楊海翼 仲 震 張寅峰 吳璞涵

（南京工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

斜拉橋是一種將主梁用許多拉索直接吊在橋塔上的橋梁，主要是由承壓的塔、受拉的索和承彎的梁體組合起來(lái)的一種結(jié)構(gòu)體系。作為一種拉索支撐體系，斜拉橋的跨越能力比梁式橋更大，在技術(shù)、結(jié)構(gòu)合理的跨徑范圍內(nèi)，斜拉橋的經(jīng)濟(jì)性比懸索橋更為優(yōu)越。斜拉索是斜拉橋的重要受力構(gòu)件，長(zhǎng)期承受橋梁結(jié)構(gòu)的自重和移動(dòng)荷載，但同時(shí)又因?yàn)槠溟L(zhǎng)期暴露在風(fēng)雨等自然環(huán)境中，容易受到不同原因的腐蝕，進(jìn)而演變成不同程度的破壞甚至斷裂。通常情況下，一座斜拉橋的設(shè)計(jì)使用年限為40 年，但受到以上種種因素的影響，斜拉橋往往都很難達(dá)到其設(shè)計(jì)的使用壽命。下文從斜拉橋面臨的嚴(yán)峻現(xiàn)狀、斜拉索的腐蝕性質(zhì)、腐蝕對(duì)力學(xué)性能的影響和拉索防腐蝕研究這四個(gè)角度，綜述了目前國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者的研究現(xiàn)狀。

1 斜拉橋面臨的嚴(yán)峻狀況

從目前各國(guó)已經(jīng)建成的斜拉橋拉索的情況來(lái)看，斜拉橋正在經(jīng)受拉索耐久性問(wèn)題的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)和威脅。1987 年，美國(guó)人Stafford 和Watson 對(duì)世界上近百座斜拉橋斜拉索進(jìn)行了外觀調(diào)查。之后在ASCE 的刊物《Civil Engineering》上發(fā)表文章，稱“全球范圍內(nèi)過(guò)去幾十年建造的近200 座斜拉橋因拉索腐蝕正面臨危險(xiǎn)”[1]。如在布魯克林大橋、威廉斯堡大橋和其它橋上就曾進(jìn)行過(guò)大量的腐蝕鋼絲維修工作。

我國(guó)第一座預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土斜拉橋——紅水河鐵路斜拉橋，運(yùn)營(yíng)十多年后發(fā)現(xiàn)如拉索防護(hù)套有深度裂紋等問(wèn)題，并對(duì)其中部分拉索進(jìn)行了更換。濟(jì)南黃河大橋由于拉索腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重，在通車十三年后更換了全部88 根拉索。廣東南海九江大橋在通車九年后的詳細(xì)的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)部分拉索腐蝕嚴(yán)重，先后更換了98根拉索[2]。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，20 世紀(jì)70 至90 年代初，我國(guó)修建的30 余座斜拉橋中，已經(jīng)加固修復(fù)的橋占65%，有4 座斜拉橋已經(jīng)拆除或已經(jīng)改成其它橋型，有46%的斜拉橋已全部或部分更換了斜拉索，尚有10 余座90年代后修建的斜拉橋需要換索。

2 腐蝕性質(zhì)

可以看出，腐蝕是影響斜拉橋拉索的一大重要因素，為了研究分析拉索腐蝕損傷甚至失效對(duì)其性能所產(chǎn)生的影響及斜拉索防腐蝕的具體措施，首先便要從腐蝕其本身性質(zhì)出發(fā)，研究腐蝕的特征及其機(jī)理，從而能夠更加精準(zhǔn)地進(jìn)行后續(xù)研究，對(duì)癥下藥。下面先對(duì)腐蝕的特征及目前研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。由于腐蝕是影響拉索性能的化學(xué)變化，其作用機(jī)理不容忽視，其次便是介紹目前腐蝕機(jī)理相關(guān)的研究現(xiàn)狀。

2.1 腐蝕特征

喬燕、孫傳智、繆長(zhǎng)青利用袁州大橋拆下的39 根腐蝕舊鋼絲，分析了蝕坑的物理分布特征與發(fā)展規(guī)律，對(duì)每一個(gè)蝕坑的長(zhǎng)度、寬度、深度等集合參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量與統(tǒng)計(jì)。最終研究結(jié)果表明腐蝕蝕坑的長(zhǎng)度與深度都隨著失重率的增加而增加，寬度隨著失重率的增加而降低[3]。

