【技术探讨】运营期斜拉桥索力测试与索体锈蚀检测

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我国在20世纪70年代开始修建斜拉桥,通过建成主跨76m、56m的两座试点桥梁,探索并逐渐取得斜拉桥设计和施工经验。改革开放后,随着经济社会发展与基础设施投入加强,以及工程材料与施工工艺的持续进步,国内斜拉桥建设取得飞速发展,诞生了苏通大桥(主跨1088m)、昂船洲大桥(主跨1018m)等一批具有世界影响力的超大跨径斜拉桥。


斜拉桥是典型的组合结构,上部结构以索塔、主梁、拉索系统等为基本组成部件,通过索塔引出的拉索作为主梁跨内的弹性支承,使主梁跨径显著降低并减小梁内弯矩,明显提高桥梁的跨越能力。根据索面空间位置,斜拉桥有多种结构型式,大致分为单索面、双索面、三索面(例如天兴洲大桥)及多索面(例如嘉绍大桥),尤其以前两者最常见。单索面布置在桥梁中央分隔带上,下端锚固于桥面下部,这种布置使桥面简洁开阔、行车视线好,尤其在采用塔梁墩固结体系后,提高了施工稳定性,使单索面斜拉桥在中等跨径桥梁中较有竞争力,例如广州海印大桥、重庆石门大桥等。采用双索面布置时,下锚固点可放置在主梁两侧,两个倾斜索面加强了结构抗扭刚度,主梁不必采用箱形断面,结构抗风稳定性也能得到保证,双索面成为大跨径斜拉桥最广泛采用的型式。


拉索是重要的承载构件,通常由抗拉强度高、疲劳强度好和弹性模量大的高强钢丝、钢绞线等钢材外裹防护层制作而成。在桥梁运营中,防护体系破损、雨水渗漏、湿气侵入等都会引起或加速拉索内部的锈蚀过程,导致斜拉索力学性能退化、使用寿命降低,影响斜拉桥的使用安全。由于斜拉索具有密闭、细长的构造特点,以外观检查为主的定期检查难以发现其内部缺陷和隐蔽病害,开展斜拉索专项检测成为斜拉桥养护决策的重要补充。


在此以我国在役单、双斜拉桥为背景,在定期检查的基础上,分别进行恒载索力测试与索体锈蚀检测,进一步评价斜拉索的工作状态,为桥梁针对性的养护和维修提供参考。




  依托工程概况  


(一)案例桥梁主要特征

本文采用单、双索面混凝土斜拉桥为例进行分析。两桥均建成于2009年,斜拉索均采用Ф7高强镀锌平行钢丝、外挤双层PE护套,锚具均为冷铸墩头锚。其它技术特征简介如下。


桥例A为双塔单索面斜拉桥(塔梁固结体系),见图1,桥梁原设计荷载城-A级(公路-I级验算)、人群荷载2.5kN/m2。桥梁全长590m,跨径布置为100m+340m+150m,桥面横向全宽25.5m,主梁为单箱单室预应力混凝土箱梁(图2),塔高分别为126.4m、178.4m。全桥共106根斜拉索(矮塔共20对、高塔共33对)。

图1 单索面斜拉桥实景 


图2 单索面斜拉桥主梁断面 


桥例B为双塔双索面斜拉桥(飘浮体系),见图3,桥梁原设计荷载公路-I级(城-A级验算)、人群荷载3.0kN/m2。桥梁全长850m,跨径布置为200m+450m+200m;桥面横向全宽22m,主梁为整体开口π型梁(图4),梁高2.7m,主梁纵向每4m设置一道横隔板,各梁段采用C55、C60混凝土;桥塔为H型,塔、墩固结,塔柱与塔墩分别采用C50、C40混凝土;全桥共110对斜拉索,索面呈扇形布置,梁上标准间距8m,塔上锚固间距1.6m。


