既有桥梁斜拉索检测评估及损伤研究

臧腾

（铁正检测科技有限公司，山东 济南 250014）

0 引言

20世纪，为了满足国民交通运输的发展，修建了许多大跨径桥梁。由于斜拉桥造型优美，跨径范围广，各结构受力和传力合理，经济性价比高，已成为跨江跨海桥梁的主要桥型之一[1]。桥梁建成通车后，伴随服役年限的增加，受施工质量、交通流量增加、车辆超载、日照及雨淋等多种不利影响因素，导致斜拉桥结构病害出现，承载能力降低。尤其是主要构件的斜拉索系统，更是病害问题频发，为桥梁运营造成安全隐患。本文以威海长会口大桥为工程背景，对其斜拉索系统检测评估及损伤展开研究，为同类型桥梁养护维修提供工程参考。

1 工程概况

长会口大桥主桥跨径组合为117m+230m+117m 的三跨预应力混凝土双塔双索面竖琴式斜拉桥，索塔呈“H”形，其总高度约106m，桥面以上塔高为75m，上横梁采用蝴蝶结形状，塔柱及上横梁均采用实心结构，主梁为双边主梁肋板式预应力混凝土结构。

全桥共设52 对斜拉索，斜拉索采用φ7mm 高强度低松弛镀锌钢丝，填充防腐油脂同心向左绞合而成。拉索钢丝根数选取163 丝。拉索防护采用黑色高密度聚乙烯（PE）保护层，外加白色高密度聚乙烯（PE）护套，护套外表设有抗风雨振螺旋线。拉索在主梁上的标准索距8m，塔上索距约4.65m，张拉端位于主梁上，在塔上采用交叉方式锚固，塔上套筒内设置橡胶圈减振器。索体编号规则为从小里程侧到大里程侧，右侧索号为1～52，左侧索号为1’～52’。

2 斜拉索检测评估

根据斜拉索病害特点，重点检测该斜拉索护套及锚头病害情况、斜拉索内部锈蚀状况、索力安全性分析。

2.1 斜拉索护套及锚头外观检测评估

斜拉索从安装后就不可避免地受到腐蚀退化、振动疲劳衰减等各种不利因素的影响。由于其布置于梁体外部，并长期处于高应力状态下，故斜拉索对腐蚀作用非常敏感[2]。斜拉索的护套、锚头、将军帽的完整性直接影响斜拉索的实用性、安全性和耐久性，也是检测评估的重点。

2.1.1 斜拉索护套外观检测

斜拉索外观检测以目测结合智能爬索机器人CCB-III 设备进行检测。经统计，长会口大桥主桥斜拉索护套外观各类典型病害共计388 处，包含刮伤、修补痕迹、刮痕、严重刮伤、修补开裂五个类型，面积共计5345.5cm2。其中，刮伤数量最多为219 处，占总数量的56.44%；其他病害数量按百分比由大至小依次为：刮痕29.90%、严重刮伤10.82%、修补痕迹1.55%、修补开裂1.29%。护套病害主要原因可能是施工工艺把控不严、海边环境腐蚀影响、活载的反复作用、护套老化等因素。

2.1.2 锚头外观检测

该桥斜拉索上锚头锚固在索塔锚箱内，外部有水密式舱口盖密封，密闭效果好，雨水通过上锚头进入索体的概率小。下锚头采用普通罩板，密闭效果差，海水湿气容易侵入，存在较多的隐患。现场打开将军帽进行检查，发现钢套管内部减震块完好，泡沫胶不饱满，无积水。斜拉索下锚头外观检测，发现104 个下锚头防锈油大面积结块、发黑，占总数量的100%；30个锚具锈蚀锈蚀情况一般，占总数量的28.85%；5 个锚具锈蚀严重，占总数量的3.85%；其余锚具锈蚀轻微，占比67.3%。病害主要原因可能是桥梁处于海洋环境，梁下锚头密封差，海水因风作用或蒸发附着在锚具、锚杯，从而引起锈蚀，养护管理不到位。

2.2 斜拉索内部锈蚀状况检测

桥梁磁致伸缩导波检测仪可以在不拆除外层PE和不锈钢保护套的条件下，实现在役拉索索体及锚固区缺陷的快速检测。根据《无损检测 磁致伸缩超声导波检测方法》（GB/T 28704—2012）相关要求，检测104 根拉索，检测信号中均未出现超标异常回波，斜拉索内部无钢丝锈蚀、断裂、缠丝松弛等缺陷，评定标度为1。存在3 根拉索锚头回波较弱，可能是由于各拉索间索内钢丝材料差异和导波长远距离传播时的能量衰减引起。对拉索加强监测，如锚头回波幅值进一步降低，应及时进行开窗验证。

2.3 斜拉索索力安全性分析

斜拉索索力超限是影响斜拉索寿命的关键因素之一，长会口大桥自竣工以来历次索力测试综合结果表明，恒载状况下斜拉索索力相对稳定。此次检测采用目前工程界普遍应用的弦振频率法进行测量，测出拉索的横向振动频率，经分析计算得出索力。经过现场检测，104 根斜拉索索力与交工验收的索力对比，共有83 根斜拉索实测索力与交工验收的索力偏差率在±10%以内，21 根斜拉索实测索力与交工验收的索力偏差率超过了±10%。受篇幅限制，结合外观检测结果，本文仅列出具有代表性的5 根斜拉索索力进行分析（见表1）。

