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幾乎所有的服役橋梁，其拉索都存在不同程度的病害。眾多橋梁由于管養不善，導致拉索病害日益發(fā)展。相當一部分建成后短時(shí)間內出現嚴重的問(wèn)題，不得不提前大修，甚至提前換索，浪費極大。此類(lèi)結構隱患，致使結構垮塌也屢見(jiàn)不鮮，嚴重威脅著(zhù)工程及人民生命財產(chǎn)的安全[1]。
橋梁拉索常見(jiàn)的病害有：下端預埋管水患與拉索（索體與錨頭）腐蝕、HDPE護套老化與應力開(kāi)裂、拱橋短吊桿問(wèn)題、拉索風(fēng)雨激振、懸索橋主纜系統腐蝕等。 腐蝕是影響拉索壽命的主因 下端預埋管水患 下端預埋管水患是指斜拉橋、拱橋、懸索橋等梁端預埋管，因水或水汽造成拉索索體與錨頭腐蝕的病害。一般來(lái)說(shuō)，預埋管水患是雨水直接流入預埋管內浸泡拉索與錨頭，或因預埋管處的密封性缺陷，大氣中的潮濕空氣進(jìn)入預埋管內后，造成預埋管內潮濕度升高，或冷凝積水。下端預埋管水患是最為普遍存在的現象，也是影響橋梁拉索使用壽命與安全的最大威脅。 下端預埋管水患的形成主要原因有： 下端防水罩存在質(zhì)量問(wèn)題，或因未及時(shí)維修、未按要求施工導致其喪失防水功能，雨水直接流入預埋管內，浸泡拉索與錨頭。以往的設計理念認為，下端預埋管應設置排水構造。然而，實(shí)踐經(jīng)驗告訴我們，排水孔長(cháng)期使用后，堵塞嚴重，無(wú)法排水。例如福州青州閩江大橋80%以上的下錨頭發(fā)現下雨后都有積水[1]；柳州文惠橋自建成后，水長(cháng)期浸泡下端錨頭，梁底長(cháng)期滴水，不到10年時(shí)間形成35cm長(cháng)的鐘乳石狀結石[1]；泉南高速公路南寧六景大橋積水充滿(mǎn)整個(gè)預埋管；瑞典烏德瓦拉橋（UddevalaBridge）也是不斷有雨水進(jìn)入下端錨頭[4]；南昌八一大橋因防水罩失效，下端預埋管內長(cháng)期潮濕度高，造成斜拉索下端錨頭銹蝕嚴重，2009年全面換索；杭瑞高速公路九景段鄱陽(yáng)湖大橋也因防水罩失效，下端預埋管長(cháng)期積水，后經(jīng)系統、專(zhuān)業(yè)技術(shù)養護，拉索得到有效保護。其中，鄱陽(yáng)湖大橋通過(guò)專(zhuān)業(yè)技術(shù)養護有效延長(cháng)拉索的使用壽命，保證橋梁的使用安全，對結構管養啟示頗多。 HDPE護套老化與應力開(kāi)裂 HDPE（高密度聚乙烯）護套主要功能是防護拉索。上世紀80年代，自廣州海印大橋斜拉索采用HDPE護套后，我國開(kāi)始在平行鋼絲類(lèi)拉索上大量應用。之后幾年，業(yè)內人士發(fā)現，拉索HDPE護套與電纜的護套完全不同，拉索的HDPE護套在使用后的短短幾年內就出現嚴重的老化和開(kāi)裂。雨水進(jìn)入拉索內部，造成拉索鋼絲銹蝕。橋梁拉索HDPE護套之所以較電纜護套更容易老化與應力開(kāi)裂，排除材料、加工工藝等等因素外，最根本的原因就是橋梁平行鋼絲拉索的結構特點(diǎn)。當拉索掛索張拉后，HDPE護套隨索體受力伸長(cháng)，HDPE護套長(cháng)期處在3～5Mpa以上的應力狀態(tài)下工作（如果HDPE護套加工冷卻不當可達9Mpa）。 