图3 双索面斜拉桥实景 


图4 双索面斜拉桥主梁断面 


(二)斜拉索外观检查情况

自运营以来,管养单位按照JTG H11-2004《公路桥涵养护规范》和JTG/TH21-2011《公路桥梁技术状况评定标准》,委托有关机构对上述桥梁进行了定期检查,积累了一些运维资料。各年度定检结果表明,案例桥梁总体技术状况等级均维持在3类以内。


以本年度定检为例,斜拉索系统的表观病害情况作如下介绍。


对于桥例A,图片从左往右,依次是P1/P2/P3/P4塔。P2塔的拉索从短到长依次为W01-W20(边跨侧)、WM01-WM20(中跨侧),P3塔的拉索从短到长依次为E01-E33(边跨侧)、EM01-EM33(中跨侧),见图5。

图5 单索面斜拉桥检测构件


对于桥例B,图片从左往右,依次是Y0/Y1/Y2/P1/P2/P3/P4/Y3/Y4塔。P2、P3塔的边跨斜拉索从短到长依次为W0-W27、E0-E27,P2、P3塔中跨斜拉索从短到长依次为WM1-WM27、EM1-EM27,该桥的双索面按上、下游侧分别进行区分,见图6。 


图5 双索面斜拉桥检测构件


1.斜拉索PE护套以人工目测为主,结合高倍望远镜、登高车等辅助设备对所有斜拉索进行外观检查。对于桥例A,全桥共85根拉索PE套局部破损(城区侧29根、江东侧56根),7根拉索PE套开裂(城区侧4根、江东侧3根)。对于桥例B,全桥共33根拉索PE护套存在环向裂纹(上游侧18根、下游侧15根),73根拉索PE护套损伤、划痕(上游侧33根、下游侧40根)。 
2.下锚头结合抽样要求和现场条件,按抽样率选取部分下锚头进行外观检查。对于桥例A,按5%抽样后发现下锚头病害较明显,故抽样率提高到20%,共打开22个下锚头进行检查。经检查发现下锚头锚杯内、外丝均有不同程度锈蚀,部分锚杯有破损、积水和防锈油老化、平行钢丝头锈斑等病害,其中E25、E31下锚头内丝锈蚀较严重,见图7。

图7 锚杯内丝锈蚀


对于桥例B,本次按5%抽样,共打开11个下锚头进行外观检查。结果表明,上游侧P2塔WM2、WM3、WM5、WM9拉索,P3塔E5、EM1、EM9拉索,下游侧P3塔EM1、EM12、E9、E11拉索,对应的下锚头均存在锚箱锈蚀,锚头内平行钢丝头不同程度锈蚀、不平整,锚头防锈油填充不饱满、老化等病害,见图8。

图8 锚头防锈油不饱满




  斜拉索恒载索力测试  


(一)索力测试方法

拉索是斜拉桥的重要受力构件,索力变化是衡量斜拉桥正常运营的重要标志。索力测试主要有压力表法、压力传感器法、磁通量法、频率法等,其中,频率法操作简单、费用低和可复测,特别适用于运营期的索力测试,其精度满足工程要求。


根据弦振动理论,张紧斜拉索的动力平衡方程为:

为拉索长度方向的纵坐标。若不计拉索抗弯刚度 ,上式简化为:

 w为单位索长重量(N/m),l为计算索长(m),n为振型阶次。


现场利用附着在拉索上的传感器,采集人工激励下的拉索振动信号,经过滤波、频谱分析得到自振频率 ,再利用式(2)确定索力 ,这就是频率法测索力的主要原理和流程。 


(二)索力测试结果

本次在夜间封闭交通的条件下对所有拉索进行恒载索力测试。由于缺乏0#索成桥索力资料,本次只与上年度实测索力进行对比。以上次实测索力为基准,索力实测值偏差=(本次值-上次值)/上次值。本次、上次测试气温分别为24℃、17℃。


对于桥例A,本次实测索力见图9~图10,本次P2、P3塔拉索索力总和分别为246792kN、395503kN,总索力偏差=0.3%、1.9%;1#塔单根拉索索力偏差=-6.3%~6.2%,其中>5%共3对(占总数的5.7%);2#塔单根拉索索力偏差=-7.6%~13.5%,其中>5%共11对(占总数的20.8%)。由此可见,本次与上次总索力实测值比较接近,两次实测索力沿主塔总体分布规律基本一致,索力分配未见明显异常。 

