浅谈桥梁拉吊索的认识

2021-06-04王玉娇韩阿慧

河南建材 2021年5期

王玉娇韩阿慧

1甘肃省公路航空旅游投资集团有限公司（730030）2西安长安大学工程设计研究院有限公司（710061）

0 前言

随着国家“一带一路”战略的推进,我国基础设施建设突飞猛进。斜拉桥已突破千米跨度,如主跨1 092 m的上海沪通铁路大桥;钢管混凝上拱桥也突破500 m跨径,如上海卢浦大桥。对于要跨越较大河、江以及海洋的桥梁,拉索桥往往是设计师们青睐的桥型,如苏通长江大桥、东海大桥等。这些大桥不仅有效的克服了桥梁跨度大的问题,还经济、美观而且推动我国上木工程技术向更高、更强方向发展。然而,拉索桥的拉吊索病害造成的断索以及导致的垮桥问题日益突出，不仅威胁着人民生命安全，也制约了社会的经济发展，成为限制拉索桥发展的重要因素，引起国内外学者的广泛关注。

1 拉吊索结构与构造

拉吊索作为斜拉桥、悬索桥等桥型的主要承重构件，位于桥塔和桥面之间，断面较小，其结构包括索体、防护体系、锚固体系等。索体主要承受拉力，桥梁的荷载通过索体传递至索塔或者主缆，目前索体基本使用高强钢丝或者钢绞线，并且要求其排列整齐、断面密实，易于锚固；防护体系用来保护索体正常工作，在索体内部填充塑胶材料形成內渗防护，在索体外部设置PE套管等形成外裹防护，从而使拉吊索钢丝与大气、水隔离，增强其耐久性能；锚固体系主要有墩头锚、热铸锚、夹片式群锚等，用来保证索体安全发挥作用[1]。由于拉吊索长期处于高应力状态，防护结构受损，索体结构锈蚀、断丝，锚固结构损坏等威胁结构安全问题逐渐暴露，拉吊索病害问题、损伤机理、性能优化等问题成为国内外学者的研究热点。

2 拉吊索病害问题

拉吊索结构发展使用年限较短，研究较少，拉吊索在使用过程中由于设计索力不足、拉吊索构造缺陷、受力复杂、运输不慎安装误差、套管损坏等导致出现索体锈蚀、断丝等病害，严重时索体断裂导致桥梁倒塌[2]。

2.1 拉吊索的耐久性分析

环境因素导致的防护体系破坏是导致拉吊索耐久性下降的主要原因，由于护套等防护措施的破坏，空气中的水分、Cl-、SO42-等得以进入拉吊索索体内部进行化学反应，从而导致拉吊索索体、锚固区的锈蚀与破坏，直接影响拉吊索结构的安全和正常使用[2]。建于1962年的委内瑞拉Maracaibo桥为双索面稀索体系，防护体系未采用镀锌层保护，索体于上锚头入口处锈蚀、损害，并发生断索事故；德国的Kohlbrand Estruary桥同样防护体系为采用镀锌层防护，短时间内即发现出现断丝病害；上海泖港大桥则出现矛头锚垫板锈蚀病害；九江大桥在运营10多年后出现了拉吊索护套大范围损坏，锚头轻微锈蚀[3]。一批学者对拉吊索耐久性进行了研究，Scott Calabrese Barton[4]等人对钢丝进行了加速锈蚀试验，发现钢丝的锈蚀和时间成线性关系；王建中[5]发现索体锈蚀速度与温度、环境相对湿度等密切相关，温度越高，相对湿度越大，索体的锈蚀速度越快。

表2 吊索钢丝腐蚀分级标准

2.2 损伤识别检测

拉吊索的一般检查主要通过外观检查拉吊索护套老化及破损、锚头锈蚀、钢丝锈蚀等，对拉吊索的工作状况进行定性描述。拉吊索外观劣化检测评定指标包括护套防护、索体钢丝的破坏和锚固区主要部件损伤。主要检测及监测方法有以下几种:

①射线检测法，射线检测中主要应用X射线和γ射线，通过检测过程中射线强度来判断局部缺陷问题，但由于检测效率低、造价高等原因，此技术应用较少；②磁漏检测法，此技术通过磁化拉吊索表面泄露的磁场强度进行检测判断；③磁致伸缩导波法，拉吊索受到外部磁场力时，根据其内部磁场出现的变化来进行检测判断；④索力监测法，拉吊索局部出现损伤时，其索力必然会出现变化，通过此方法可实现拉吊索的健康监测；⑤声发射检测法，此技术通过材料内部损伤产生的向四周扩散传播的瞬时弹性波来对拉吊索损伤情况进行实时反映；⑥模态测试法，通过对结构模态参数分析来判断结构损伤情况；⑦布拉格光纤光栅传感器法，此技术通过光栅布拉格波长对结构中的温度、应变进行测量监测，当拉吊索出现损伤时，索体应力应变等出现变化，光栅布拉格波长随之变化，从而实现损伤识别[6-8]。

2.3 损伤程度评定

拉吊索的损伤程度一般通过索体损伤情况来体现，实际检测中，在役桥梁拉吊索的评估多采用外观检测方法，文献[9]较早提出了如表1所示的锈蚀分级，由于此分级标准受到当时的条件所限，分级的界限不太明确，分成了4级。重庆交通大学陈新[10]对悬索桥平行钢丝吊索分级进行了研究，结合试验中锈蚀钢丝外貌及锈蚀钢丝力学性能，同时依据对应《公路桥梁养护规范》中关于桥梁安全分类标准，对吊索钢丝锈蚀分级分成了5级，见表2。