中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(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)。
斜拉索是傳遞斜拉橋主梁、橋面系恒載及活載至橋塔的關(guān)鍵受力構(gòu)件，其服役情況直接關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)安全。鑒于目前大多數(shù)斜拉索使用壽命短(僅為橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的110左右，普遍不足20年)，服役期間易出現(xiàn)病害，斜拉索的專項(xiàng)檢測和日常維護(hù)至關(guān)重要。
沈陽市公和橋主橋是我國第1座雙層獨(dú)塔單索面斜拉橋，至今已運(yùn)營15年，主橋跨徑布置為(114+120)m。該橋主梁采用單箱5室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋塔采用混凝土結(jié)構(gòu)，橋塔有索區(qū)采用工字形截面下部結(jié)構(gòu)采用樁基礎(chǔ)。該橋斜拉索為32對(duì)平行鋼絲索，雙排單索面豎琴式布置，斜拉索梁端苗固在箱梁中室靠橫隔梁處，梁上索距6.66m塔端錨固在橋塔外表面，塔上索距3.92m。斜拉索采用極限強(qiáng)度為1670MPa的二5mm被鋅低松弛高強(qiáng)鋼絲，鋼絲數(shù)分別為283和301，采用冷鑄錨錨固。斜拉索設(shè)置雙層熱擠PE護(hù)套防護(hù)，梁端防護(hù)罩填充發(fā)泡劑，錨頭端設(shè)置防水罩。公和橋主橋立面布置如圖1所示。為評(píng)估該橋斜拉索的服役情況，確保結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定，需對(duì)其斜拉索進(jìn)行檢測，并對(duì)病害處進(jìn)行修復(fù)。
2斜拉索檢測評(píng)估
根據(jù)斜拉索的常見病害特點(diǎn)，重點(diǎn)檢測該橋斜拉索的腐蝕情況(外觀與內(nèi)部缺陷檢測)、索力安全性及減振效果(力學(xué)性能檢測)。
圖1 公和橋主橋立面布置
2.1外觀與內(nèi)部缺陷檢測評(píng)估
斜拉索在運(yùn)輸、儲(chǔ)存及施工過程中操作不當(dāng)4，斜拉索外觀存在缺陷均可產(chǎn)生斜拉索索體積水，進(jìn)而導(dǎo)致斜拉索腐蝕。通過查閱橋梁建設(shè)及管養(yǎng)資料，未發(fā)現(xiàn)斜拉索在橋梁建設(shè)過程中存在積水的現(xiàn)象。根據(jù)該橋斜拉索的構(gòu)造恃點(diǎn)，重點(diǎn)檢測斜拉索上、下錨頭，將軍帽，PE護(hù)套等易致索體進(jìn)水的部位5，同時(shí)需對(duì)斜拉索內(nèi)部缺陷進(jìn)行無損檢，以評(píng)估斜拉索索體鋼絲的銹蝕程度。
2.11上、下錨頭外觀檢查
通常斜拉橋的斜拉索塔端錨固在橋塔箱室內(nèi)部，上錨頭處于密封環(huán)境，雨水通過上錨頭進(jìn)入索體的概率較小，而該橋上錨頭錨固在橋塔外表面，長年受雨水侵蝕，可能導(dǎo)致雨水進(jìn)入索體。通過對(duì)全橋64個(gè)上錨頭進(jìn)行外觀檢查，得出上錨頭存在的主要病害為:(1)全橋上頭均未見積水現(xiàn)象，34個(gè)斜拉索上錨頭油脂缺少，錨頭防護(hù)罩處有黃油滲出，占上錨頭總數(shù)的53.1％(2)3根斜拉索上描頭(E12北側(cè)索和W2南、北側(cè)索)錨固區(qū)存在混凝士開裂現(xiàn)象，裂縫寬度在0.14～0.21mm之間，占上錨頭總數(shù)的4.7％。
