钢管混凝土拱桥吊杆疲劳寿命研究

2018-01-05周潇

四川建筑 2017年6期

关键词：护套吊杆拱桥

周潇

(武汉市城市路桥收费管理中心，湖北武汉 430050)

钢管混凝土拱桥吊杆疲劳寿命研究

周潇

(武汉市城市路桥收费管理中心，湖北武汉 430050)

吊杆是钢管混凝土拱桥的重要受力构件，直接影响桥梁结构安全，但目前对于吊杆破断的安全判定指标不明确, 因此对吊杆的防腐体系和疲劳寿命进行研究就尤为必要。文章通过对晴川桥吊杆的外观检测、PE材料老化试验、钢丝力学试验、钢丝疲劳试验，系统开展吊杆防腐体系及疲劳寿命研究，为判断吊杆安全状况提供了参考。

拱桥；吊杆；疲劳寿命；安全

吊杆的使用正常与否，关系到拱桥的整体寿命和安全。由于目前对于吊杆破断的安全判定指标不明确,针对吊杆破坏寿命短且分散不定的情况，工程中常采用“二年一检测，十年一拆换”等措施来确保桥梁安全，然而这类措施的周期也是凭经验确定的，不能保证采取此等措施就能真正确保拱桥的安全，因此对吊杆的防腐体系和疲劳寿命进行研究就尤为必要。

1 研究背景

晴川桥位于汉江与长江交汇处， 2000年10月建成通车，双向四车道，桥宽20 m。主桥为净跨 280 m 的下承式钢管混凝土系杆拱桥。主拱由上下 2 片桁架组成，每片桁架由 4 根φ1 000 mm×12 mm 弦管、缀板和腹杆构成，且桁架之间有横撑连接。本桥共计 110 根吊杆，吊杆采用 61φ7 高强镀锌平行钢丝(Rby=1670 MPa)，冷铸镦头锚具热挤 PE 防护(图1)。

图1 桥型布置

2014年检测发现上游37#吊杆PE 护套破损严重，开窗发现内部平行钢丝表面锈斑成片出现，除锈后钢丝表面有凹坑。在新剖开的PE护套内表面存在水珠，钢丝内部积水，而且钢丝表面出现锈蚀坑，由于吊杆截面尺寸小，对锈蚀作用非常敏感，在凹坑处会出现比较明显的应力集中，在应力锈蚀及疲劳荷载作用下吊杆将迅速发生锈蚀疲劳断裂。为确保桥梁安全，以及对吊杆工作状况进行研究的需要，对晴川桥上游1#吊杆、上游37#吊杆、下游16#吊杆进行更换，并结合更换下的3根吊杆开展疲劳寿命研究。分别开展吊杆外观检测、PE护套老化试验、吊杆退化钢丝力学性能试验、吊杆退化钢丝疲劳试验，通过各项试验对吊杆进行评估，并为类似桥梁设计维护提供相关建议。

2 试验研究

2.1 外观检测

对更换下来的3根吊杆进行锚头开盖检测、钢丝锈蚀检测和机械切割内部钢丝检测。统计资料表明，吊杆索结构病害中，钢丝锈蚀和开裂具有出现频率高、检测困难、降低吊杆承载力、无法修复的特点，对吊杆的危害性最大。钢丝锈蚀的出现频率比开裂发生的频率高得多，而开裂总是发生在锈蚀位置，因此钢丝锈蚀是决定吊杆极限承载力和剩余使用寿命的关键因素。在吊杆的病害中，仅锚头开裂对吊杆承载力有较大影响，但这种病害极为罕见。通常，人们以为锚头附近的钢丝易于发生锈蚀或开裂病害，但晴川桥吊杆外观检测及解剖结果表明，套筒附近的钢丝并没发生锈蚀，而是在PE护套破损开裂位置存在钢丝锈蚀病害。

2.2 PE材料老化试验

剥除37#索吊杆外层缠包带，从PE护套上取6个试件，3个一组进行对比试验。即3个试件置于70 ℃环境中96 h后，测试其力学性能，另外3个试件在常温环境下PE进行力学性能试验，两组试件结果做对比分析，研究热空气下材料老化情况。对试件进行热空气老化试验，采用的主要检测仪器设备有CTP701F高低温试验箱、CMT5105微机控制电子万能试验机。将3个PE试件进行70 ℃高温下暴露96 h后进行拉伸试验，测试其抗拉强度和拉断伸长率，另取3个PE试件直接进行拉伸试验，测试其抗拉强度和拉断伸长率(图2、图3)。

图2 PE材料取样

图3 万能试验机

2.3 钢丝力学试验

采用钢丝最小截面直径法测量钢丝的锈蚀程度，经过锈蚀程度量化后的钢丝试件，利用万能试验机加载。得到钢丝主要力学性能指标随钢丝锈蚀程度变化关系，从而根据锈蚀程度推断吊杆力学性能指标的变化。

将替换下来的吊杆进行剥除护套，取出单根钢丝，将锈蚀钢丝进行钢丝锈蚀程度等级划分后，选择具有代表性的几根钢丝，将试验段钢丝逐一编号后排列，在除去每一根钢丝的锈层之后，选择该根钢丝的较小截面尺寸进行测量，此测量尺寸作为钢丝的有效截面尺寸。根据记录数据以及钢丝外观的观察，对照钢丝锈蚀程度分级标准进行分类统计。对编好号的钢丝进行抗拉强度试验。

1#短吊杆在实桥运营中受力状态为最不利状态。由于短吊杆自由长度太短，受温度变化影响大，且桥面反复纵向位移，短吊杆不能自由摆动，频频出现较大的附加应力。试验选择1#吊杆在使用14 年后的状态进行钢丝材料力学性能试验，选择的钢丝为表面无锈蚀的钢丝，抗拉强度满足规范要求，说明无锈蚀情况下，钢丝材料性能并无明显改变。