中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
拉索橋包括懸索橋和斜拉橋。為了保證這些大橋的安全性和耐久性，在大橋服役過(guò)程中，定期檢測(cè)和維護(hù)是十分重要的。
對(duì)于懸索橋和斜拉橋的檢測(cè)、維護(hù)是十分復(fù)雜的，因?yàn)槔|索和多層鋼絲可達(dá)數(shù)千米，其中大多并不容易被看到和接觸到。
纜索和纜索支撐系統(tǒng)性能的整體情況，只能通過(guò)有限的檢測(cè)數(shù)據(jù)得出。對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行徹底的評(píng)估，并增補(bǔ)足夠的鋼絲抽驗(yàn)試驗(yàn)，對(duì)于結(jié)構(gòu)安全決策十分重要。
紐約威廉姆斯堡大橋在檢測(cè)中曾被發(fā)現(xiàn)鋼絲的最外側(cè)銹蝕非常嚴(yán)重，評(píng)估結(jié)論是纜索安全系數(shù)非常低，建議對(duì)纜索進(jìn)行更換。路易斯安那州廬陵斜拉橋也曾發(fā)現(xiàn)鋼絲大量銹蝕及其他部件損壞，導(dǎo)致纜索更換，當(dāng)時(shí)這座大橋僅僅服役24年。
如今，我們有了更好的檢測(cè)技術(shù)、評(píng)估方法、取樣程序和測(cè)試設(shè)備，能夠更徹底地確定服役纜索的安全承載力。本文將討論定期檢測(cè)、評(píng)估、抽樣試驗(yàn)和及時(shí)養(yǎng)護(hù)，對(duì)拉索橋保持“良好養(yǎng)護(hù)狀態(tài)”的重要性。
美國(guó)的懸索橋紐約的懸索橋
美國(guó)紐約擁有大量的懸索橋，其中許多大橋在竣工時(shí)都創(chuàng)造了主跨最長(zhǎng)的紀(jì)錄。這些大橋都經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的侵蝕和磨損。為了保證公共安全，多年以來(lái)，這些大橋也都經(jīng)歷了檢測(cè)、評(píng)估、維護(hù)、維修和復(fù)原。為了提高運(yùn)營(yíng)和維護(hù)規(guī)劃，這些大橋也都經(jīng)歷了無(wú)數(shù)的研究、調(diào)查和試驗(yàn)。下面的表1將展示紐約10大懸索橋的一些重要數(shù)據(jù)。
表1 紐約10大懸索橋
深入檢測(cè)包含，在選定區(qū)域通過(guò)嵌入法打開(kāi)纜索，對(duì)內(nèi)部的鋼絲狀況進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估?，F(xiàn)行的檢測(cè)實(shí)踐存在一些局限性，日常的檢測(cè)只能做到纜索外部的可視化檢測(cè)。
美國(guó)聯(lián)邦公路局出資贊助了一個(gè)旨在提高曼哈頓大橋腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，該系統(tǒng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和實(shí)地儀器，對(duì)懸索橋主纜進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)。
研究項(xiàng)目在大學(xué)進(jìn)行，由RaimondoBetti教授領(lǐng)導(dǎo)，Parsons交通集團(tuán)和美國(guó)物理聲學(xué)公司共同合作完成。該研究項(xiàng)目的結(jié)論和建議刊發(fā)在了美國(guó)聯(lián)邦公路局出版的名為“紐約大橋的腐蝕監(jiān)測(cè)研究”的刊物上。
我們可以通過(guò)學(xué)習(xí)，在檢測(cè)、評(píng)估和養(yǎng)護(hù)方面實(shí)踐的研究報(bào)告得到一些寶貴的教訓(xùn)，來(lái)確保紐約懸索橋的安全并延長(zhǎng)其使用壽命。
金門大橋和奧克蘭海灣大橋
舊金山-金門大橋
跨越金門海峽的一座橋梁最初是在1872年提出的，但建造工程直到1933年才開(kāi)始建設(shè)。用了四年的時(shí)間來(lái)修建這座橋梁，項(xiàng)目總成本達(dá)3500萬(wàn)美元。來(lái)到舊金山的國(guó)際游客都知道這座橙色的金門懸索橋。
舊金山-奧克蘭海灣大橋西段