公和橋下錨頭罐固在箱梁中室內(nèi)部，均安裝了防護(hù)罩，檢測時(shí)需打開防護(hù)罩及錨杯蓋。檢查得出下頭的主要病害為:(1)下錨頭錨杯內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)鋼絲墩頭回縮或積水現(xiàn)象，有7根斜拉索下錨頭防護(hù)罩內(nèi)有積水現(xiàn)象, 占總數(shù)量的10.9%, 7根斜拉索的索號(hào)分別為W10南側(cè)索、W15南側(cè)索、W16南側(cè)索和W5北側(cè)索、W6北側(cè)索、W15北側(cè)索、W16北側(cè)索; (2) 下錨頭錨杯處缺少黃油防護(hù), 防護(hù)罩內(nèi)(見圖2)的斜拉索下描頭腐蝕情較為嚴(yán)重，鏈杯內(nèi)壁也存在銹性現(xiàn)象(見圖3)，其它斜拉索下罐頭及杯內(nèi)外觀情況較好，只是錨頭外側(cè)存在輕度銹蝕現(xiàn)象。
圖2 下錨頭防護(hù)罩內(nèi)積水
圖3 下錨頭錨杯內(nèi)壁銹蝕
2.1.2 防護(hù)罩檢查
斜拉索護(hù)罩內(nèi)均填充有發(fā)泡劑, 打開全橋64根斜拉索的將軍帽進(jìn)行檢查, 發(fā)現(xiàn)W10南側(cè)索、W15南側(cè)索、W16南側(cè)索、W5北側(cè)索、W6北側(cè)索、W15北側(cè)索和W16北側(cè)索的套筒內(nèi)發(fā)泡劑被水浸泡, 在斜拉索套筒上鉆孔進(jìn)行檢查, 有水從開孔處流出, 其它斜拉索的套筒內(nèi)發(fā)泡劑干燥 (見圖4、圖5) 。被水浸泡的斜拉索索號(hào)與下錨頭防護(hù)罩內(nèi)存在積水的斜拉索索號(hào)一致, 說明雨水通過將軍帽進(jìn)入斜拉索護(hù)罩是下錨頭防護(hù)罩積水的主要原因。
圖4 套筒內(nèi)發(fā)泡劑干燥
圖5 套筒內(nèi)發(fā)泡劑被水浸泡
2.13PE護(hù)套外觀檢查及索體內(nèi)部缺陷檢查
斜拉索索體外觀檢查采用索體檢機(jī)器人(可對(duì)自由段索體外觀進(jìn)行360°全方位攝像)檢測并依據(jù)漏磁檢測原理對(duì)索體內(nèi)部高強(qiáng)鋼絲的銹蝕和斷絲情況進(jìn)行無損檢測6。外觀檢測結(jié)果表明:(1)8根斜拉索PE套管表面局部存在蜂窩，索號(hào)分別為E10南側(cè)索、W10南側(cè)索、W15南側(cè)索、E5北側(cè)索、W5北側(cè)索、W6北側(cè)索、W8北側(cè)索及W15北側(cè)索，占斜拉索總數(shù)的12.5％；(2)有16根斜拉索PE護(hù)套表面存在開裂現(xiàn)象，占斜拉索總數(shù)的25.0％；(3)局部存在蜂和裂縫均為PE護(hù)套表面損傷，尚未貫穿PE護(hù)套。PE護(hù)套病害產(chǎn)生的原因可能是因?yàn)榻ㄔO(shè)期運(yùn)輸、施工工藝不當(dāng)、PE護(hù)套材料老化或活載反復(fù)疲勞作用。
無損檢測結(jié)果表明下錨頭防護(hù)罩內(nèi)有積水的7根斜拉索內(nèi)部鋼絲均未出現(xiàn)斷絲，斜拉索鋼絲的最大截面銹蝕率在153％～527％之間。依照《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG「H21-2011）的規(guī)定，該斜拉索鋼絲的銹蝕標(biāo)度為3，推斷鋼絲表面存在銹蝕，部分氧化皮已經(jīng)剝落?！冻鞘袠蛄吼B(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ99-2017)中規(guī)定，鋼絲銹蝕造成該斜拉索總面積損失超過10％時(shí)，必須進(jìn)行換索，該橋的斜拉索尚未達(dá)到必須換索的條件。
