□□ 李 鑫，李斯涵，位東升，曾德禮 (.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽089；.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430034)

引言

中承式拱橋中吊桿是將橋面荷載傳遞到拱肋的關(guān)鍵受力構(gòu)件，對橋梁是否能夠能夠正常運營起到關(guān)鍵性的作用[1-2]。由于吊桿長期缺乏科學(xué)保護，直接承受外界環(huán)境腐蝕以及疲勞荷載作用，近期已出現(xiàn)多座拱橋未達設(shè)計使用年限就出現(xiàn)因吊桿銹蝕造成橋梁塌陷等安全事故[3-4]。

吊桿的設(shè)計使用年限為20年[5]，在使用年限內(nèi)進行科學(xué)養(yǎng)護和定期檢測等是保障橋梁結(jié)構(gòu)安全運營的有效措施。以某大橋為例，對中承式拱橋吊桿進行專項檢測和可靠性分析，并提出橋梁吊桿運營養(yǎng)護、維修加固或拆除重建等處理建議。

1 工程概況

某中承式勁性鋼筋混凝土拱橋為城區(qū)的跨江大橋，主跨長為243.37 m，拱肋凈矢高為48 m，矢跨比為1∶5，主拱拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)為1.756，換算拱厚系數(shù)n為0.8，橋面總寬為19.5 m(含人行道)。橋面縱板為預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，吊桿橫梁為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，縱板與橫梁固結(jié)。橋面布置為3.25 m(人行道)、13 m(車行道)和3.25 m(人行道)。主拱結(jié)構(gòu)為兩條分離式平行拱肋無鉸拱，兩拱肋用K撐和X撐連接。設(shè)計荷載：汽車—超20級，掛車—120級，人群荷載為3.5 kN·m-2，地震設(shè)防烈度為8度，橋梁立面布置如圖1所示。

圖1 橋梁立面布置圖

該大橋于1990年建成通車，通車11年后，2001年11月，該橋發(fā)生吊桿斷裂，局部橋面坍塌墜江事故，維修后于2002年7月再次投入使用。該橋吊桿體系自2002年更換以來，已運行近20年，為準確掌握大橋吊桿的技術(shù)狀況和存在的安全隱患，并為大橋吊桿養(yǎng)護管理工作提供科學(xué)依據(jù)，特對大橋吊桿進行檢測及可靠性分析研究。

2 吊桿專項檢測

吊桿作為拱橋的重要傳力構(gòu)件，對橋梁的安全使用有著至關(guān)重要的作用，然而吊桿又是易受損害的構(gòu)件，由于其長期暴露在大氣環(huán)境中并且承受交變荷載作用，其破壞常表現(xiàn)為腐蝕和疲勞損傷兩大類[6-7]。

因此，對吊桿錨固可靠性、油脂老化程度和索力缺陷等進行專項檢測及安全評估，準確掌握吊桿體系工作狀況是十分必要的。

2.1 吊桿錨固可靠性檢測

吊桿錨固區(qū)是吊桿和拱肋之間進行傳力的關(guān)鍵部位，因而對吊桿錨頭情況的監(jiān)測可以在一定程度上反映橋梁的安全情況[8]。吊桿錨頭處檢測一般采用目測方法，通常檢查錨頭銹蝕、積水情況、墩頭有無異常、保護罩螺絲是否松動、錨頭保護罩內(nèi)側(cè)橡膠墊圈是否存在水珠凝結(jié)、橫梁下錨頭鋼墊板是否銹蝕、鋼墊板周圍混凝土是否破損和脫落等問題[9-10]。

由于錨頭與鋼絲連接處、鋼棒與鋼絲連接處操作空間有限，索體周圍密封性較好，主要采用目測配合內(nèi)窺鏡儀器的方法進行檢測。

2.1.1上錨頭檢測

打開該橋上錨頭鋼錨罩后發(fā)現(xiàn)，97.1%的上錨頭保護罩基本外觀涂裝較好，82.4%的上錨頭存在保護罩內(nèi)積水現(xiàn)象，79.4%的上錨頭存在銹蝕現(xiàn)象，58.8%的上錨頭存在不同程度的油脂變質(zhì)或老化現(xiàn)象，并且發(fā)生油脂變質(zhì)的錨頭中有55.0%發(fā)生在下游吊桿中。典型的病害情況如圖2和圖3所示。

