|
几乎所有的服役桥梁，其拉索都存在不同程度的病害。众多桥梁由于管养不善，导致拉索病害日益发展。相当一部分建成后短时间内出现严重的问题，不得不提前大修，甚至提前换索，浪费极大。此类结构隐患，致使结构垮塌也屡见不鲜，严重威胁着工程及人民生命财产的安全[1]。
桥梁拉索常见的病害有：下端预埋管水患与拉索（索体与锚头）腐蚀、HDPE护套老化与应力开裂、拱桥短吊杆问题、拉索风雨激振、悬索桥主缆系统腐蚀等。 腐蚀是影响拉索寿命的主因 下端预埋管水患 下端预埋管水患是指斜拉桥、拱桥、悬索桥等梁端预埋管，因水或水汽造成拉索索体与锚头腐蚀的病害。一般来说，预埋管水患是雨水直接流入预埋管内浸泡拉索与锚头，或因预埋管处的密封性缺陷，大气中的潮湿空气进入预埋管内后，造成预埋管内潮湿度升高，或冷凝积水。下端预埋管水患是最为普遍存在的现象，也是影响桥梁拉索使用寿命与安全的最大威胁。 下端预埋管水患的形成主要原因有： 下端防水罩存在质量问题，或因未及时维修、未按要求施工导致其丧失防水功能，雨水直接流入预埋管内，浸泡拉索与锚头。以往的设计理念认为，下端预埋管应设置排水构造。然而，实践经验告诉我们，排水孔长期使用后，堵塞严重，无法排水。例如福州青州闽江大桥80%以上的下锚头发现下雨后都有积水[1]；柳州文惠桥自建成后，水长期浸泡下端锚头，梁底长期滴水，不到10年时间形成35cm长的钟乳石状结石[1]；泉南高速公路南宁六景大桥积水充满整个预埋管；瑞典乌德瓦拉桥（UddevalaBridge）也是不断有雨水进入下端锚头[4]；南昌八一大桥因防水罩失效，下端预埋管内长期潮湿度高，造成斜拉索下端锚头銹蚀严重，2009年全面换索；杭瑞高速公路九景段鄱阳湖大桥也因防水罩失效，下端预埋管长期积水，后经系统、专业技术养护，拉索得到有效保护。其中，鄱阳湖大桥通过专业技术养护有效延长拉索的使用寿命，保证桥梁的使用安全，对结构管养启示颇多。 HDPE护套老化与应力开裂 HDPE（高密度聚乙烯）护套主要功能是防护拉索。上世纪80年代，自广州海印大桥斜拉索采用HDPE护套后，我国开始在平行钢丝类拉索上大量应用。之后几年，业内人士发现，拉索HDPE护套与电缆的护套完全不同，拉索的HDPE护套在使用后的短短几年内就出现严重的老化和开裂。雨水进入拉索内部，造成拉索钢丝锈蚀。桥梁拉索HDPE护套之所以较电缆护套更容易老化与应力开裂，排除材料、加工工艺等等因素外，最根本的原因就是桥梁平行钢丝拉索的结构特点。当拉索挂索张拉后，HDPE护套随索体受力伸长，HDPE护套长期处在3～5Mpa以上的应力状态下工作（如果HDPE护套加工冷却不当可达9Mpa）。 HDPE护套老化的特征是护套表面出现不规则的网状裂纹，HDPE材料延性、机械强度等力学性能指标大大降低。影响HDPE护套老化的因素一般与材料的性能、挤塑成型工艺（加热温度、 加热时间、冷却方式与冷却时间）、使用环境（紫外线强度、雨水冲淋、腐蚀、内应力）等有关。 HDPE护套开裂的特征是护套环向应力开裂，HDPE材料延性、机械强度等力学性能指标没有明显下降。影响HDPE护套环向应力开裂的因素与影响老化的因素基本相同，但最主要的因素是材料的耐环境应力开裂性能、内应力的大小和紫外线的强度。HDPE护套的老化与应力开裂一般从迎光面开始。 提高拉索HDPE护套使用寿命可采取以下方法与措施： 1.不同的HDPE材料，其耐环境应力开裂性能指标迥异。一般来说，HDPE材料应力开裂性与其环境应力开裂性能指标正相关。