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斜拉桥拉索及锚固系统专项检测结果及分析

发表时间：2021/6/4 来源：《基层建设》2021年第2期作者：马小伟

[导读] 摘要：随着全球经济的快速发展、交通需求的日益提高，大跨径桥梁的建设如火如荼，从20世纪末至今我国的大跨径桥梁建设一直处于高潮期，其中斜拉桥是大跨径桥梁中较为典型的桥型之一，斜拉桥的拉索及锚固系统与上部结构的受力、变形状态和桥梁的安全运营息息相关，因此拉索及锚固系统检测成为斜拉桥重要的检测项目。

        上海同丰工程咨询有限公司上海市宝山区 200444
        摘要：随着全球经济的快速发展、交通需求的日益提高，大跨径桥梁的建设如火如荼，从20世纪末至今我国的大跨径桥梁建设一直处于高潮期，其中斜拉桥是大跨径桥梁中较为典型的桥型之一，斜拉桥的拉索及锚固系统与上部结构的受力、变形状态和桥梁的安全运营息息相关，因此拉索及锚固系统检测成为斜拉桥重要的检测项目。本文以双鸭山市安邦河斜拉桥为例讲述拉索系统专项检测内容及结果分析，为此类结构的桥梁检测提供一定的经验和帮助，减少桥梁隐患的产生。
        关键词：斜拉桥；拉索及锚固系统；索力；检测
        1 引言
        拉索及锚固系统中斜拉索保护套、部分斜拉桥的上、下锚头长期暴露在风雨和潮湿环境中，拉索及锚固系统易发生腐蚀，材料性能易发生退化，同时日益增加的交通流量、荷载等诸多因素加速破坏系统的防护体系。及时准确的掌握拉索及锚固系统的外观及内部缺陷、索力值是斜拉桥检测的重点之一。近年也发生过斜拉桥因拉索及锚固系统病害导致桥梁的受力异常、甚至坍塌事故，因此斜拉桥的拉索及锚固系统专项检测十分必要。
        2 工程背景
        2.1 桥梁总体概况
        安邦河斜拉桥位于双鸭山市民安东大街上，滨水西路以东，跨越安邦河。目前该桥交通状况一般。
        该桥为一座东西走向的两跨独塔单索面预应力混凝土斜拉桥，塔梁墩固结，全长140m，跨径组合为2×70.0m。该桥由中国市政工程东北设计研究总院设计，中交四公局第一工程有限公司施工，设计荷载为公路-Ⅰ级、人群荷载为4.0KN/m2，目前两端桥头设总重30t的限载标志牌。为了解该桥拉索及锚固系统目前的技术状况，对其进行专项检测，为养护维修或加固提供技术依据。
        2.2 拉索及锚固系统概况
        斜拉索为双排单索面，布置在中央分隔带上，塔上索距分1.5m、1.8m两种，梁上索距为6.0m，两侧对称锚固于主梁上；全桥共设4×9=36根拉索，斜拉索采用高强度低松弛钢绞线拉索体系，钢绞线采用外挤HDPE护管的环氧涂层钢绞线，单根钢绞线公称直径为15.20mm，标准强度fpk=1860MPa，每根拉索由34根环氧钢绞线组成。下锚头锚固于主梁箱内，下锚头表面设有钢护筒，桥面设有钢护罩，以防止水汽进入下锚头，塔身上设分丝鞍座，以便拉索通过。
        2.3 构件编号及桥梁示意图
        为便于说明，对该桥拉索构件进行编号：
        两侧斜拉索由近塔处向远离塔方向依次编号，WN3#拉索表示主塔西侧索区北侧索面由近到远数第3根拉索。
        3 拉索及锚固系统专项检测结果及分析
        3.1 斜拉索
        采用登高车对全桥每根拉索表面进行仔细检查，查看拉索表面保护套是否有开裂、扭曲、渗水现象，检查完后对每根拉索现状做好记录并拍照。
        检查发现：①NE4#拉索HDPE护管局部开裂，开裂长度50mm；②HDPE护管表面均存在大量细小孔洞，多数孔洞深度已超过HDPE护管的设计厚度7.7mm。
        孔洞深度超过HDPE护管的设计厚度，将导致雨水渗入索体内部，若拉索表层环氧涂层失效，将引起拉索锈蚀。现场局部剖开HDPE护管，未发现内部钢丝未有锈蚀现象，检查完毕后及时对剖开处HDPE护管进行修复处理。
        3.2 上锚头
        该桥主塔为实心塔，通过登高车对每根拉索与主塔连接处的详细检查，来判别上锚头的的技术状况，目前上锚头技术状况良好，仅发现锚固装置的轻微缺陷。
        检查发现：①NW7#上锚头锚固装置螺母缺失1处，②全桥斜拉索上锚头的锚固装置表面均存在轻微锈蚀现象。
        3.3 下锚头
        对下锚头缺陷检查首先打开封锚端钢护筒，检查钢护筒内是否有积水，若有积水则需查明积水来源，若积水是沿拉索钢丝下渗所致，则需对该拉索局部剖开保护套，检查钢丝是否有锈蚀，并做好相应记录。对下锚头渗水、积水来源不能明确的，应局部剖开斜拉索保护套，检查内部钢丝是否有渗水、锈蚀现象，明确渗水、积水来源。
        打开封锚端钢护筒后检查锚具、锚杯内填充料是否干缩、老化，墩头锚密封材料是否缺失、脱落，钢丝端部是否有渗水、锈蚀现象，判断病害的形成原因，并做好记录，检查完后对下锚头有锈蚀痕迹的用除锈剂除去表面锈斑。

