桥梁拉索五类典型病害分析

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2020-4-1 09:00

原作者: 桥梁杂志来自: 百家号收藏分享邀请

【52监测网讯】几乎所有的服役桥梁，其拉索都存在不同程度的病害。众多桥梁由于管养不善，导致拉索病害日益发展。相当一部分建成后短时间内出现严重的问题，不得不提前大修，甚至提前换索，浪费极大。此类结构隐患， ...

几乎所有的服役桥梁，其拉索都存在不同程度的病害。众多桥梁由于管养不善，导致拉索病害日益发展。相当一部分建成后短时间内出现严重的问题，不得不提前大修，甚至提前换索，浪费极大。此类结构隐患，致使结构垮塌也屡见不鲜，严重威胁着工程及人民生命财产的安全[1]。

桥梁拉索常见的病害有：下端预埋管水患与拉索（索体与锚头）腐蚀、HDPE护套老化与应力开裂、拱桥短吊杆问题、拉索风雨激振、悬索桥主缆系统腐蚀等。

腐蚀是影响拉索寿命的主因

下端预埋管水患

下端预埋管水患是指斜拉桥、拱桥、悬索桥等梁端预埋管，因水或水汽造成拉索索体与锚头腐蚀的病害。一般来说，预埋管水患是雨水直接流入预埋管内浸泡拉索与锚头，或因预埋管处的密封性缺陷，大气中的潮湿空气进入预埋管内后，造成预埋管内潮湿度升高，或冷凝积水。下端预埋管水患是最为普遍存在的现象，也是影响桥梁拉索使用寿命与安全的最大威胁。

下端预埋管水患的形成主要原因有：

下端防水罩存在质量问题，或因未及时维修、未按要求施工导致其丧失防水功能，雨水直接流入预埋管内，浸泡拉索与锚头。以往的设计理念认为，下端预埋管应设置排水构造。然而，实践经验告诉我们，排水孔长期使用后，堵塞严重，无法排水。例如福州青州闽江大桥80%以上的下锚头发现下雨后都有积水[1]；柳州文惠桥自建成后，水长期浸泡下端锚头，梁底长期滴水，不到10年时间形成35cm长的钟乳石状结石[1]；泉南高速公路南宁六景大桥积水充满整个预埋管；瑞典乌德瓦拉桥（UddevalaBridge）也是不断有雨水进入下端锚头[4]；南昌八一大桥因防水罩失效，下端预埋管内长期潮湿度高，造成斜拉索下端锚头銹蚀严重，2009年全面换索；杭瑞高速公路九景段鄱阳湖大桥也因防水罩失效，下端预埋管长期积水，后经系统、专业技术养护，拉索得到有效保护。其中，鄱阳湖大桥通过专业技术养护有效延长拉索的使用寿命，保证桥梁的使用安全，对结构管养启示颇多。

a 柳州文惠桥下端积水

b 瑞典乌德瓦拉桥下端锚头进水

图1 拉索下端预埋管水患

HDPE护套老化与应力开裂

HDPE（高密度聚乙烯）护套主要功能是防护拉索。上世纪80年代，自广州海印大桥斜拉索采用HDPE护套后，我国开始在平行钢丝类拉索上大量应用。之后几年，业内人士发现，拉索HDPE护套与电缆的护套完全不同，拉索的HDPE护套在使用后的短短几年内就出现严重的老化和开裂。雨水进入拉索内部，造成拉索钢丝锈蚀。桥梁拉索HDPE护套之所以较电缆护套更容易老化与应力开裂，排除材料、加工工艺等等因素外，最根本的原因就是桥梁平行钢丝拉索的结构特点。当拉索挂索张拉后，HDPE护套随索体受力伸长，HDPE护套长期处在3～5Mpa以上的应力状态下工作（如果HDPE护套加工冷却不当可达9Mpa）。平行钢丝拉索的构造及HDPE护套的受力状态如图2所示。

图2 平行钢丝拉索构造

HDPE护套老化的特征是护套表面出现不规则的网状裂纹，HDPE材料延性、机械强度等力学性能指标大大降低。影响HDPE护套老化的因素一般与材料的性能、挤塑成型工艺（加热温度、加热时间、冷却方式与冷却时间）、使用环境（紫外线强度、雨水冲淋、腐蚀、内应力）等有关。