然而，由于认识不足，我国早期的桥梁拉索标准要求HDPE材料耐环境应力开裂性能仅为1500h。工程经验证明，桥梁拉索用HDPE材料耐环境应力开裂性能应达到5000h以上。 2.HDPE护套在热挤塑成型冷却时有残余的内应力，正常使用时受到拉应力。高分子材料在长期连续拉应力及环境因素的作用下，聚合物分子的结合能力下降，分子结合键断裂，应力开裂。环境应力开裂试验证明[1]，当应力水平降到一定程度时，高分子材料开裂时间理论上趋向持久极限、永不开裂。天津永和公路大桥，其斜拉索PE护套在无张拉应力状态下使用20年也未开裂和老化。实际工程已证明，单元式钢绞线类型的拉索，大、小HDPE护套在无粘结和半无粘结状态下工作，服役30年以后，也未发现HDPE护套环境应力开裂。因此，如果条件允许，桥梁拉索使用的HDPE材料应避免与结构参与共同受力。 3.HDPE护套损伤就是一个潜在的开裂源。所以，应做好应有的防护措施，避免在生产、运输、安装等过程中损伤HDPE护套。目前，大多数的HDPE护套损伤后都采用二次热熔修补。我们已经知道，HDPE材料二次热熔其性能有较大的下降，所以，修补后的HDPE护套更易老化，更易开裂，开裂时间会更短。如果条件允许，建议采用缠包方法修复HDPE护套。 4.紫外线的照射会加速HDPE护套的老化与应力开裂。采用缠包方法不仅可以修复受损的HDPE护套，更可以隔离紫外线、雨水和腐蚀性气体对HDPE护套的浸蚀作用，实现HDPE护套与索体同等寿命。现役桥梁，如果HDPE护套出现老化与应力开裂的问题，在未产生开创性裂纹时，缠包修复是行之有效的办法。 拱桥短吊杆问题 对于中（下）承式拱桥来说，桥面系及荷载是通过吊杆承受的。当温度变化时，桥面系将产生纵桥向的纵向位移，吊杆摆动。一般来说，拱圈端吊杆是固定不动的，吊杆摆动量与桥面系的纵向位移、吊杆的长度有关。桥面系的纵向位移量越大，吊杆的长度越短，吊杆的摆动角度就越大。此时，吊杆的附加应力就越大。宜宾小南门金沙江桥2001年部分桥面垮塌就是因短吊杆断裂造成。吊杆断裂时为凌晨温度最低点，桥面纵向位移量大，短吊杆的附加应力也大。邕宁邕江大桥短吊杆摆动明显，可以看到，短吊杆的摆动已造成吊杆破损、拱圈混凝土迸裂。拱桥设计规范没有明确规定短吊杆的设计要求，目前也没有更多的实验数据。一般原则是： 1.短吊杆极限摆动造成吊杆的总应力水平不应超过0.5σb。 2.结构条件允许的前提下，短吊杆应尽量设置长一点。短吊杆宜长不宜短。 3.短吊杆宜采用柔性吊杆，避免用刚性吊杆。 4.短吊杆尽量设置可摆动的球形铰，减小桥面系纵桥向位移时，吊杆的附加应力和安装时消除施工误差。 拉索风雨激振 桥梁拉索由于质量、刚度和阻尼都较小，易发生振动。尤其是在风雨共同作用下拉索发生大幅度风雨激振的概率较高。我国南京长江二桥、湖南洞庭湖大桥的斜拉索曾经发生过较大的风雨激振。 由于振幅大、破坏性大，斜拉索风雨激振严重威胁斜拉桥的安全，已经成为大跨度斜拉桥设计中最为关注的问题之一。然而，桥梁拉索风雨激振的机理目前尚未能完全解释，有水线驰振、涡激振动、轴向流等理论。有学者归纳了斜拉索发生风雨激振的研究成果[5]： 1.大中小雨的情况都可能发生索振； 2.索振主要发生在外包包裹为聚乙烯套管的索上； 3.振动频率为0.6～3.0Hz之间，一般为单阶振动； 4.风速范围约6～18m.s-1; 5.索振动主要是面内振动； 6.风雨激振中，索的运动呈现出“拍”的现象； 7.发生风雨激振的斜拉桥一般位于紊流不太大的地方: 8.