圖2 吊桿上錨頭錨杯內(nèi)積水

圖3 吊桿上錨頭螺母銹蝕

2.1.2下錨頭檢測

下錨頭采用與上錨頭類似的檢測方法，下錨頭存在的主要問題為：85.3%的下錨頭保護罩或鋼墊板存在銹蝕現(xiàn)象，100%的下錨頭都存在油脂老化嚴重問題，88.2%的下錨頭存在保護罩內(nèi)積水，且個別錨頭積水情況嚴重，91.2%下錨頭的鋼棒或螺母存在不同程度的銹蝕，其中29.0%的銹蝕情況比較嚴重，典型病害如圖4和圖5所示。

圖4 桿下錨頭鋼墊板銹蝕

圖5 吊桿下錨頭防腐油脂變質(zhì)

2.1.3連接套檢測

由于無法直接檢測鋼棒與鋼絲連接部位的內(nèi)部情況，一般通過檢測連接部位外側(cè)來反映內(nèi)部情況，如果連接部位的外表面、連接套出現(xiàn)裂紋等痕跡，則反映鋼棒與鋼絲連接部位存在病害。因此，通過檢測連接套外表面的銹蝕、裂紋情況可推斷內(nèi)部的工作性能是否完好。

檢測結(jié)果表明：吊桿護腳內(nèi)表面普遍銹蝕，52.9%連接套外橡膠保護套存在一定的老化或開裂情況，41.2%連接套存在表面或根部不同程度的銹蝕。對于錨緊螺母部位則選取部分位置進行檢測，螺母存在輕微銹蝕，膠泥材料情況較好，典型病害如圖6和圖7所示。

圖6 吊桿護腳內(nèi)表面銹蝕

圖7 吊桿連接套橡膠保護套泛黃和老化

2.2 油脂老化程度檢測

油脂老化程度是反映吊桿錨頭銹蝕情況的一項重要指標，主要通過對吊桿錨頭防腐油脂取樣化驗，用有機溶劑分離提取，采用紅外光譜、掃描電鏡等儀器通過試驗分析，對原灌注油脂防銹、防腐性、抗氧化性等進行綜合評價，來反映油脂的老化情況。

如圖8所示，通過分析灼燒后微量粉末的掃描電鏡能譜，發(fā)現(xiàn)試樣中主要含有元素C、O、Ca及少量Al、K等。由此可推測出該樣品中主要成分為礦物油、有機羧酸鹽類、碳酸鹽類，表明此時油脂已發(fā)生老化。

圖8 掃描電鏡能譜分析

2.3 吊桿索力檢測

橋梁吊桿的索力檢測可以有效評估橋梁的健康狀況[11]，橋梁吊桿索力測量通常采用頻譜分析法[12]，由于此法測試短吊桿時存在不可忽視的誤差，該大橋采用頻譜分析法與該橋索力測試系統(tǒng)對比的方法進行測試，并且當(dāng)索力偏差率>±10%時，檢定其安全系數(shù)是否滿足相關(guān)標準要求，分析其原因并應(yīng)在結(jié)構(gòu)檢算中加以考慮。

選擇吊索在空載狀況下的索力值進行分析發(fā)現(xiàn)，上下游不同吊桿索力分布不均，特別是短吊桿索力值上下游差別較大，上下游索力偏差最大達到267.10 kN，對結(jié)構(gòu)內(nèi)力存在一定不利影響。

2.4 缺陷檢測

吊桿缺陷直接影響吊桿運營的壽命，是性能檢測的一項關(guān)鍵指標，除4根短吊桿無法采用此法外，該橋主要采用漏磁檢測法來檢測吊桿高強鋼絲是否存在斷絲病害[13]，檢測設(shè)備的數(shù)據(jù)處理界面如圖9所示。

圖9 檢測設(shè)備數(shù)據(jù)處理界面

經(jīng)檢測，大部分索體吊桿磁通量數(shù)據(jù)平穩(wěn)，波形無異常變化，表明鋼絲情況較好，無鋼絲腐蝕或斷絲病害情況。

3 吊桿檢測結(jié)果分析

3.1 吊桿承載能力評估

根據(jù)JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》[14]規(guī)定，吊桿索承載能力評定按強度進行檢算。對實測最大索力為1 954.98 kN的吊桿進行驗算，計入活載影響修正系數(shù)后的索力為2 267.80 kN，則：T/A=333.85 MPa，<661.32 MPa。按強度計算可知，該橋吊桿承載能力符合JTG/T J21—2011要求，較為安全。