HDPE护套开裂的特征是护套环向应力开裂，HDPE材料延性、机械强度等力学性能指标没有明显下降。影响HDPE护套环向应力开裂的因素与影响老化的因素基本相同，但最主要的因素是材料的耐环境应力开裂性能、内应力的大小和紫外线的强度。HDPE护套的老化与应力开裂一般从迎光面开始。

提高拉索HDPE护套使用寿命可采取以下方法与措施：

1.不同的HDPE材料，其耐环境应力开裂性能指标迥异。一般来说，HDPE材料应力开裂性与其环境应力开裂性能指标正相关。然而，由于认识不足，我国早期的桥梁拉索标准要求HDPE材料耐环境应力开裂性能仅为1500h。工程经验证明，桥梁拉索用HDPE材料耐环境应力开裂性能应达到5000h以上。

2.HDPE护套在热挤塑成型冷却时有残余的内应力，正常使用时受到拉应力。高分子材料在长期连续拉应力及环境因素的作用下，聚合物分子的结合能力下降，分子结合键断裂，应力开裂。环境应力开裂试验证明[1]，当应力水平降到一定程度时，高分子材料开裂时间理论上趋向持久极限、永不开裂。天津永和公路大桥，其斜拉索PE护套在无张拉应力状态下使用20年也未开裂和老化。实际工程已证明，单元式钢绞线类型的拉索，大、小HDPE护套在无粘结和半无粘结状态下工作，服役30年以后，也未发现HDPE护套环境应力开裂。因此，如果条件允许，桥梁拉索使用的HDPE材料应避免与结构参与共同受力。

3.HDPE护套损伤就是一个潜在的开裂源。所以，应做好应有的防护措施，避免在生产、运输、安装等过程中损伤HDPE护套。目前，大多数的HDPE护套损伤后都采用二次热熔修补。我们已经知道，HDPE材料二次热熔其性能有较大的下降，所以，修补后的HDPE护套更易老化，更易开裂，开裂时间会更短。如果条件允许，建议采用缠包方法修复HDPE护套。

4.紫外线的照射会加速HDPE护套的老化与应力开裂。采用缠包方法不仅可以修复受损的HDPE护套，更可以隔离紫外线、雨水和腐蚀性气体对HDPE护套的浸蚀作用，实现HDPE护套与索体同等寿命。现役桥梁，如果HDPE护套出现老化与应力开裂的问题，在未产生开创性裂纹时，缠包修复是行之有效的办法。

拱桥短吊杆问题

对于中（下）承式拱桥来说，桥面系及荷载是通过吊杆承受的。当温度变化时，桥面系将产生纵桥向的纵向位移，吊杆摆动。一般来说，拱圈端吊杆是固定不动的，吊杆摆动量与桥面系的纵向位移、吊杆的长度有关。桥面系的纵向位移量越大，吊杆的长度越短，吊杆的摆动角度就越大。此时，吊杆的附加应力就越大。宜宾小南门金沙江桥2001年部分桥面垮塌就是因短吊杆断裂造成。吊杆断裂时为凌晨温度最低点，桥面纵向位移量大，短吊杆的附加应力也大。邕宁邕江大桥短吊杆摆动明显，可以看到，短吊杆的摆动已造成吊杆破损、拱圈混凝土迸裂。拱桥设计规范没有明确规定短吊杆的设计要求，目前也没有更多的实验数据。一般原则是：

1.短吊杆极限摆动造成吊杆的总应力水平不应超过0.5σb。

2.结构条件允许的前提下，短吊杆应尽量设置长一点。短吊杆宜长不宜短。

3.短吊杆宜采用柔性吊杆，避免用刚性吊杆。

4.短吊杆尽量设置可摆动的球形铰，减小桥面系纵桥向位移时，吊杆的附加应力和安装时消除施工误差。

拉索风雨激振

桥梁拉索由于质量、刚度和阻尼都较小，易发生振动。尤其是在风雨共同作用下拉索发生大幅度风雨激振的概率较高。我国南京长江二桥、湖南洞庭湖大桥的斜拉索曾经发生过较大的风雨激振。

由于振幅大、破坏性大，斜拉索风雨激振严重威胁斜拉桥的安全，已经成为大跨度斜拉桥设计中最为关注的问题之一。然而，桥梁拉索风雨激振的机理目前尚未能完全解释，有水线驰振、涡激振动、轴向流等理论。有学者归纳了斜拉索发生风雨激振的研究成果[5]：