图9 本次P2塔的拉索实测索力(桥例A)

图10 本次P3塔的拉索实测索力(桥例A)


对于桥例B,本次实测索力见图11~图12,上下游实测索力沿主塔两侧总体分布规律基本一致,斜拉索受力沿纵桥向和横桥向基本对称,索力分配未见明显异常。其中,上下游实测索力偏差为:≤5%共82对(占总数的74.5%),5%<≤10%共18对(占总数的16.4%),>10%共9对(占总数的8.2%)。

图11 本次实测索力(桥例B)

图12 两次实测索力比较(桥例B)


对于桥例A、B,本次与上次实测结果相比,恒载索力总和偏差很小、单根索力偏差较大,这是由于两次测量的温度不同、短索计算参数选取不同及仪器误差造成。




  斜拉索索体锈蚀检测  


拉索系统在运期间承受交变载荷并暴露于自然环境中,索内钢丝可能会受环境腐蚀而破坏,引起结构安全隐患。由于目测法只能检查拉索护套外观,不能判断拉索内部损伤,索力测试主要反映松弛引起的索力变化,无法判断缆索缺陷类型和位置,而常规的破损开窗检查会对护套造成较大损伤,且单次检测范围小、效率低,为进一步了解拉索内部缺陷现状,本次采用磁致伸缩导波法进行拉索锈蚀检测。


磁致伸缩导波法[7-8]是近年来出现的索体无损检测方法,不需拆除PE护套就可对整根拉索实现单点激励长距离的高效检测,见图13。参考GB/T 28704-2012《无损检测规范》[9],通过回波信号建立拉索状态和评定标度的对应关系,建立I~V共5级评定标度,I级表示拉索无锈蚀活动或锈蚀活动性不确定,V级表示拉索严重锈蚀并且存在大量断丝可能性极大。



图13 磁致伸缩导波检测原理


对于桥例A,按5%抽样率选取5根拉索进行检测,索号分别为E3、E4、W1、W3、EM7,外径均为125mm。结果表明这5根拉索状况良好(评定标度为I),相应检测波形见图14。

图14 拉索锈蚀检测波形(桥例A)


对于桥例B,按4.5%抽样率选取10根拉索进行检测,索号分别为上游侧W1、W2、WM2、EM1、E5,下游侧W2、W5、WM7、EM6、E1,外径为111~113mm。结果表明下游侧W2索、上游侧WM2索的锈蚀状态不确定、可能存在局部锈坑(评定标度为II),检测波形见图15,其余8根索状况良好(评定标度为I)。

 图15 拉索锈蚀检测波形(桥例B)




  结语  


上述专项检测过程,进一步提供了斜拉索的受力状态和锈蚀状态等信息,为合理判断斜拉索系统的工作状态并制定针对性的养护决策提供技术依据。综合外观检查、索力测试与索体锈蚀检测过程和结果,可得如下结论:(1)根据JTG/TH21-2011《公路桥梁技术状况评定标准》,桥例A、B的斜拉索系统分别评为四类、三类部件,主要原因是某些斜拉索构件同时有PE护套破损、开裂与下锚头锚杯锈蚀、防锈油老化等病害,导致部件评分较低,建议日常养护中加强斜拉桥下锚头所在桥面的防排水处理。 (2)桥例A、B的实测恒载索力较上年度实测值总体接近,索力分配无异常,但频率法对短索索力测试误差可能较大。(3)磁致伸缩导波检测法是定性了解斜拉索内部锈蚀的一种途径,但在确定锈蚀部位及量化锈蚀面积等方面,还需进一步研究。

资料来源:《中国公路学会养护与管理分会第十一届学术年会论文集》,选自《斜拉桥运营期的索力测试与索体锈蚀检测》,作者:彭伟,高级工程师,博士,重庆安济建设加固工程有限责任公司、重庆交通大学土木工程博士后科研流动站

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作者: adminqy

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