斜拉橋斜拉索的主要病害及成因分析
2015-06-09
1.拉索病害及成因分析
在斜拉橋設(shè)計(jì)、施工和使用過(guò)程中，盡管對(duì)斜拉索采取了各種防腐、減隔振措施，但由于方法、工藝、材料等不合理，使得斜拉索病害已成為制約斜拉橋使用壽命的關(guān)鍵性因素。因此，分析斜拉索病害原因，在設(shè)計(jì)、施工和使用斜拉橋時(shí)給予足夠的重視，并采取各種有效措施延長(zhǎng)拉索的使用壽命。
1.1拉索腐蝕
腐蝕是物質(zhì)與介質(zhì)作用而引起的變質(zhì)或破壞。由于腐蝕過(guò)程是自發(fā)的，所以在斜拉橋整個(gè)壽命期內(nèi)，拉索的腐蝕破壞將會(huì)始終存在。
?、倮鞲g部位
拉索鋼絲腐蝕程度基本上取決于橡膠護(hù)套的破損程度，因?yàn)檫@是雨水或露水順鋼索流入或滲入護(hù)套內(nèi)產(chǎn)生的結(jié)果，所以鋼絲腐蝕有兩個(gè)明顯特點(diǎn)：腐蝕程度大體遵循“上輕下重”規(guī)律，即處于較高位置的鋼絲腐蝕較輕，處于較低位置的鋼絲腐蝕較重；腐蝕較嚴(yán)重的部位，往往是靠近護(hù)套破損的部位以及破損處以下的一段部位。
?、诶鞲g成因
拉索遭受腐蝕的原因，主要是因?yàn)榉雷o(hù)系統(tǒng)老化而出現(xiàn)大量的微孔、裂紋或裂縫，從而不能有效地隔絕空氣、水汽、水和腐蝕介質(zhì)。這些物質(zhì)進(jìn)入護(hù)套后，容易在鋼絲表面形成水膜，使鋼絲發(fā)生電化學(xué)腐蝕，水膜中溶解的腐蝕介質(zhì)，如S02和橡膠揮發(fā)物，對(duì)鋅層腐蝕還有明顯加速作用。隨著橡膠防護(hù)套逐步老化，微孔、裂紋和裂縫大量出現(xiàn)，氣體、水分不斷進(jìn)入、水汽凝聚和腐蝕介質(zhì)溶解對(duì)鋼絲形成長(zhǎng)期的電化學(xué)腐蝕。長(zhǎng)期腐蝕的結(jié)果，形成嚴(yán)重腐蝕。
1.2拉索氫脆
斜拉索氫脆也是電化學(xué)現(xiàn)象，與腐蝕略有不同。產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象必須同時(shí)滿足環(huán)境、材料、應(yīng)力的條件才會(huì)發(fā)生。美國(guó)1940年在俄亥俄州樸次茅斯格蘭特將軍大橋發(fā)生的纜繩錨爪鞘開裂的事故，就是因?yàn)橛晁泻械奈⒘肯跛猁}附在纜繩上發(fā)生應(yīng)力開裂。氫脆是斷裂時(shí)間隨陰極變化而變短，應(yīng)力腐蝕開裂是斷裂時(shí)間隨陽(yáng)極變化而變短。
1.3拉索回縮
拉縮回縮主要是針對(duì)高強(qiáng)度熱鍍鋅鋼絲制成的拉索而言的。此類斜拉索在張拉過(guò)程中分絲板會(huì)與錨杯內(nèi)壁相接觸，分絲板除了承受拉力和冷鑄體的反力外，還將承受側(cè)向擠壓力和摩擦力，而分絲板厚度較薄，一般為20mm或25mm，這樣，分絲板常會(huì)因受力過(guò)大而變形，導(dǎo)致鋼絲回縮，影響斜拉索的疲勞壽命。
1.4拉索斷絲
與其他金屬材料一樣，拉索鋼絞線鋼絲也存在破壞失效的問(wèn)題。銹蝕是鋼絲破壞的一種最初表現(xiàn)，斷絲則是鋼絲破壞失效的一種直觀形式。造成斷絲現(xiàn)象的原因有多種：
?、俦P條本身的疏松、夾雜、氣泡、成分偏析等缺陷，這些缺陷若在生產(chǎn)過(guò)程中暴露，就會(huì)給成品鋼絲留下斷裂隱患點(diǎn)。
②為追求出材率和連續(xù)生產(chǎn)，對(duì)盤條采用焊接方式連接，這些焊接點(diǎn)也是鋼絲的斷裂隱患點(diǎn)(國(guó)內(nèi)對(duì)橋梁纜索用鋼絲提出了不允許盤條接頭的技術(shù)要求)。
?、墼谥扑骱图芩鬟^(guò)程中，由于牽引力作用，缺陷鋼絲會(huì)斷裂，或因扭絞、鉤掛等原因造成斷絲。