舊金山-奧克蘭海灣大橋在當(dāng)?shù)胤Q之為“海灣大橋”。海灣大橋是高架橋，是80號(hào)州際公路的一部分，全長(zhǎng)7.2公里，連接舊金山、耶爾巴·布埃納島和奧克蘭。該高架橋由懸索橋、隧道(經(jīng)過(guò)耶爾巴·布埃納島)、懸臂結(jié)構(gòu)和桁架構(gòu)成。舊金山到耶爾巴·布埃納島一段被稱為“西段”。
西段的懸索橋被稱為“西灣吊橋”。“西灣吊橋”是雙層結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)獨(dú)立的懸索橋組成，連接于一個(gè)中心錨固。設(shè)計(jì)者選擇了兩座懸索橋和一座整體式混凝土橋墩作為中心錨固，以解決深水和軟土地基的問(wèn)題。
2004年，通過(guò)增加新鋼板的形式，用近100萬(wàn)根高強(qiáng)度螺栓替換了原先的50萬(wàn)根鉚釘，使橋身得以加固，也改善了其抗震性能。并對(duì)橋墩進(jìn)行了混凝土防護(hù)套澆筑，塔腳和基座之間也通過(guò)安裝額外錨固螺栓進(jìn)行了連接。
舊金山-奧克蘭海灣大橋東段
海灣大橋從耶爾巴·布納島到奧克蘭的這一部分被稱為東段。東段的懸索橋一般稱為新東跨自錨式懸索橋或簡(jiǎn)稱SAS。1989年發(fā)生的洛馬-普雷塔大地震，損壞了東段的部分橋梁。
加州運(yùn)輸部(Caltrans)決定，采用最安全、最具成本效益的解決方案，全面更換海灣大橋東段。替代結(jié)構(gòu)將最先進(jìn)的科技融入到了抗震設(shè)計(jì)中，使橋能夠抵御8.5級(jí)地震。為了建造一座標(biāo)志性的單塔懸索橋，設(shè)計(jì)師們提出了單塔自錨式懸索橋(SAS)，它是世界上最長(zhǎng)和最寬的自錨式懸索橋。
但這并不是最具成本效益的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)完成之前自錨式懸索橋不能自我支撐，必須建立一個(gè)支撐自錨式懸索橋的臨時(shí)結(jié)構(gòu)。自錨式懸索橋完工以后，臨時(shí)橋梁將會(huì)被拆除。但是，人們?cè)敢鉃榇私邮茌^高的造價(jià)。
表2 金門大橋和舊金山-奧克蘭海灣大橋關(guān)鍵信息
SAS的設(shè)計(jì)壽命為150年,特別注意耐久性、可檢測(cè)性和可維護(hù)性。為方便對(duì)易磨損部件進(jìn)行更換,大橋也預(yù)備了備件。該設(shè)計(jì)的抗震特點(diǎn),能夠使橋梁承受大地震而不倒塌。該塔由4條通過(guò)剪切連接梁連接的腿組成,用以吸收地震中受到的沖擊,并防止其對(duì)主體結(jié)構(gòu)的災(zāi)難性損壞。如果需要,在大地震之后,連接梁可以拆除并用新的連接梁替代。
塔科馬海峽大橋的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)
位于華盛頓州塔科馬市的塔科馬海峽( T a c o m aNarrows)，從南北隔開(kāi)塔科馬市(Tacoma)和奧林匹克半島。海峽流急水深，是建造大橋的絕佳位置。風(fēng)、潮汐和水深成為建造跨海峽大橋所需面對(duì)的挑戰(zhàn)。
1938年，華盛頓州高速公路管理局(WSHD)代表收費(fèi)橋梁管理局(TBA)設(shè)計(jì)了一座橫跨塔科馬海峽的懸索橋，其主跨和邊跨分別為793m和392m。上部結(jié)構(gòu)由11.9m寬的橋面板和6.7m高的加勁桁架組成。
在征得公共工程管理局(PWA)的同意后，TBA對(duì)WSHD的設(shè)計(jì)進(jìn)行了獨(dú)立審查。評(píng)審委員建議對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行重大修改：主跨延長(zhǎng)至853m，側(cè)跨縮短至225m，并棄用加勁桁架，改用僅為2.4m高的實(shí)心板梁。TBA接受了這些建議并做出相應(yīng)的修改。大橋始建于1938年11月，歷經(jīng)19個(gè)月完工，于1940年7月16日通車。
在施工過(guò)程中，橋梁會(huì)因風(fēng)而上下擺動(dòng)。建筑工人因此戲稱此橋?yàn)椤拔鑴?dòng)的格蒂”。為控制垂直位移，大橋安裝了減震器和緊固裝置，但效果并不明顯。
大橋通車后，振蕩持續(xù)發(fā)生。0.5m到1.5m的上下移動(dòng)非常常見(jiàn)。為此，工程人員采取了幾項(xiàng)措施，均沒(méi)有效果。1940年11月7日清晨，一陣強(qiáng)風(fēng)以每小時(shí)68千米的速度襲向大橋，造成大橋產(chǎn)生劇烈的上下晃動(dòng)和左右搖擺。上午11時(shí)許,大橋發(fā)生坍塌。