黃娟針對(duì)拉索高強(qiáng)鋼絲的腐蝕進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)不同腐蝕樣本中的鋼絲表面蝕坑的尺寸及宏觀參數(shù)和集合參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，研究了無(wú)氧情況下不同蝕坑的分布情況，并與氧氣充足時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。進(jìn)而發(fā)現(xiàn)蝕坑典型形態(tài)下的離散型較小，以及無(wú)氧條件下的蝕坑生長(zhǎng)速率顯著小于氧氣充足時(shí)的生長(zhǎng)速率[4]。

馮兆祥、于杰、繆長(zhǎng)青結(jié)合了實(shí)際的換索工程，對(duì)斜拉索的腐蝕情況進(jìn)行了評(píng)定與分析，并對(duì)蝕坑的發(fā)展進(jìn)行了討論，最終根據(jù)蝕坑分布特征分析總結(jié)了蝕坑的發(fā)展演變規(guī)律[5]。

2.2 腐蝕機(jī)理

李濤通過(guò)在室內(nèi)鹽霧加速腐蝕的實(shí)驗(yàn)，研究分析了加速腐蝕中鋼絲在不同條件下的多種動(dòng)力學(xué)特征和性質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，同時(shí)運(yùn)用細(xì)觀損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)電纜的周圍環(huán)境腐蝕、應(yīng)力腐蝕和疲勞腐蝕的性質(zhì)特點(diǎn)和機(jī)理等問(wèn)題進(jìn)行了綜合分析，得出“陽(yáng)極的腐蝕原電池反應(yīng)是交變應(yīng)力狀態(tài)下拉索損傷的主要機(jī)理”的結(jié)論。拉索的腐蝕疲勞損傷主要的原因是鋼絲表面產(chǎn)生蝕坑，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力集中，最終引起損傷開裂[6]。Yao Guowen 等利用鋼絲有限元分析腐蝕疲勞模擬試驗(yàn)，從理論上分析了拉索的損傷和失效機(jī)理，并且進(jìn)一步使用鹽霧室模擬了酸雨環(huán)境。結(jié)果表明，在腐蝕環(huán)境和交變應(yīng)力共同的相互作用下，拉索發(fā)生了具有腐蝕性和疲勞性的損傷。這導(dǎo)致了腐蝕損傷的強(qiáng)化，降低了拉索的延展性，增加了脆性，最終導(dǎo)致了拉索的脆性斷裂。同時(shí)，在相同的腐蝕條件中，交變應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的腐蝕性能程度最高[7]。Shun-ichi Nakamura 等人在實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)了具有不同腐蝕缺陷的腐蝕鍍鋅鋼絲，并對(duì)其力學(xué)性能和剩余強(qiáng)度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明氫脆不太可能發(fā)生。而疲勞試驗(yàn)表明，只有鍍鋅層被腐蝕時(shí)，疲勞強(qiáng)度沒(méi)有變化，但在鍍鋅層以下的鋼被腐蝕后，疲勞強(qiáng)度顯著降低，從而可能導(dǎo)致斷裂[8]。

3 腐蝕對(duì)力學(xué)性能的影響

拉索是斜拉橋的主要受力構(gòu)件，拉索的腐蝕現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響其力學(xué)性能，從而造成斜拉橋的安全性與耐久性顯著下降，以下介紹目前在腐蝕對(duì)拉索力學(xué)性能影響方面的研究現(xiàn)狀。