1.大中小雨的情况都可能发生索振；

2.索振主要发生在外包包裹为聚乙烯套管的索上；

3.振动频率为0.6～3.0Hz之间，一般为单阶振动；

4.风速范围约6～18m.s-1;

5.索振动主要是面内振动；

6.风雨激振中，索的运动呈现出“拍”的现象；

7.发生风雨激振的斜拉桥一般位于紊流不太大的地方:

8.索的运动引起水线在索表面的周围振荡，水线运动与索运动的方向相反。

抑制桥梁拉索风雨激振的基本方法与措施是：

1.改变拉索的表面形状，来改善拉索空气动力学特性。最有效的办法是在拉索表面设置双螺旋线或凹坑，阻止水线形成:

2.增加拉索减振阻尼装置；

3.可将拉索之间用辅助索相互连接。

钢绞线拉索,因每一根绞线的固有频率不同,绞线与绞线之间的空隙形成相互的阻尼作用，发生大幅振动的概率很低。

悬索桥主缆系统腐蚀

主缆系统是悬索桥最重要的承载构件，由于它的不可更换性，必须与桥梁结构同寿命。然而，悬索桥主缆系统的使用现状不容乐观。据了解，我国几乎所有的悬索桥主缆系统都存在腐蚀病害。国外悬索桥主缆也普遍存在主缆钢丝腐蚀的问题[2]。美国纽约市运输局的一份关于悬索桥缆索状况的报告得出结论：由于腐蚀，纽约市区几乎所有的大型悬索桥都存在强度损失的问题，主缆强度损失的范围从微乎其微到35%[6]。

悬索桥主缆系统的基本构造如图3所示。它由主缆段、散索段与锚碇段三大部分组成。

主缆段是由Φ5.2的多股高强钢丝组成(PWS法)，塔顶处跨过索鞍，主缆装有索夹通过吊杆（索）连接桥面系。主缆一般采用强度1670MPa以上级别的φ5高强镀锌钢丝组成，紧缆后安装索夹，涂防腐腻子，缠丝后涂外防护层。紧缆后钢丝与钢丝之间仍存在缝隙，按规定空隙率在索夹处不大于18%，在索夹外不大于20%。

散索段经过散索鞍（套）后分成单元索股，与锚碇连接件连接。

锚碇段已普遍采用新型的预应力式锚碇系统，一般由多股预应力束组成，张拉后通过连接板与主缆索股连接，可调可换。

图3 悬索桥主缆基本构造

1.主缆段的主要病害：

①由于主缆钢丝缝隙、索夹缝隙、索鞍缝隙的实际存在，悬索桥主缆已经是实际意义上的开放式主缆。水和氧气可通过这些缝隙以及散索段处的钢丝缝隙，畅通无阻地进入主缆钢丝内部，实现交换，造成钢丝生锈。日本的因岛桥、美国的多座悬索桥，均发现主缆内部有积水或潮湿度高，主缆钢丝发生不同程度锈蚀；

②悬索桥的主缆由于施工积水也会造成主缆钢丝生锈:

③外层防护腻子易于老化，开裂，脆化失效[7]。水和氧气也可进入主缆钢丝内部，造成主缆钢丝生锈。香港青马大桥也出现过类似问题，涂层开裂，主缆进水[8]；

④索夹滑移而产生的不可恢复的缝隙，水进入主缆内部，造成主缆钢丝生锈。

2.散索段的主要病害：

目前，所有的主缆散索段索股只有简单的防腐措施，索股钢丝长期与水汽直接接触。虽然有些桥设有除湿系统，但大部分悬索桥，尤其是早期的悬索桥和自锚式悬索桥，没有设置除湿系统，主缆钢丝长期在潮湿环境中使用。

①大型桥梁锚室空间庞大，除湿效果不尽如人意，很多锚室内湿度达不到预定指标，特别是索股内部的潮湿气体难于排出。因此，应完善除湿系统的设计与配置，以期达到预期的除湿效果。

②隧道式锚碇，湿度大，水患严重。现役工程已证明，很难满足湿度要求。

③除湿设备还须日常维修、维护与更新。要保持周围环境相对湿度在60%以下，除湿设备须长期24小时不间断运行，运行成本很高。笔者调查发现，很多桥梁，甚至是特大型桥梁，除湿系统形同虚设。

