承载力,但关系到索体钢丝的锈蚀起始时间,间接对拉索承载力产生影响。护套开裂可在桥面通过望远镜检测,且护套开裂可通过加热修复,因此危害性比钢丝病害小。

  三、结语

  研究斜拉索全寿命服役期内的腐蚀、力学性能和疲劳性能,发展基于斜拉索健康监测技术的拉索安全评定、服役寿命预测和全寿命设计方法,通过定性分析斜拉桥基于寿命的可靠度,可以更好的避免重大安全事故的发生及减少全寿命周期内桥梁的总成本。

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