斜拉桥拉索病害检测及退化程度评估
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收稿日期：2006－12－25
作者简介：冯俊杰(1978－)，男(汉族)，河北秦皇岛人。
摘要：斜拉桥经过多年运营后拉索系统出现各种缺陷，造成拉索系统受力状态的严重退化，影响斜拉桥正常使用。通过对某斜拉桥拉索病害检测进行比较、分析，并根据相关试验结果，采用强度折减的锈蚀评级标准对拉索退化程度进行分析和评估。
关键词：斜拉桥；拉索系统；病害检测；锈蚀评级标准
中图分类号：U441+4
文献标识码：B
文章编号：1008-0422(2007)02-0089-03
1 概况
国内某预应力混凝土斜拉桥，采用独塔单索面竖琴式布索，塔高160m，主跨430m，其中河跨230m，岸跨200m，塔梁墩固结。该桥拉索护套采用氯磺化聚乙烯橡胶，钢丝采用镀锌高强钢丝，锚头采用冷铸锚。由于该桥为我国早期建造的斜拉桥，其拉索防护体系还不完善，使得拉索钢丝在斜拉桥经过多年运营后产生了严重的腐蚀，特别是在斜拉桥承受各种荷载的情况下钢丝对应力腐蚀相当敏感，造成拉索承载能力过早地衰退，从而使该斜拉桥受力状态产生了严重退化。为了确保该斜拉桥的安全运营，必须对锈蚀所造成的拉索病害进行检测，并对检测结果进行评估。
2 拉索病害检测
拉索病害通常分为两类：
a．拉索护套病害，包括护套的开裂、凹坑、开裂等。如果这些病害不是穿透性的，对拉索钢丝影响不大；
b．当护套病害严重，甚至露丝时，就会发生拉索钢丝病害，包括钢丝镀锌氧化、钢丝锈蚀、钢丝锈断等。
针对上述两种病害，可以把拉索病害检测分为表观检测、深入检测两种。
2．1拉索病害表观检测
由于钢丝位于拉索护套严密包裹中，因此拉索表观检测仅能对拉索护套外表进行检测。其目的就是要找出拉索护套存在的各种病害，特别是拉索护套的破损处，因为它会造成拉索内部钢丝锈蚀，影响拉索承载能力。拉索表观检测的步骤如下：
1．安装调试拉索检测车；
2．乘检测车对拉索进行检测，在发现拉索护套病害处，用油漆标记并进行拍照；
3．记录拉索病害的位置和类型，并对病害尺寸进行测量；
通过表观检测，发现该桥斜拉索存在以下病害：
1．拉索护套橡胶表面存在刮痕(如图1)；
2．拉索护套橡胶出现凹坑，有的凹坑边缘存在破损(见图2)；
3．拉索护套翘皮(见图3)；
4．拉索护套橡胶开裂，开裂包括纵向开裂、横向开裂(见图4、图5)；
5．拉索护套开裂处渗水(见图6)。
通过分析可知，拉索护套病害产生的原因有以下几类：
1．该桥为早期建造斜拉桥，采用氯磺化橡胶工艺属首次尝试，难免有不周之处；
2．施工操作不规范，如拖拉斜拉索等，造成护套表层刮痕乃至破损；
3．检测车设计不合理，在拉索检修过程中，对拉索护套也会造成损伤；
4．在紫外线与酸雨作用下，护套橡胶加速老化；
5．拉索护套受到风雨激振、荷载、温度等的联合作用，在老化或缺陷处加速劣化过程；
6．护套内进水后，钢丝锈蚀，铁锈体积膨胀，索套与钢丝脱离，形成空鼓。
2．2拉索病害深入检测
国内外研究资料表明，拉索钢丝对锈蚀非常敏感，锈蚀是拉索寿命降低的主要原因，德国汉堡的Kohlbrand Estruary桥，委内瑞拉的Maracaibo桥，国内的海印桥、新五桥、三台涪江桥均出现过拉索严重锈蚀事故。因此，在拉索表观检查得到的拉索护套缺损状况的基础上，挑选护套破损处，作为拉索钢丝锈蚀可疑位置进行深入检测。拉索病害深入检测步骤如下：