HDPE護套老化的特征是護套表面出現不規則的網(wǎng)狀裂紋，HDPE材料延性、機械強度等力學(xué)性能指標大大降低。影響HDPE護套老化的因素一般與材料的性能、擠塑成型工藝（加熱溫度、 加熱時(shí)間、冷卻方式與冷卻時(shí)間）、使用環(huán)境（紫外線(xiàn)強度、雨水沖淋、腐蝕、內應力）等有關(guān)。 HDPE護套開(kāi)裂的特征是護套環(huán)向應力開(kāi)裂，HDPE材料延性、機械強度等力學(xué)性能指標沒(méi)有明顯下降。影響HDPE護套環(huán)向應力開(kāi)裂的因素與影響老化的因素基本相同，但最主要的因素是材料的耐環(huán)境應力開(kāi)裂性能、內應力的大小和紫外線(xiàn)的強度。HDPE護套的老化與應力開(kāi)裂一般從迎光面開(kāi)始。 提高拉索HDPE護套使用壽命可采取以下方法與措施： 1.不同的HDPE材料，其耐環(huán)境應力開(kāi)裂性能指標迥異。一般來(lái)說(shuō)，HDPE材料應力開(kāi)裂性與其環(huán)境應力開(kāi)裂性能指標正相關(guān)。然而，由于認識不足，我國早期的橋梁拉索標準要求HDPE材料耐環(huán)境應力開(kāi)裂性能僅為1500h。工程經(jīng)驗證明，橋梁拉索用HDPE材料耐環(huán)境應力開(kāi)裂性能應達到5000h以上。 2.HDPE護套在熱擠塑成型冷卻時(shí)有殘余的內應力，正常使用時(shí)受到拉應力。高分子材料在長(cháng)期連續拉應力及環(huán)境因素的作用下，聚合物分子的結合能力下降，分子結合鍵斷裂，應力開(kāi)裂。環(huán)境應力開(kāi)裂試驗證明[1]，當應力水平降到一定程度時(shí)，高分子材料開(kāi)裂時(shí)間理論上趨向持久極限、永不開(kāi)裂。天津永和公路大橋，其斜拉索PE護套在無(wú)張拉應力狀態(tài)下使用20年也未開(kāi)裂和老化。實(shí)際工程已證明，單元式鋼絞線(xiàn)類(lèi)型的拉索，大、小HDPE護套在無(wú)粘結和半無(wú)粘結狀態(tài)下工作，服役30年以后，也未發(fā)現HDPE護套環(huán)境應力開(kāi)裂。因此，如果條件允許，橋梁拉索使用的HDPE材料應避免與結構參與共同受力。 3.HDPE護套損傷就是一個(gè)潛在的開(kāi)裂源。所以，應做好應有的防護措施，避免在生產(chǎn)、運輸、安裝等過(guò)程中損傷HDPE護套。目前，大多數的HDPE護套損傷后都采用二次熱熔修補。我們已經(jīng)知道，HDPE材料二次熱熔其性能有較大的下降，所以，修補后的HDPE護套更易老化，更易開(kāi)裂，開(kāi)裂時(shí)間會(huì )更短。如果條件允許，建議采用纏包方法修復HDPE護套。 4.紫外線(xiàn)的照射會(huì )加速HDPE護套的老化與應力開(kāi)裂。采用纏包方法不僅可以修復受損的HDPE護套，更可以隔離紫外線(xiàn)、雨水和腐蝕性氣體對HDPE護套的浸蝕作用，實(shí)現HDPE護套與索體同等壽命?，F役橋梁，如果HDPE護套出現老化與應力開(kāi)裂的問(wèn)題，在未產(chǎn)生開(kāi)創(chuàng )性裂紋時(shí)，纏包修復是行之有效的辦法。 拱橋短吊桿問(wèn)題 對于中（下）承式拱橋來(lái)說(shuō)，橋面系及荷載是通過(guò)吊桿承受的。