李文治在室內(nèi)模擬了沿海一些地區(qū)的斜拉橋拉索遭受銹蝕的現(xiàn)象和情況，以此來(lái)研究鋼鉸線在流體動(dòng)力學(xué)和機(jī)械性能等方面的變化現(xiàn)象，分析其銹蝕產(chǎn)生的根本原因。運(yùn)用了有限元的分析對(duì)不同長(zhǎng)寬深的裂紋進(jìn)行模擬分析，他發(fā)現(xiàn)在腐蝕率相差不大時(shí)，力學(xué)性能中的受拉性能下降退化的原因中，最重要的就是蝕坑產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)或截面削弱效應(yīng)[9]。鐘力介紹了對(duì)拉索損傷程度檢測(cè)評(píng)估及安全控制性能等相關(guān)技術(shù)的重點(diǎn)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)斜拉索高強(qiáng)度鋼絲在無(wú)受力、靜態(tài)應(yīng)力和交變動(dòng)態(tài)應(yīng)力這三種不同受力方式情況下進(jìn)行了酸性鹽霧的試驗(yàn)，建立拉索模型庫(kù)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究等，模擬它的演化過(guò)程并深入地分析研究了如何可靠的分析確定其安全性能特性[10]。徐陽(yáng)并未從拉索整體出發(fā)，而是去專門地研究了有關(guān)斜拉索內(nèi)部高強(qiáng)鋼絲的退化狀態(tài)情況，從而考慮對(duì)力學(xué)性能等方面的影響，進(jìn)行了人工加速腐蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)均勻加速腐蝕深度分布是一種服從于對(duì)數(shù)的正態(tài)深度分布，再通過(guò)對(duì)銹蝕后高強(qiáng)鋼絲進(jìn)行單軸力學(xué)拉伸試驗(yàn)，得到了眾多關(guān)于材料的力學(xué)指標(biāo)的分布規(guī)律，最后還對(duì)實(shí)際的情況進(jìn)行研究，確保所得結(jié)果的一致性[11]。于杰對(duì)不同蝕坑分布的鋼絲進(jìn)多種實(shí)驗(yàn)，研究了拉索鋼絲表面蝕坑分布對(duì)鋼絲力學(xué)和疲勞性能的影響規(guī)律。并且從應(yīng)力分布的角度對(duì)他所得出的結(jié)論進(jìn)行了解釋[12]。黃成研究了拉索長(zhǎng)期處于惡劣自然環(huán)境下所受的破壞程度并推理其安全壽命。他以某實(shí)際斜拉橋工程為基礎(chǔ)，建立該橋?qū)?yīng)的有限元模型，詳細(xì)分析了不同高度位置的拉索在受到相同損傷的情況下對(duì)主梁線形、主塔偏移、拉索索力的影響[13]。

4 拉索防腐蝕研究

基于以上對(duì)于斜拉橋腐蝕情況與拉索腐蝕不良性的分析，可以看出防治拉索腐蝕的工作已刻不容緩，以下介紹拉索防腐蝕方面的研究情況。

葉覺(jué)明和鐘建馳結(jié)合國(guó)內(nèi)的工程實(shí)例分析了懸索橋的保護(hù)措施，并且從熱擠高密度聚乙烯（PE）防護(hù)和外套HDPE 護(hù)套管這兩種我國(guó)常用的斜拉索防護(hù)系統(tǒng)出發(fā)，討論了纜索的腐蝕防護(hù)方法[14]。彭建鋒研究了OTC（氧化聚合包覆技術(shù)）結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)及其在其他領(lǐng)域的保護(hù)實(shí)例，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了鋼絲在不同狀態(tài)下的腐蝕行為，從中發(fā)現(xiàn)了在OTC 防護(hù)下的鋼絲腐蝕速率更低、腐蝕形成的蝕坑特點(diǎn)不同于其他、腐蝕產(chǎn)物較少的現(xiàn)象。最后提出可將OTC 包裹技術(shù)作為一種主動(dòng)、綠色的拉索長(zhǎng)效防腐技術(shù)[15]。常彬彬?qū)?guó)內(nèi)外腐蝕失效的斜拉橋做了統(tǒng)計(jì)，并以此分析了造成拉索損傷從而導(dǎo)致斜拉橋腐蝕失效的原因，又在充分了解HDPE 套管的保護(hù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究了玻璃纖維和納米級(jí)粒子對(duì)PE 材料性能改善的影響，發(fā)現(xiàn)兩者能十分顯著地改善HDPE 材料的力學(xué)性能。還研究了控制拉索內(nèi)部微腐蝕環(huán)境的方法，提出將電加熱除濕的方法應(yīng)用于拉索的腐蝕防護(hù)[16]。徐超和方海等五人從交變應(yīng)力、HDPE 材料性質(zhì)、自然環(huán)境、施工作業(yè)方式等可造成的HDPE 防護(hù)套損傷破壞的因素分析，提出了優(yōu)化斜拉索防腐保護(hù)效果的建議，可使用長(zhǎng)纖維來(lái)加強(qiáng)保護(hù)套的結(jié)構(gòu)，同時(shí)在保護(hù)套和斜拉索之間設(shè)置粘彈性隔離層，以此來(lái)加強(qiáng)腐蝕防護(hù)的效果[17]。