1．到达预定的剖索位置；
2．剖开破损处的拉索护套，剖开的角度、宽度和长度以能够暴露出破损范围内锈蚀程度最危险的截面为准；
3．对剖开位置的锈蚀钢丝进行拍照：
4．用小锤轻轻敲击钢丝锈迹，用钢丝刷清除钢丝表面碎屑，最后用棉纱清除锤击后暴露出来的锈蚀钢丝表面粉尘；
5．根据敲击前后锈蚀钢丝的表面状态，再对照锈蚀评级标准在预先绘制的拉索截面图上标记拉索外圈钢丝锈蚀程度分布。
2．3检测结果小结
通过对该斜拉桥拉索系统的检测可以发现：
1．该桥斜拉索为工地制索，由于制作工艺的不完善，其橡胶护套与钢丝间出现空隙，这为拉索存水提供了空间；
2．该桥斜拉索的锈蚀状况较为严重，不但存在严重的截面削弱，而且存在多根钢丝锈断的情况；
3．在所有拉索中，长索出现病害的概率较大，锈蚀等级也较高。这是由于长索的振动频率比短索低，更容易发生各种类型的振动，振动过程中，破损位置将加速破坏，同时也使索内残留的积水流向更封闭的部位，使锈蚀更加严重；
4．发生严重锈蚀的拉索通常会存在一系列的严重锈蚀截面，甚至发生通长的锈蚀；
3 拉索退化程度分析与评估
3．1锈蚀评级标准
拉索钢丝在锈蚀过程中，随锈蚀程度的不同表现出不同的力学性能和外观表征。针对这一特点，参考国内外文献资料，对该斜拉桥镀锌高强钢丝制订8级锈蚀等级，相关定义、强度折减及标识见表1。
3．2分析与评估
根据《城市桥梁养护技术规范CJJ99－2003》中有关斜拉桥部分之规定：“当一根拉索内已断裂的钢丝面积超过拉索钢丝总面积的2％时，或钢丝锈蚀造成该拉索钢丝总面积损失超过10％时，必须换索。”
依据以上标准，对该桥拉索的锈蚀程度进行评价，将不同锈蚀等级的钢丝依据其强度折减系数换算成相应的截面面积损失，据此评价拉索损坏程度，确定是否需要更换拉索。
在实际检测过程中，由于拉索受力很大，钢丝处于绷紧状态，加之检测车空间又狭小，所以无法剖开拉索外圈钢丝对拉索内部锈蚀情况进行观察，因此记录时，仅能记录外圈钢丝的锈蚀状况(见图7)。但是，钢丝之间存在空隙，护套与外圈钢丝之间的水份也可能深入拉索内部。考虑到这种情况，假定次外圈钢丝的锈蚀等级较外圈钢丝低一个等级。实际评估中，按两套计算模式计算钢索的锈损面积。计算模式一仅根据外圈钢丝的锈蚀程度计算拉索的截面损失情况；计算模式二首先根据外圈钢丝的锈蚀程度推测次外圈钢丝的状态，然后根据两圈钢丝的锈蚀程度计算拉索的截面损失(见表2)。
4 病害处治方案
根据该桥拉索系统目前的技术状态，针对病害制定两种处理方案
方案一：一次性换索。更换目前所有拉索及锚头。
优点：结构使用安全度高，后期维护简单。
缺点：一次性投入费用高，部分拉索提前更换造成一定浪费。
方案二：两次换索。部分更换拉索及锚头。
优点：一次性投入费用低，拉索得到充分利用。
缺点：由于腹板内索段无法检测，保留拉索的安全性难以把握。新老拉索共同使用时受力较复杂。另外，采用的技术措施较多，有换索、护套修补及下锚头防水。对后期养护要求高。与方案一相比，两次换索总体费用要高。两次换索时间间隔较短，会带来一定的社会影响。
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