當溫度變化時(shí)，橋面系將產(chǎn)生縱橋向的縱向位移，吊桿擺動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，拱圈端吊桿是固定不動(dòng)的，吊桿擺動(dòng)量與橋面系的縱向位移、吊桿的長(cháng)度有關(guān)。橋面系的縱向位移量越大，吊桿的長(cháng)度越短，吊桿的擺動(dòng)角度就越大。此時(shí)，吊桿的附加應力就越大。宜賓小南門(mén)金沙江橋2001年部分橋面垮塌就是因短吊桿斷裂造成。吊桿斷裂時(shí)為凌晨溫度最低點(diǎn)，橋面縱向位移量大，短吊桿的附加應力也大。邕寧邕江大橋短吊桿擺動(dòng)明顯，可以看到，短吊桿的擺動(dòng)已造成吊桿破損、拱圈混凝土迸裂。拱橋設計規范沒(méi)有明確規定短吊桿的設計要求，目前也沒(méi)有更多的實(shí)驗數據。一般原則是： 1.短吊桿極限擺動(dòng)造成吊桿的總應力水平不應超過(guò)0.5σb。 2.結構條件允許的前提下，短吊桿應盡量設置長(cháng)一點(diǎn)。短吊桿宜長(cháng)不宜短。 3.短吊桿宜采用柔性吊桿，避免用剛性吊桿。 4.短吊桿盡量設置可擺動(dòng)的球形鉸，減小橋面系縱橋向位移時(shí)，吊桿的附加應力和安裝時(shí)消除施工誤差。 拉索風(fēng)雨激振 橋梁拉索由于質(zhì)量、剛度和阻尼都較小，易發(fā)生振動(dòng)。尤其是在風(fēng)雨共同作用下拉索發(fā)生大幅度風(fēng)雨激振的概率較高。我國南京長(cháng)江二橋、湖南洞庭湖大橋的斜拉索曾經(jīng)發(fā)生過(guò)較大的風(fēng)雨激振。 由于振幅大、破壞性大，斜拉索風(fēng)雨激振嚴重威脅斜拉橋的安全，已經(jīng)成為大跨度斜拉橋設計中最為關(guān)注的問(wèn)題之一。然而，橋梁拉索風(fēng)雨激振的機理目前尚未能完全解釋?zhuān)兴€(xiàn)馳振、渦激振動(dòng)、軸向流等理論。有學(xué)者歸納了斜拉索發(fā)生風(fēng)雨激振的研究成果[5]： 1.大中小雨的情況都可能發(fā)生索振； 2.索振主要發(fā)生在外包包裹為聚乙烯套管的索上； 3.振動(dòng)頻率為0.6～3.0Hz之間，一般為單階振動(dòng)； 4.風(fēng)速范圍約6～18m.s-1; 5.索振動(dòng)主要是面內振動(dòng)； 6.風(fēng)雨激振中，索的運動(dòng)呈現出“拍”的現象； 7.發(fā)生風(fēng)雨激振的斜拉橋一般位于紊流不太大的地方: 8.索的運動(dòng)引起水線(xiàn)在索表面的周?chē)袷?，水線(xiàn)運動(dòng)與索運動(dòng)的方向相反。 抑制橋梁拉索風(fēng)雨激振的基本方法與措施是： 1.改變拉索的表面形狀，來(lái)改善拉索空氣動(dòng)力學(xué)特性。最有效的辦法是在拉索表面設置雙螺旋線(xiàn)或凹坑，阻止水線(xiàn)形成: 2.增加拉索減振阻尼裝置； 3.可將拉索之間用輔助索相互連接。 鋼絞線(xiàn)拉索,因每一根絞線(xiàn)的固有頻率不同,絞線(xiàn)與絞線(xiàn)之間的空隙形成相互的阻尼作用，發(fā)生大幅振動(dòng)的概率很低。 懸索橋主纜系統腐蝕 主纜系統是懸索橋最重要的承載構件，由于它的不可更換性，必須與橋梁結構同壽命。