表3 塔科馬海峽大橋關(guān)鍵信息
經(jīng)過(guò)10年的調(diào)查、研究、規(guī)劃和延遲，1950塔科馬海峽大橋利用原來(lái)的橋墩和錨固進(jìn)行了重建，并于1950年10月14日通車。為了滿足日益增加的車輛交通需求，在1950塔科馬海峽大橋旁邊修建了一座2007塔科馬海峽大橋，該橋于2007年7月16日建成通車。
經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)：在規(guī)劃建造一座新的、具有創(chuàng)新性的橋梁時(shí)，要謹(jǐn)慎而徹底地進(jìn)行勘測(cè)、研究、調(diào)查、分析、計(jì)算機(jī)運(yùn)算和物理模型測(cè)試。在進(jìn)行最終設(shè)計(jì)和施工之前，必須進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)測(cè)試，以驗(yàn)證和(或)保證橋的穩(wěn)定性、耐久性和長(zhǎng)期性能。
主纜檢測(cè)與評(píng)估指南
以下三本出版物將提供對(duì)拉索橋纜索的檢測(cè)、評(píng)估和養(yǎng)護(hù)方面的指導(dǎo)和建議。指導(dǎo)意見(jiàn)通過(guò)記錄檢測(cè)和舉例的形式，對(duì)書中的基本原則進(jìn)行補(bǔ)充。
1. 國(guó)家公路研究項(xiàng)目報(bào)告534《懸索橋平行纜索檢測(cè)與強(qiáng)度評(píng)估指南》
為了滿足發(fā)展纜索檢測(cè)、抽樣、測(cè)試指南和開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)腐蝕纜索強(qiáng)度的模型的迫切需要，這篇報(bào)告在國(guó)家公路合作研究項(xiàng)目下進(jìn)行研究。不可靠的檢測(cè)和評(píng)估方法會(huì)導(dǎo)致不必要的纜索更換或意外的損害。懸索橋業(yè)主和主纜檢測(cè)師將對(duì)報(bào)告中提到的材料產(chǎn)生興趣并加以使用。
2.美國(guó)聯(lián)邦公路局刊物《懸索橋索纜的檢測(cè)與強(qiáng)度評(píng)估入門》
這本入門是國(guó)家公路合作研究項(xiàng)目534的實(shí)用性補(bǔ)充。作為一本資料源為從事懸索橋索纜檢測(cè)、冶金試驗(yàn)和強(qiáng)度評(píng)估的從業(yè)者服務(wù)。這本入門為檢測(cè)員、技術(shù)人員和工程師提供了一些必備的表格和信息，這些表格和信息是他們?cè)趯?shí)施和準(zhǔn)備檢測(cè)、評(píng)估和強(qiáng)度測(cè)試時(shí)所需要的。實(shí)地檢測(cè)員、技術(shù)人員、實(shí)驗(yàn)室人員、橋梁工程師和大橋業(yè)主，應(yīng)該對(duì)該入門感興趣并加以采用。
3.國(guó)家公路合作研究項(xiàng)目353《斜拉索體系的檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)》
這篇綜合報(bào)告確定并闡述了多種檢測(cè)和養(yǎng)護(hù)技術(shù)，涵蓋了檢測(cè)和評(píng)定方法、無(wú)損探傷和評(píng)估規(guī)程、加固與維修、由風(fēng)雨引起的纜索震動(dòng)控制方法、斜拉索疲勞與裂縫以及多種檢測(cè)與維護(hù)方法的有效性分析。檢測(cè)員、技術(shù)人員、工程師和大橋業(yè)主，應(yīng)該對(duì)該報(bào)告感興趣并加以采用。
拉索橋的最大問(wèn)題是主纜鋼絲銹蝕。造成銹蝕的原因是因?yàn)槔|索內(nèi)部水或者是潮濕的空氣造成的。水分通過(guò)包裝材料、附著層、管道、接縫破損以及涂層、防護(hù)套或密封件裂縫進(jìn)入纜索內(nèi)部。
在施工過(guò)程中，潮濕的空氣可能被困在纜索的孔隙中，冷凝在鋼絲上造成銹蝕。冷凝問(wèn)題最好的解決辦法，是通過(guò)安裝除濕系統(tǒng)把干燥的空氣壓進(jìn)纜索內(nèi)，并把潮濕的空氣排出。定期檢測(cè)、勤評(píng)估和及時(shí)的維護(hù)，對(duì)于保證索纜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性和水密性，以及保持拉索橋的安全性、耐久性和高效性，是最劃算的方式。
作者系美國(guó)交通部聯(lián)邦公路管理局橋梁技術(shù)前總監(jiān) 橋梁咨詢工程師