3.锚碇段的主要病害是水患：

①抽水系统未运行，或没有抽水系统，导致锚碇积水或增大锚室潮湿度。

②没有排水措施。尤其是隧道式锚碇，水量大，水浸泡锚碇。笔者认为如有需要，锚碇应设置排水系统。

③大多数现役桥梁，其锚碇前后锚面，都未设置有方便操作的检修通道或构造，给日常维护和检查带来诸多不便。

新型的预应力锚碇系统，由于采用全防腐可更换式结构，其防腐性能、安全性能有了本质性的变化。

a 锚碇前锚面积水

图4 锚室积水

b 没有检修通道检查不便

桥梁斜拉索工程病害案例

广州海印大桥斜拉索断裂事故

1.概况

广州海印大桥为钢筋混凝土双塔单索面斜拉桥，主桥跨径175m，桥面宽35m，共有斜拉索186根，如图5所示。1988年建成通车，斜拉索灌注水泥砂浆防腐。

1995年5月15日7时15分许，该桥南塔边跨西侧15号索突然断裂坠落。幸未伤及车辆与行人。1995年12月14日已全面换索。

图5 海印大桥

2.斜拉索断裂事故原因及分析

斜拉索塔端锚头处含FDN高效减水剂的较大水灰比浆体长时间不凝固，导致对拉索产生以电化学腐蚀为主的多种强腐蚀，使拉索锈蚀[3]。

拉索是一个柔性系统，随荷载、温度的变化，与结构协同变形。水泥砂浆这类脆性材料不适合拉索防腐，因其在拉索受力变形时会产生开裂。此外，灌注时也很难保证浆体密实和因浆体收缩影响顶端浆体饱满。广州海印桥浆体长时间不凝固，使得拉索钢丝长期处于腐蚀环境中发生应力腐蚀。除此之外，管养缺失也是一个最大的遗憾。

建于1978年的美国Pasco—Kennewick桥，其拉索钢丝置于PE套管中，并注入水泥浆。设计中考虑到黑色聚乙烯管升温高，为控制温度的作用并照顾美观，在聚乙烯管外再缠绕了聚乙烯条带(1989年广州海印大桥的防护措施与之类似)。原估计使用寿命为25年，但仅5年时间就发现防护失效，不得不进行换索[3]。

南昌八一大桥拉索病害

1.概况

南昌八一大桥为独塔双索面混凝土斜拉桥，主桥跨径160m，桥面宽26m，共有平行钢丝斜拉索144根。1997年9月29日建成通车。

2005年12月，江西省交通工程质量检测中心对南昌八一大桥主桥进行病害检测，并对结构健康状况进行评定。发现拉索腐蚀严重。2009年全面换索，拉索实际使用年限11年。

2.拉索病害及原因分析

南昌八一大桥几乎所有拉索下端锚头都发生腐蚀，锚杯内外表面金属腐蚀量达到10%以上，自然剥落锈块达25mm长。下端拉索锚头腐蚀的原因——a.施工时未进行有效防腐。b.桥面端防水罩失效，雨水长期流入下端锚头，造成下端预埋管内潮湿度大。c.管养缺失。大桥自1997年9月29日建成通车，到2005年12月进行检测的8年间，从未对拉索进行过日常检查与维护，腐蚀病害未得到及时发现与治理。

全桥144根拉索中，有15根拉索HDPE护套严重损伤，几乎都是离塔端管口3m处开裂，裂缝宽度达50 mm以上。拉索索体钢丝表面潮湿、锈蚀，且有雨水流入索体内部。拉索HDPE护套开裂原因是，施工时未使用吊具，而是用钢丝绳直接起吊拉索，导致HDPE护套受损。虽然当时采用热补方法进行修复，但修复后性能下降，导致发生应力开裂。

图6 下端锚头锈蚀

鄱阳湖大桥拉索病害与治理

1.概况

九（江）景（德镇）高速公路鄱阳湖大桥为双塔双索面混凝土斜拉桥，2000年11月建成通车。主桥跨径布置为65m+123m+318m+130m，全桥采用热挤聚乙烯高强钢丝成品拉索共152根，东塔共有拉索64根，西塔共有拉索88根。索体为Φ7低松弛镀锌高强钢丝，钢丝标准强度Rby=1600MPa。拉索下端采用橡胶防水罩，下端预埋管内填充聚氨酯发泡材料，梁底拉索槽口在斜拉索张拉调索后用高标号素混凝土封锚。