然而，懸索橋主纜系統的使用現狀不容樂(lè )觀(guān)。據了解，我國幾乎所有的懸索橋主纜系統都存在腐蝕病害。國外懸索橋主纜也普遍存在主纜鋼絲腐蝕的問(wèn)題[2]。美國紐約市運輸局的一份關(guān)于懸索橋纜索狀況的報告得出結論：由于腐蝕，紐約市區幾乎所有的大型懸索橋都存在強度損失的問(wèn)題，主纜強度損失的范圍從微乎其微到35%[6]。 懸索橋主纜系統的基本構造如圖3所示。它由主纜段、散索段與錨碇段三大部分組成。 主纜段是由Φ5.2的多股高強鋼絲組成(PWS法)，塔頂處跨過(guò)索鞍，主纜裝有索夾通過(guò)吊桿（索）連接橋面系。主纜一般采用強度1670MPa以上級別的φ5高強鍍鋅鋼絲組成，緊纜后安裝索夾，涂防腐膩子，纏絲后涂外防護層。緊纜后鋼絲與鋼絲之間仍存在縫隙，按規定空隙率在索夾處不大于18%，在索夾外不大于20%。 散索段經(jīng)過(guò)散索鞍（套）后分成單元索股，與錨碇連接件連接。 錨碇段已普遍采用新型的預應力式錨碇系統，一般由多股預應力束組成，張拉后通過(guò)連接板與主纜索股連接，可調可換。 圖3 懸索橋主纜基本構造 1.主纜段的主要病害： ①由于主纜鋼絲縫隙、索夾縫隙、索鞍縫隙的實(shí)際存在，懸索橋主纜已經(jīng)是實(shí)際意義上的開(kāi)放式主纜。水和氧氣可通過(guò)這些縫隙以及散索段處的鋼絲縫隙，暢通無(wú)阻地進(jìn)入主纜鋼絲內部，實(shí)現交換，造成鋼絲生銹。日本的因島橋、美國的多座懸索橋，均發(fā)現主纜內部有積水或潮濕度高，主纜鋼絲發(fā)生不同程度銹蝕； ②懸索橋的主纜由于施工積水也會(huì )造成主纜鋼絲生銹: ③外層防護膩子易于老化，開(kāi)裂，脆化失效[7]。水和氧氣也可進(jìn)入主纜鋼絲內部，造成主纜鋼絲生銹。香港青馬大橋也出現過(guò)類(lèi)似問(wèn)題，涂層開(kāi)裂，主纜進(jìn)水[8]； ④索夾滑移而產(chǎn)生的不可恢復的縫隙，水進(jìn)入主纜內部，造成主纜鋼絲生銹。 2.散索段的主要病害： 目前，所有的主纜散索段索股只有簡(jiǎn)單的防腐措施，索股鋼絲長(cháng)期與水汽直接接觸。雖然有些橋設有除濕系統，但大部分懸索橋，尤其是早期的懸索橋和自錨式懸索橋，沒(méi)有設置除濕系統，主纜鋼絲長(cháng)期在潮濕環(huán)境中使用。 ①大型橋梁錨室空間龐大，除濕效果不盡如人意，很多錨室內濕度達不到預定指標，特別是索股內部的潮濕氣體難于排出。因此，應完善除濕系統的設計與配置，以期達到預期的除濕效果。 ②隧道式錨碇，濕度大，水患嚴重?，F役工程已證明，很難滿(mǎn)足濕度要求。 ③除濕設備還須日常維修、維護與更新。要保持周?chē)h(huán)境相對濕度在60%以下，除濕設備須長(cháng)期24小時(shí)不間斷運行，運行成本很高。筆者調查發(fā)現，很多橋梁，甚至是特大型橋梁，除濕系統形同虛設。 3.錨碇段的主要病害是水患： ①抽水系統未運行，或沒(méi)有抽水系統，導致錨碇積水或增大錨室潮濕度。 ②沒(méi)有排水措施。尤其是隧道式錨碇，水量大，水浸泡錨碇。筆者認為如有需要，錨碇應設置排水系統。 ③大多數現役橋梁，其錨碇前后錨面，都未設置有方便操作的檢修通道或構造，給日常維護和檢查帶來(lái)諸多不便。 新型的預應力錨碇系統，由于采用全防腐可更換式結構，其防腐性能、安全性能有了本質(zhì)性的變化。 |