5 綜合分析與展望

上述的現(xiàn)有研究在設(shè)置拉索腐蝕因素時(shí)不再局限于單一變量，而是從多變量平衡的角度模擬真實(shí)條件下的拉索腐蝕環(huán)境。多組研究采用對(duì)真實(shí)腐蝕的拉索進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，并且用有限元軟件模擬真實(shí)受力情況，兩種方法可互相驗(yàn)證，并能夠進(jìn)行誤差分析。

但是在對(duì)鋼絲抗拉強(qiáng)度的研究中，所得出的數(shù)據(jù)離散性較大，仍然需要大量的實(shí)驗(yàn)才能擬合出更加準(zhǔn)確的變化曲線。同時(shí)實(shí)際鋼絲腐蝕蝕坑分布情況較為復(fù)雜，需要分析多個(gè)蝕坑更加復(fù)雜的分布情況，才能更加準(zhǔn)確地評(píng)估鋼絲的力學(xué)性能與疲勞壽命。

同時(shí)，目前的防腐蝕方法也較為空缺，相關(guān)的研究并不足夠深入，大多數(shù)學(xué)者對(duì)于防腐蝕的研究還停留在拉索保護(hù)套材料性能的方面，研究的方面較為單一。

在未來(lái)的研究中，學(xué)者可以結(jié)合更多現(xiàn)有橋梁拉索的實(shí)際數(shù)據(jù)，進(jìn)行理論研究，以得到更加準(zhǔn)確并且更加具有現(xiàn)實(shí)意義的成果。國(guó)內(nèi)外對(duì)橋梁耐久性的研究時(shí)間并不久，所積累的數(shù)據(jù)文獻(xiàn)還稱不上豐富，對(duì)于現(xiàn)有斜拉橋以及在役和卸下的拉索，應(yīng)該有更多的學(xué)者對(duì)其腐蝕形貌、疲勞情況做更多的統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)收集工作，以總結(jié)更多文獻(xiàn)資料，對(duì)于后繼研究亦大有裨益。不僅如此，防腐蝕的相關(guān)工作也應(yīng)從更多的方面入手，而不僅僅局限于保護(hù)套的材料性能。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于斜拉橋的拉索往往達(dá)不到它的設(shè)計(jì)使用壽命方面的問(wèn)題，人們常常會(huì)因?yàn)閾?dān)心拉索受腐蝕疲勞影響而提早更換拉索。而實(shí)際上，拉索的腐蝕是在所難免的，在大部分更換拉索的時(shí)候，往往并沒(méi)有對(duì)受腐蝕拉索的承載力以及剩余壽命進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以至于常在非最佳換索時(shí)刻對(duì)拉索進(jìn)行了更換。這就會(huì)造成高額的換索費(fèi)用（直接經(jīng)濟(jì)損失）。很多斜拉橋處于高速公路以及城市主干道上，行使著交通樞紐職能，而在換索的過(guò)程中，會(huì)實(shí)行交通管制甚至封閉交通，這就會(huì)導(dǎo)致交通系統(tǒng)的局部紊亂（間接經(jīng)濟(jì)損失）。但同時(shí)，如果因?yàn)檠芯砍晒膮T乏而引起的疲勞壽命預(yù)測(cè)錯(cuò)誤，而導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)最佳換索時(shí)機(jī)，也會(huì)造成隱形甚至直接的危害。拉索的腐蝕往往會(huì)對(duì)其疲勞壽命產(chǎn)生負(fù)面影響，最終造成社會(huì)以及經(jīng)濟(jì)的不良影響與損失，所以相關(guān)部門和企業(yè)應(yīng)該重視研究拉索的腐蝕對(duì)斜拉橋性能及壽命的影響問(wèn)題。