表1 斜拉索索力测试分析结果

通过表1数据分析可知，综合考虑实测恒载索力、移动荷载引起的索力增量等因数，全桥斜拉索安全系数最小值为2.77，均＞2.5，满足斜拉索在运营期间安全系数的要求。

3 斜拉索损伤后桥梁受力性能分析

对于斜拉桥而言，其服役寿命很大程度上由斜拉索使用寿命决定。斜拉索存在火灾、爆炸等突发偶然情况、长期疲劳、大面积锈蚀等因素引起索力损伤甚至完全失效的可能。斜拉桥属于超静定结构，斜拉索损伤后，拉索索力会由其他拉索承担，桥梁结构受力重新分配[3]。如果管养单位未及时发现，并采取应急措施进行处理，就可能引起或者加速剩余拉索的损坏，对重新分配的结构体系产生不利影响，甚至导致结构的渐次崩溃，引发重大安全事故。为了得到斜拉索损伤后，桥梁受力性能变化规律，借助有限元软件Midas Civil 建立全桥计算模型，结合现场实际状况，对计算模型进行优化，确保模型能够真实反映既有桥梁结构状态[4]。由于篇幅限制，本文针对21#索塔中跨右侧具有代表性拉索失效后对该索塔右侧其他拉索索力、桥面线形、梁体应力、梁体动力性能进行分析研究。

3.1 斜拉索损伤后对索力影响

桥梁服役期间，斜拉索的损伤具有随意性，为了更好地分析斜拉索损伤后对索力的影响，分为3 个工况来进行研究，具体内容见表2。

表2 斜拉索损伤后对索力影响工况

单根拉索索力损伤后，索力的相对变化率见图1。

图1 单根拉索损伤索力变化幅度图

通过图1数据分析可知：工况1 右侧最长索失效后，中跨右侧整体索力值比原索力值增大，变化率幅度为-1.10%～17.85%，最大变化率为25 号索17.85%；另外，边跨右侧索力值比原索力值减小，变化率幅度为-14.74%～1.43%，最大变化率为1 号索-14.74%，越靠近索塔，索力值变化幅度越小；左侧索力变化规律与右侧索力同步，但变化幅度整体偏小，变化率幅度为-1.06%～1.75%。工况2 右侧中间索失效后，中跨右侧整体索力值比原索力值增大，变化率幅度为2.88%～14.25%，最大变化率为19 号索14.25%；边跨右侧拉索索力值有所减小，相对变化率为-0.98%～0.51%；同时，左侧整体索力变化幅度较小，相对变化率为-0.37%～1.46%。工况3 最短索力失效后，整体索力变化幅度小，相对变化率为-0.54%～3.93%，附近的拉索索力变化值较大，最大变化率为15 号索3.93%，位置越远的拉索变化值越小。总体来看，当某根斜拉索失效，结构索力会重新分配，同侧同跨拉索索力会增加，距离越近增长幅度越大，同侧不同跨索力会减小，距离越远减小幅度越大[5]。不同侧索力变化幅度比较小。长索对拉索结构的影响最大，中索次之，短索影响最小。

3.2 斜拉索损伤后对线形影响

单根斜拉索损伤后，对梁体线形的影响，工况与索力影响工况相同。具体数据见图2。

图2 斜拉索损伤位移变化幅度图

通过图2数据可知：工况1 最长索失效后，对桥梁整体线形影响比较大，中跨最大值为41mm，边跨最大值为17mm；工况2 中间索失效后，对中跨线形影响比较大，最大值为44mm，对边跨线形影响比较小；最短索工况3 失效后，对桥梁整体线形影响比较小，可忽略。

3.3 斜拉索损伤后对梁体动力特性的影响

单根斜拉索损伤后，对梁体动力特性的影响，工况与索力影响工况相同。具体数据见表3。

表3 斜拉索损伤后对梁体振型的影响

表3 （续）

通过对比各工况下梁体9 个阶次频率数值不难发现：工况1 梁体频率变化最大为第6 阶频率差值为0.0071，工况2 梁体频率变化最大为第9 阶频率差值为0.0096，工况3 对梁体各阶频率影响比较小。总体来看，单根拉索失效对梁体整体的动力特性影响较小。

4 结语

通过现场检测评估数据表明：斜拉索护套主要病害为刮伤、修补开裂等，未发现明显的拉索护套损伤而致的渗水和钢丝锈蚀病害。锚头的主要病害为防锈油大面积结、发黑，锚具、锚杯内外圈存在不同程度的锈蚀现象。斜拉索内部锈蚀状况检测主要为3 根拉索锚头回波幅值较弱。全桥存在21 根斜拉索实测索力与交工验收的索力偏差率超过了±10%，斜拉索安全系数最小值为2.77，均＞2.5，满足斜拉索在运营期间安全系数的要求。建立有限元模型，对不同位置拉索损伤失效工况进行了理论模拟。数据分析表明：远离索塔的单根长索损伤失效后，对结构索力、线形影响比较大，靠近索塔的单根短索损伤失效对结构影响较小，单根拉索损伤失效对结构动力特性影响比较小。针对此次检测评估结果，建议业主单位对斜拉索病害集中专项整治，重点关注长索索力变化，安装健康监测系统，对该桥健康状况进行全面、实时监测。长会口大桥已经服役了11年，拉索病害具有代表性。该桥采用智能爬索机器人、磁致伸缩导波检测仪等先进的检测评估手段及数据分析方法，能够有效地指导现场管养工作，可为同类型跨海斜拉桥检测、监测提供借鉴。