?、芎罄m(xù)施工(如拉索緊纜、安裝索夾、纏絲、拆卸工作等)操作不慎，也可能造成斷絲。
?、轄I(yíng)運(yùn)過(guò)程中動(dòng)態(tài)荷載作用，環(huán)境腐蝕，應(yīng)力腐蝕和疲勞等均會(huì)造成鋼絲在使用過(guò)程中斷裂。
1.5拉索滑絲
拉索滑絲主要發(fā)生在斜拉索張拉過(guò)程中，發(fā)生滑絲現(xiàn)象，其原因是多方面的，主要原因有：
①錨具硬度不合格，錨塞熱處理的硬度不合格。楔塊的松緊不一和挾握鋼絲部分附近有油污或楔塊不良也會(huì)產(chǎn)生滑絲。
?、阡摻z直徑誤差較大。若有的鋼絲直徑小，鋼絲往往卡不住而引起滑絲。
③動(dòng)力作用的影響。拉索受到動(dòng)力作用時(shí)，有可能松動(dòng)，造成滑絲，滑絲嚴(yán)重時(shí)可造成失錨。
1.6拉索振動(dòng)
斜拉索重量輕、阻尼小，振動(dòng)產(chǎn)生的荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其自重，常成為拉索設(shè)計(jì)的控制性荷載。斜拉索多暴露于大氣中，在風(fēng)或索錨固端運(yùn)動(dòng)作用下發(fā)生橫向振動(dòng)。隨著斜拉橋跨度的增加，拉索振動(dòng)愈加顯著。拉索的振動(dòng)對(duì)拉索本身，以及其它構(gòu)件都存在不容忽視的危害。
斜拉橋的拉索在自然因素和人為因素下會(huì)發(fā)生各種不同機(jī)制的振動(dòng)。目前探索出的斜拉索的振動(dòng)機(jī)制主要有自然因素引起的渦流激振、尾流弛振、風(fēng)雨振、參激振動(dòng)和受人為因素(如人群的運(yùn)動(dòng)、吊裝機(jī)具、車輛的運(yùn)動(dòng)、混凝土輸送泵的運(yùn)動(dòng)、混凝土振搗器的運(yùn)動(dòng)等)引起的抖振等五大主要類型。由于拉索的非線性因素較為明顯，參激振動(dòng)對(duì)拉索的影響也較大。
1.7拉索索力退化
斜拉索被稱作是斜拉橋的生命線。一座斜拉橋中，由于某些斜拉索索力退化，直接影響其它拉索的索力分布，且對(duì)主梁的線形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力等產(chǎn)生顯著的影響。
產(chǎn)生索力退化的原因有：
?、倮鞲g造成的拉索斷絲，使組成拉索的鋼絲數(shù)量減少。
②斜拉索疲勞引起的鋼絲強(qiáng)度退化。
③溫度影響導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生整體或局部的損傷，使有些斜拉索也會(huì)發(fā)生不同程
度的退化。
?、芾麇^固系統(tǒng)的松動(dòng)。
?、菹洛^頭嚴(yán)重滲水，產(chǎn)生的病害已使拉索系統(tǒng)受力狀態(tài)產(chǎn)生了嚴(yán)重退化。
?、奘┕み^(guò)程中梁體高程控制，不準(zhǔn)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，使結(jié)構(gòu)受力偏離設(shè)
計(jì)值。
?、咧髁壕植繌?qiáng)度與剛度變化，造成主梁線性變化所產(chǎn)生的拉索索力退化。
⑧索塔基礎(chǔ)的下沉，地震、臺(tái)風(fēng)以及交通事故等災(zāi)害的影響等。
1.8斜拉橋拉索滑移
矮塔斜拉橋拉索滑移的主要原因是主塔兩側(cè)施工荷載的差異導(dǎo)致斜拉索兩側(cè)不平衡索力。在施工階段，主塔鞍座索孔未灌注環(huán)氧砂漿，其抗滑移能力相對(duì)較弱，再者主塔鞍座處斜拉索抗滑移能力主要是由鞍座雙重管內(nèi)管與(斜拉索)鋼絞線之間摩擦力提供，當(dāng)主塔鞍座兩側(cè)斜拉索索力差超過(guò)它們之間摩擦力就會(huì)發(fā)生滑移。