图1 桥梁平面示意图（单位：mm）

        图2 主桥立面示意图（单位：mm）
        该桥下锚头位于主梁箱室内部，进入箱室内将下锚头钢护筒底部螺丝卸下，本次检查发现：①2个钢护筒（NW1#、SW1#）内大量积水；②2个钢护筒（NE8#、SE8#）内少量油水混合物；③6个钢护筒（NW2#、SE3#、NW4#、SE5#、NW7#、NE7#）内少量积油。目前下锚头锚杯、锚环和墩头钢丝均未发现明显锈蚀现象。
        结合该桥病害分析可知，该桥下锚头积水是由于部分HDPE护管存在部分深度超过护管厚度的孔洞，雨水可沿这些孔洞流入HDPE护管内部，通过桥面防水罩密封胶条老化不密实处下渗至下锚头钢护筒内。
        斜拉索作为斜拉桥的主要受力构件，斜拉索体系的防水极其重要，目前该桥部分斜拉索下锚头已出现渗水现象，对其耐久性极为不利，要从根本上保证索体及锚固系统的耐久性，切断水进入锚头的各种途径是较为有效的防护措施。
        3.4 桥面防护罩
        桥面防护罩是锚固系统积水最有可能通道，应根据实际检测情况，抽样打开喇叭形保护罩，查看其内部密封橡胶圈是否老化、开裂，检查内部填充物是否老化，判断雨水是否可能由此进入锚具钢护筒内。同时对防振橡胶垫进行详细检查，检查其是否老化、破损，与拉索是否紧密相贴。
        检查发现：①防护罩表面均存在轻微锈蚀现象；②多数密封胶条老化、不密实。
        3.5 恒载索力测试
        斜拉索作为斜拉桥的重要传力结构，其在恒载作用下的内力分布能够反映桥梁结构的受力状态，因此对全桥拉索恒载索力的测试是十分必要的，本次采用振动频率法（频测法）测量拉索索力。
        斜拉索采用高强度低松弛钢绞线，单根钢绞线直径15.2mm，标准抗拉强度1860MPa，全桥共设4×9=36根拉索，拉索线密度除考虑钢丝本身质量外，还计入了外层护管的质量。
        本次拉索恒载索力测定是在阻尼器安装后，试验采用环境随机振动法测试拉索频率，拉索的振动响应信号由附于其上的高灵敏度加速度传感器拾取，并通过滤波放大器后输入信号分析仪进行分析处理。索力计算时，利用测试分析得到的各根拉索的自振频率、索长、线密度以及拉索两端的约束条件等来确定每一根拉索的恒载拉力。
        图3为ES9#、WN9#拉索振动时程曲线及其自功率谱图。全桥拉索索力实测值与理论计算值对比见图4。

图3 ES9#、WN9#拉索振动频谱图

        图4 东、西边跨索力实测值及理论值对比图
        对比实测恒载索力与设计恒载索力可知：①实测恒载索力与设计索力的偏差较小，实测索力与设计索力相对差值绝对值在0~10%、10%~20%以内的斜拉索分别为27、9根，分别占75.0%、25.0%，最大偏差值为18.4%（ES1#）；②南北两侧面拉索恒载索力对称性较好，同一断面的拉索索力相对差值在10%以内共34根（占94.0%），10%~20%之间的共2根（占6.0%），最大偏差值为12.6%。
        4 根据检测结果提出的维修处理建议
        （1）建议对斜拉索HDPE护管进行专项维修（可采用瑞士进口焊接设备和桥梁拉索专用PE焊条对孔洞、剖开处进行恢复性焊接，并对焊接处进行打磨、抛光等工艺处理，使切口处焊缝与拉索表面的PE防护材料融为一体，达到与原HDPE护管一样的防护效果，同时不破坏桥梁拉索整体美观性。该修复工艺已在多座斜拉桥进行过验证，取得良好的修复效果）。
        （2）建议对下锚头锚杯、锚环和墩头钢丝表面重涂防腐油脂，并定期对锚固系统进行养护。
        （3）建议对上锚头锚固装置和桥面防护罩进行除锈，并进行对其进行防腐涂装。
        （4）建议更换桥面防护罩老化的密封胶条。
        5 结束语
        斜拉桥自身特殊的结构形式及其强大的跨越能力，在我国桥梁施工中得到广泛运用，随着桥梁使用年限的不断增加，交通流量的增多等诸多因素，桥梁的技术状况日益降低，因此桥梁检测必不可少，其中拉索及锚固系统的检测又是斜拉桥检测的重要一环，这也是一个实践加经验积累的过程。拉索及锚固系统的专项检测，及时发现并处理问题，将在一定程度上增加斜拉桥的使用寿命，减少桥梁的后期的维护成本，为社会经济的稳定及持续发展提供可靠保证。
        参考文献：
        [1]《城市桥梁养护技术标准》（CJJ 99-2017）中华人民共和国住房和城乡建设部 2017
        [2]《公路桥涵养护规范》（JTG H11-2004）中华人民共和国交通运输部 2004
        [3]黄绍桥、郭良友著《斜拉索的检查与维修》世界桥梁 2008
        [4]《双鸭山市尖山区安邦乡道路及配套建设工程安邦河斜拉桥》（竣工图）