索的运动引起水线在索表面的周围振荡，水线运动与索运动的方向相反。 抑制桥梁拉索风雨激振的基本方法与措施是： 1.改变拉索的表面形状，来改善拉索空气动力学特性。最有效的办法是在拉索表面设置双螺旋线或凹坑，阻止水线形成: 2.增加拉索减振阻尼装置； 3.可将拉索之间用辅助索相互连接。 钢绞线拉索,因每一根绞线的固有频率不同,绞线与绞线之间的空隙形成相互的阻尼作用，发生大幅振动的概率很低。 悬索桥主缆系统腐蚀 主缆系统是悬索桥最重要的承载构件，由于它的不可更换性，必须与桥梁结构同寿命。然而，悬索桥主缆系统的使用现状不容乐观。据了解，我国几乎所有的悬索桥主缆系统都存在腐蚀病害。国外悬索桥主缆也普遍存在主缆钢丝腐蚀的问题[2]。美国纽约市运输局的一份关于悬索桥缆索状况的报告得出结论：由于腐蚀，纽约市区几乎所有的大型悬索桥都存在强度损失的问题，主缆强度损失的范围从微乎其微到35%[6]。 悬索桥主缆系统的基本构造如图3所示。它由主缆段、散索段与锚碇段三大部分组成。 主缆段是由Φ5.2的多股高强钢丝组成(PWS法)，塔顶处跨过索鞍，主缆装有索夹通过吊杆（索）连接桥面系。主缆一般采用强度1670MPa以上级别的φ5高强镀锌钢丝组成，紧缆后安装索夹，涂防腐腻子，缠丝后涂外防护层。紧缆后钢丝与钢丝之间仍存在缝隙，按规定空隙率在索夹处不大于18%，在索夹外不大于20%。 散索段经过散索鞍（套）后分成单元索股，与锚碇连接件连接。 锚碇段已普遍采用新型的预应力式锚碇系统，一般由多股预应力束组成，张拉后通过连接板与主缆索股连接，可调可换。 图3 悬索桥主缆基本构造 1.主缆段的主要病害： ①由于主缆钢丝缝隙、索夹缝隙、索鞍缝隙的实际存在，悬索桥主缆已经是实际意义上的开放式主缆。水和氧气可通过这些缝隙以及散索段处的钢丝缝隙，畅通无阻地进入主缆钢丝内部，实现交换，造成钢丝生锈。日本的因岛桥、美国的多座悬索桥，均发现主缆内部有积水或潮湿度高，主缆钢丝发生不同程度锈蚀； ②悬索桥的主缆由于施工积水也会造成主缆钢丝生锈: ③外层防护腻子易于老化，开裂，脆化失效[7]。水和氧气也可进入主缆钢丝内部，造成主缆钢丝生锈。香港青马大桥也出现过类似问题，涂层开裂，主缆进水[8]； ④索夹滑移而产生的不可恢复的缝隙，水进入主缆内部，造成主缆钢丝生锈。 2.散索段的主要病害： 目前，所有的主缆散索段索股只有简单的防腐措施，索股钢丝长期与水汽直接接触。虽然有些桥设有除湿系统，但大部分悬索桥，尤其是早期的悬索桥和自锚式悬索桥，没有设置除湿系统，主缆钢丝长期在潮湿环境中使用。 ①大型桥梁锚室空间庞大，除湿效果不尽如人意，很多锚室内湿度达不到预定指标，特别是索股内部的潮湿气体难于排出。因此，应完善除湿系统的设计与配置，以期达到预期的除湿效果。 ②隧道式锚碇，湿度大，水患严重。现役工程已证明，很难满足湿度要求。 ③除湿设备还须日常维修、维护与更新。要保持周围环境相对湿度在60%以下，除湿设备须长期24小时不间断运行，运行成本很高。笔者调查发现，很多桥梁，甚至是特大型桥梁，除湿系统形同虚设。 3.锚碇段的主要病害是水患： ①抽水系统未运行，或没有抽水系统，导致锚碇积水或增大锚室潮湿度。 ②没有排水措施。尤其是隧道式锚碇，水量大，水浸泡锚碇。笔者认为如有需要，锚碇应设置排水系统。 ③大多数现役桥梁，其锚碇前后锚面，都未设置有方便操作的检修通道或构造，给日常维护和检查带来诸多不便。 新型的预应力锚碇系统，由于采用全防腐可更换式结构，其防腐性能、安全性能有了本质性的变化。 |
