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
在斜拉橋設計、施工和使用過程中，盡管對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鍵性因素。因此，分析斜拉索病害原因，在設計、施工和使用斜拉橋時給予足夠的重視，并采取各種有效措施延長拉索的使用壽命。
1.1拉索腐蝕
腐蝕是物質與介質作用而引起的變質或破壞。由于腐蝕過程是自發的，所以在斜拉橋整個壽命期內，拉索的腐蝕破壞將會始終存在。
?、倮鞲g部位
拉索鋼絲腐蝕程度基本上取決于橡膠護套的破損程度，因為這是雨水或露水順鋼索流入或滲入護套內產生的結果，所以鋼絲腐蝕有兩個明顯特點：腐蝕程度大體遵循“上輕下重”規律，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；腐蝕較嚴重的部位，往往是靠近護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，主要是因為防護系統老化而出現大量的微孔、裂紋或裂縫，從而不能有效地隔絕空氣、水汽、水和腐蝕介質。這些物質進入護套后，容易在鋼絲表面形成水膜，使鋼絲發生電化學腐蝕，水膜中溶解的腐蝕介質，如S02和橡膠揮發物，對鋅層腐蝕還有明顯加速作用。隨著橡膠防護套逐步老化，微孔、裂紋和裂縫大量出現，氣體、水分不斷進入、水汽凝聚和腐蝕介質溶解對鋼絲形成長期的電化學腐蝕。長期腐蝕的結果，形成嚴重腐蝕。
1.2拉索氫脆
斜拉索氫脆也是電化學現象，與腐蝕略有不同。產生氫脆現象必須同時滿足環境、材料、應力的條件才會發生。美國1940年在俄亥俄州樸次茅斯格蘭特將軍大橋發生的纜繩錨爪鞘開裂的事故，就是因為雨水中含有的微量硝酸鹽附在纜繩上發生應力開裂。氫脆是斷裂時間隨陰極變化而變短，應力腐蝕開裂是斷裂時間隨陽極變化而變短。
1.3拉索回縮
拉縮回縮主要是針對高強度熱鍍鋅鋼絲制成的拉索而言的。此類斜拉索在張拉過程中分絲板會與錨杯內壁相接觸，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，分絲板常會因受力過大而變形，導致鋼絲回縮，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題。銹蝕是鋼絲破壞的一種最初表現，斷絲則是鋼絲破壞失效的一種直觀形式。造成斷絲現象的原因有多種：
?、俦P條本身的疏松、夾雜、氣泡、成分偏析等缺陷，這些缺陷若在生產過程中暴露，就會給成品鋼絲留下斷裂隱患點。
?、跒樽非蟪霾穆屎瓦B續生產，對盤條采用焊接方式連接，這些焊接點也是鋼絲的斷裂隱患點(國內對橋梁纜索用鋼絲提出了不允許盤條接頭的技術要求)。
?、墼谥扑骱图芩鬟^程中，由于牽引力作用，缺陷鋼絲會斷裂，或因扭絞、鉤掛等原因造成斷絲。
?、芎罄m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運過程中動態荷載作用，環境腐蝕，應力腐蝕和疲勞等均會造成鋼絲在使用過程中斷裂。
1.5拉索滑絲
拉索滑絲主要發生在斜拉索張拉過程中，發生滑絲現象，其原因是多方面的，主要原因有：
?、馘^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產生滑絲。
?、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。
?、蹌恿ψ饔玫挠绊?。拉索受到動力作用時，有可能松動，造成滑絲，滑絲嚴重時可造成失錨。
1.6拉索振動
斜拉索重量輕、阻尼小，振動產生的荷載遠遠超過其自重，常成為拉索設計的控制性荷載。斜拉索多暴露于大氣中，在風或索錨固端運動作用下發生橫向振動。隨著斜拉橋跨度的增加，拉索振動愈加顯著。拉索的振動對拉索本身，以及其它構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發生各種不同機制的振動。目前探索出的斜拉索的振動機制主要有自然因素引起的渦流激振、尾流弛振、風雨振、參激振動和受人為因素(如人群的運動、吊裝機具、車輛的運動、混凝土輸送泵的運動、混凝土振搗器的運動等)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，參激振動對拉索的影響也較大。