2.拉索防護(hù)體系的病害及成因分析
對(duì)斜拉橋而言，拉索防護(hù)的好壞直接影響斜拉索的使用壽命。因此，要對(duì)拉索防護(hù)設(shè)施的病害進(jìn)行分析，力圖在設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中采取有效措施，從而延長(zhǎng)拉索的使用壽命。
2.1纏色涂層的病害
早期認(rèn)為鋼絲鍍鋅會(huì)引起氫脆而采用非鍍鋅密封鋼絲繩，錨頭采用熱鑄錨。鋼絲繩防腐措施為繩內(nèi)部充注紅丹及亞麻油，外部?jī)蓪油繉訛榧t丹和鄰苯二甲酸樹脂。其病害及原因如下：
?、俜栏繉颖∪趵匣霈F(xiàn)龜裂。
②熱鑄錨進(jìn)口處，灌錨防腐層被燒掉，錨口處密封不嚴(yán)，使腐蝕物進(jìn)入索體表面，腐蝕拉索。
?、劾麂P蝕出現(xiàn)斑點(diǎn)，下端錨口處嚴(yán)重應(yīng)力腐蝕并發(fā)生斷絲一腐蝕疲勞斷裂，從而造成纏色涂層脫落、開裂損壞。
2.2 PE管內(nèi)壓注水泥漿防護(hù)的拉索病害
有很多斜拉索采用鋼絲與PE外護(hù)套間壓注水泥漿的防腐措施。采取這種防腐措施的拉索，在成橋幾年后，拉索上通常會(huì)出現(xiàn)一些縱向裂縫。其主要原因有：
?、僮{壓力使PE管超變形；
?、诟邷剡M(jìn)行壓注施工，冬季低溫PE管收縮引起固向拉應(yīng)力；
?、跴E管壓注水泥漿的防護(hù)措施， PE管會(huì)隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)老化粉化等病害，使PE管減薄，減薄的PE管，在拉索振動(dòng)作用下，造成PE管開裂，從而降低其防護(hù)性能。
2.3熱擠塑雙層PE護(hù)層的病害
自20世紀(jì)90年代初開始，斜拉索防護(hù)在錯(cuò)誤教訓(xùn)中幾經(jīng)改善，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用鍍鋅鋼絲經(jīng)編絲纏包后熱擠塑雙層護(hù)層，有的雙層護(hù)層再加PVF帶纏包和涂裝。
目前熱擠塑雙層護(hù)層防護(hù)，經(jīng)實(shí)橋檢查仍有下述嚴(yán)重病害：
?、偻庾o(hù)套產(chǎn)生環(huán)狀開裂或PE層斷開，斷開有的達(dá)lcm寬，水從而進(jìn)入索體將鋼絲腐蝕。這種病害的原因是恒、活載拉應(yīng)力和擠塑高溫至使用最低溫度的溫差共同作用，又兼質(zhì)量低劣的高密度聚乙烯材料抗老化性能差。在國(guó)內(nèi)已建成的斜拉橋中已有數(shù)座橋斜拉索發(fā)生上述情況的病害。
?、谧鳛闇p振圈支撐的預(yù)埋管端口進(jìn)水，結(jié)果預(yù)埋管成為“貯水管"，進(jìn)而接長(zhǎng)管與錨杯口受水侵入，夾片群錨受水侵入，鋼絲、鋼絞線、錨杯、鍍?nèi)︿P蝕。預(yù)埋管內(nèi)、夾片錨防護(hù)罩加注石蠟或黃油，石蠟及黃油變質(zhì)，水仍然侵入。幾乎大部分斜拉橋斜拉索均存在不同程度的這種病害。
3.結(jié)語(yǔ)
在斜拉橋設(shè)計(jì)、施工和使用過(guò)程中，盡管對(duì)斜拉索采取了各種防腐、減隔振措施，但由于受拉索本身質(zhì)量、設(shè)計(jì)、工程施工及管理養(yǎng)護(hù)等諸多因素的影響，使得斜拉索病害己成為制約斜拉橋使用壽命的關(guān)鍵性因素。對(duì)斜拉橋而言，拉索的好壞直接影響斜拉索的使用壽命。因此，要對(duì)拉索防護(hù)設(shè)施的病害進(jìn)行分析，力圖在設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中采取有效措施，從而延長(zhǎng)拉索的使用壽命，防止病害的發(fā)生。