2.拉索病害及分析

2005年南昌新八一大桥斜拉索发现严重病害后，鄱阳湖大桥对该桥斜拉索进行全面检查，发现斜拉索存在诸多病害。

由于下端防水罩采用橡胶材料，使用几年后发生严重变形、开裂，雨水直接流入下端预埋管内。下端预埋管内填充的聚氨酯发泡材料有吸水、储水的作用，使得预埋管内长期积水（安徽铜陵长江公路大桥在清除下端预埋管内填充的聚氨酯发泡材料时，也发现大量的积水）。从检测资料可看到，主梁侧面的排水孔长期有水流出，锚头及钢丝的锈蚀不太严重。

斜拉索索体外层挤裹的橘红色聚氨脂外护套已经开始老化，迎光面已出现不规则的网状微裂纹。

塔端锚头防腐缺失。所有锚头没有安装保护罩，锚头裸露，且没有必要的防腐措施，部分锚头表面已开始生锈。此外，部分冷铸锚端盖缺失。

梁底拉索槽口已用高标号素混凝土封锚，给检查、维修、换索带来困难。由于拉索不能实现可检、可修、可换，拉索的使用情况完全不清楚，存在安全隐患。

部分拉索外减振装置已失效。

3.拉索病害与治理

经检查，拉索下端虽然有水长期浸泡，但下端锚头及钢丝的锈蚀不太严重，性能影响较小。拉索护套没有开创性裂纹，索体钢丝未进水、气，钢丝没有锈蚀。经修复后，拉索完全具备正常的使用功能。因此，从2006年开始，针对拉索进行有效的病害治理，实现该桥斜拉索总体使用寿命50年的目标。

①引进专业团队，针对拉索开展专业管养咨询服务。内容包括，一年一度的拉索专业检测、评估，指导、培训管养部门的拉索管养业务。研究、跟踪拉索病害的原因与发展规律，选择合理的处理方法和处理时机。例如，针对PE护套出现的微裂纹，经研判，5～8年后才会产生开创性裂口，开裂前采用缠包方法修复。该方案经济有效。

与行业的专业团队合作是一种全新的管养模式。利用社会专业资源，可快速有效提升工程的管养水平。

②拉索上、下端病害治理。A.下端防水。利用热收缩PE修复已失效的防水罩，确保雨水不进入下端预埋管内。2008年至2018年，经过10年的使用，防水效果达到预期目的，防水罩修复后没有一滴水进入预埋管内。此方法也应用于广州鹤洞大桥斜拉索下端防水罩的防水，效果同样显著。B.下端排水与防腐。要确保下端拉索与锚头不继续被腐蚀，必须排出预埋管内的水，降低管内潮湿度，并采取必要的防腐措施。首先彻底清除下端预埋管内含有大量水分的聚氨酯发泡材料；管内风干降湿后，填充专用防腐油脂。后续改造内减振器后，实现上、下端预埋管内水密性、气密性。C.上端锚头防腐。安装保护罩、补充冷铸锚缺失的端盖，锚头涂抹专用防腐油脂防腐，恢复其防腐功能。

③梁底拉索槽口封锚混凝土快速去除工法研究。梁底拉索槽口用混凝土封锚是当时设计上的错误理念，使得拉索不可检、不可修、不可换。通过研究和实桥实验，水钻加水刀工法可两天内去除一个槽口。所有的槽口都应打开，为检修、维护、紧急换索时，做好管养的技术储备。

拉索“短命”问题的反思

事故是可以杜绝发生的！拉索病害是可以防患的！然而，拉索病害普遍存在，绝大多数桥梁拉索得不到有效治理，日益恶化。从我国部分斜拉桥换索时间看，斜拉索的平均使用时间仅有十多年。

从目前的技术水平及工程经验看，桥梁拉索的力学性能可以满足正常情况下100年甚至更长时间的使用要求。目前，影响桥梁拉索使用寿命的主要因素仍然是腐蚀。如果通过正常维护与更换易损件，桥梁拉索使用寿命完全可以达到设计寿命。

海恩法则告诉我们：每一起严重事故的背后，必然有29次轻微事故和300起未遂先兆以及1000起事故隐患。要阻止一起重大事故的发生，就是必须及时发现并消除这1000起的事故隐患。

要杜绝拉索事故的再次发生，要让拉索实现正常的使用寿命，必须防患于未然。

1.彻底改变重新建、轻管养的做法，建管并重；

2.桥梁管养须专业化；

3.制定管养制度和技术标准；

4.由具有专业资质的企业施工；

5.杜绝工程建造的低价中标；

6.提升专业检测与专业评估水平。