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，且對主梁的線形、結構內力等產生顯著的影響。
產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量減少。
?、谛崩髌谝鸬匿摻z強度退化。
?、蹨囟扔绊憣е陆Y構發生整體或局部的損傷，使有些斜拉索也會發生不同程
度的退化。
?、芾麇^固系統的松動。
?、菹洛^頭嚴重滲水，產生的病害已使拉索系統受力狀態產生了嚴重退化。
?、奘┕み^程中梁體高程控制，不準引起結構內力重分布，使結構受力偏離設
計值。
?、咧髁壕植繌姸扰c剛度變化，造成主梁線性變化所產生的拉索索力退化。
?、嗨魉A的下沉，地震、臺風以及交通事故等災害的影響等。
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施工荷載的差異導致斜拉索兩側不平衡索力。在施工階段，主塔鞍座索孔未灌注環氧砂漿，其抗滑移能力相對較弱，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管與(斜拉索)鋼絞線之間摩擦力提供，當主塔鞍座兩側斜拉索索力差超過它們之間摩擦力就會發生滑移。
2.拉索防護體系的病害及成因分析
對斜拉橋而言，拉索防護的好壞直接影響斜拉索的使用壽命。因此，要對拉索防護設施的病害進行分析，力圖在設計、施工過程中采取有效措施，從而延長拉索的使用壽命。
2.1纏色涂層的病害
早期認為鋼絲鍍鋅會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部充注紅丹及亞麻油，外部兩層涂層為紅丹和鄰苯二甲酸樹脂。其病害及原因如下：
?、俜栏繉颖∪趵匣?，出現龜裂。
?、跓徼T錨進口處，灌錨防腐層被燒掉，錨口處密封不嚴，使腐蝕物進入索體表面，腐蝕拉索。
?、劾麂P蝕出現斑點，下端錨口處嚴重應力腐蝕并發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管內壓注水泥漿防護的拉索病害
有很多斜拉索采用鋼絲與PE外護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，拉索上通常會出現一些縱向裂縫。其主要原因有：
?、僮{壓力使PE管超變形；
?、诟邷剡M行壓注施工，冬季低溫PE管收縮引起固向拉應力；
?、跴E管壓注水泥漿的防護措施， PE管會隨著使用時間的延長出現老化粉化等病害，使PE管減薄，減薄的PE管，在拉索振動作用下，造成PE管開裂，從而降低其防護性能。
2.3熱擠塑雙層PE護層的病害
自20世紀90年代初開始，斜拉索防護在錯誤教訓中幾經改善，現在廣泛應用鍍鋅鋼絲經編絲纏包后熱擠塑雙層護層，有的雙層護層再加PVF帶纏包和涂裝。
目前熱擠塑雙層護層防護，經實橋檢查仍有下述嚴重病害：
?、偻庾o套產生環狀開裂或PE層斷開，斷開有的達lcm寬，水從而進入索體將鋼絲腐蝕。這種病害的原因是恒、活載拉應力和擠塑高溫至使用最低溫度的溫差共同作用，又兼質量低劣的高密度聚乙烯材料抗老化性能差。在國內已建成的斜拉橋中已有數座橋斜拉索發生上述情況的病害。
?、谧鳛闇p振圈支撐的預埋管端口進水，結果預埋管成為“貯水管"，進而接長管與錨杯口受水侵入，夾片群錨受水侵入，鋼絲、鋼絞線、錨杯、鍍圈銹蝕。預埋管內、夾片錨防護罩加注石蠟或黃油，石蠟及黃油變質，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.結語
在斜拉橋設計、施工和使用過程中，盡管對斜拉索采取了各種防腐、減隔振措施，但由于受拉索本身質量、設計、工程施工及管理養護等諸多因素的影響，使得斜拉索病害己成為制約斜拉橋使用壽命的關鍵性因素。對斜拉橋而言，拉索的好壞直接影響斜拉索的使用壽命。因此，要對拉索防護設施的病害進行分析，力圖在設計、施工過程中采取有效措施，從而延長拉索的使用壽命，防止病害的發生。