3.2 吊桿腐蝕疲勞壽命可靠性分析

吊桿長期暴露在外界環(huán)境，直接受到雨水和尾氣等的侵蝕損傷，導(dǎo)致吊桿的保護套容易發(fā)生老化失效，使鋼絲直接受到腐蝕環(huán)境的損害。腐蝕疲勞作為吊桿最常見的損傷之一，對橋梁的耐久性有重大影響，損傷部位通常發(fā)生在桿身和錨頭[15-16]。

根據(jù)文獻[17]，開裂截面上鋼絞線疲勞應(yīng)力幅為空氣中的73%，并且鋼絞線(鋼絲)的腐蝕疲勞強度隨時間呈指數(shù)衰減。文獻[18]研究表明，材料腐蝕疲勞S-N曲線的斜率與無腐蝕疲勞S-N曲線的斜率基本相等，因而得出開裂截面鋼絞線(或鋼絲)腐蝕疲勞S-N曲線見式(1)。

(1)

式中，N——疲勞試驗次數(shù)；

σb——疲勞強度;

σm——平均拉應(yīng)力；

Δσc——為鋼絞線(鋼絲)腐蝕疲勞強度；

b——試驗常數(shù)；

e-b——為第一年腐蝕疲勞強度下降速度，楚南[19]提出第一年腐蝕疲勞強度為原來的0.97～1倍，由此可推算b的取值范圍為0～0.03；

t——服役時間。

將檢測所得的σb=1 670 MPa、σm=219 MPa帶入式(1)，可得出相應(yīng)開裂截面及鋼絲的腐蝕疲勞強度均值和標準差：

(2)

(3)

式中，μlgΔσR(n)——腐蝕疲勞強度對數(shù)均值；

σlgΔσR(n)——腐蝕疲勞強度對數(shù)標準差；

n——循環(huán)次數(shù)；

c——材料常數(shù)。

在腐蝕環(huán)境中吊桿不同使用壽命期的可靠度也是通過采用類似無腐蝕吊桿疲勞壽命評估的分析方法來反映，經(jīng)檢測，在不同腐蝕速度下吊桿疲勞可靠度指標如圖10所示。

從圖10中可以看出，吊桿在不同腐蝕速度下，其疲勞可靠度指標相差很大，即其使用壽命將相差很大；即使吊桿發(fā)生輕微腐蝕(如b=0.01)，其服役年限不到無腐蝕吊桿的1/5。

吊桿專項檢測結(jié)果顯示，部分上錨頭吊桿鋼絲鐓頭出現(xiàn)不同程度的銹蝕，個別鍍鋅層減少出現(xiàn)鐵銹斑點，部分下錨頭螺母及鋼棒出現(xiàn)不同程度的銹蝕，個別螺母及鋼棒銹蝕比較嚴重，根據(jù)文獻[20]關(guān)于銹蝕發(fā)展規(guī)律和速率分析的研究表明，鋼絲一旦發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋擴展，其擴展速率是非?？斓?，可達0.9 mm·s-1，由此可以推斷，該橋部分吊桿存在輕微的腐蝕損傷，其疲勞可靠度指標出現(xiàn)降低的趨勢，即使用壽命出現(xiàn)很大程度的縮短，結(jié)構(gòu)運營存在較大的安全隱患。

4 結(jié)語

(1)多數(shù)吊桿錨頭存在保護罩涂裝情況良好，但是存在套內(nèi)積水、油脂老化、錨頭銹蝕等病害；連接套處吊桿護腳內(nèi)表面普遍銹蝕，并且套外橡膠保護套存在不同程度脫落和老化現(xiàn)象。

(2)吊桿索力分布不均，上下游索力存在一定的差異，特別是短吊桿的索力值上下游差別較大，最大達到267.10 kN。

(3)除短吊桿外，其余吊桿索體部分內(nèi)部鋼絲磁通量數(shù)據(jù)平穩(wěn)，波形無異常變化，鋼絲情況較好，無鋼絲腐蝕或斷絲病害。

(4)承載力檢測表明，正常運營工況下，按強度計算實測吊桿最大索力應(yīng)力為333.85 MPa，小于JTG/T J21—2011的限值661.32 MPa；腐蝕疲勞壽命分析表明，該橋部分吊桿鋼絲存在輕微的腐蝕損傷，其疲勞可靠度指標存在降低趨勢，使用壽命存在縮短的傾向，對結(jié)構(gòu)安全運營有很大的影響。

(5)綜合分析，考慮到結(jié)構(gòu)使用的安全性及耐久性，建議對橋梁吊桿體系及主梁結(jié)構(gòu)形式進行更換，更換為雙吊桿體系及縱橫梁結(jié)構(gòu)形式，以增強在單根吊桿失效情況下的結(jié)構(gòu)安全性。