下頭防護(hù)罩內(nèi)積水的斜拉索的PE護(hù)套表面不一定存在缺陷，部分PE護(hù)套受損的斜拉索下錨頭未發(fā)現(xiàn)明顯病害，考慮到PE護(hù)套僅為表層受損，各斜拉索鋼絲的最大截面銹蝕率較低，推斷雨水通過PE護(hù)套進(jìn)入索體的概率較小。
2.1.4檢測注意事項(xiàng)
斜拉索外觀與內(nèi)部檢測時(shí)，應(yīng)注意以下內(nèi)容：(1)打開上、下頭檢查時(shí)，應(yīng)及時(shí)排出防護(hù)罩內(nèi)的積水，檢查完成后將防護(hù)罩復(fù)原，避免因檢測造成斜拉索體系構(gòu)件丟失；(2)檢查斜拉索防護(hù)罩鉆孔時(shí)，鉆孔位置應(yīng)選擇在護(hù)套下方避雨處，開孔后盡快組織檢查，檢查完成后盡快修復(fù)，(3)采用斜拉索機(jī)器人進(jìn)行檢測時(shí)應(yīng)控制機(jī)器人的握緊力，握緊力過大可能導(dǎo)致PE護(hù)套受提;(4)上錨頭和防護(hù)罩暴露在自然環(huán)境中，檢測時(shí)應(yīng)避開雨水天氣，防止雨水進(jìn)入索體。
2.2力學(xué)性能檢測評(píng)估
2.2.1索力測試結(jié)果分析
斜拉索索力超限是影響斜拉索壽命的主要因素之一，橋梁自竣工以來歷次索力測試綜合結(jié)果表明，恒載狀況下公和橋斜拉索索力穩(wěn)定，2016年實(shí)測索力與成橋索力偏差在5％以內(nèi)的斜拉索有53根，占總數(shù)量的82.8％，共有11根索的實(shí)測索力與成橋索力偏差超過了5％。下錨頭防護(hù)罩積水嚴(yán)重的7根斜拉索索力測試結(jié)果如表1所示。
表1 下錨頭防護(hù)罩積水嚴(yán)重的7根斜拉索索力測試結(jié)果
綜合考慮恒載作用下的實(shí)測索力、最不利荷載組合引起的索力增量及斜拉索的鋼絲銹蝕率折減等因素, 計(jì)算得出全橋斜拉索的安全系數(shù)最小值為2.63, 其中下錨頭防護(hù)罩積水嚴(yán)重的7根斜拉索的安全系數(shù)最小值為2.77, 滿足斜拉索在服役期間索力安全系數(shù)不得低于2.5的要求。表1中索力增量為扣除恒載后的最不利荷載組合作用下的索力增量理論值。
2.2.2 斜拉索減振效果分析
斜拉索對(duì)數(shù)衰減率達(dá)到0.02以上時(shí)可有效抑制斜拉索的渦激振動(dòng);對(duì)數(shù)衰減率達(dá)到0.03以上時(shí)能有效防止斜拉索的風(fēng)雨振;對(duì)數(shù)衰減率達(dá)到0.05以上時(shí)可防止并排斜拉索的尾流馳振。抽檢公和橋12根斜拉索進(jìn)行對(duì)數(shù)衰減率測試, 斜拉索對(duì)數(shù)衰減率實(shí)測值如表2所示。
由表2可知, 除W16南側(cè)索的對(duì)數(shù)衰減率為0.04外, 其它11根索的對(duì)數(shù)衰減率均不小于0.05, 橋梁建成至今也未出現(xiàn)斜拉索的尾流馳振現(xiàn)象, 表明公和橋斜拉索的減振效果較好。
表2 斜拉索對(duì)數(shù)衰減率實(shí)測值
2.2.3 其它測試結(jié)果分析
斜拉索索力變化和斜拉橋橋面線形息息相關(guān), 橋面布置永久性觀測點(diǎn)的觀測結(jié)果表明公和橋橋面線形平順, 南、北側(cè)高差較小, 最大高差為0.016m, 且歷年的測試結(jié)果穩(wěn)定, 連續(xù)3年橋面高程變化量不超過±1cm, 說明目前斜拉索的病害尚未引起橋面線形變化。
外觀檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)E12北側(cè)索和W2南、北側(cè)索3根斜拉索塔端錨固區(qū)存在混凝土開裂現(xiàn)象, 橋梁荷載加載過程中, 對(duì)裂縫進(jìn)行監(jiān)測, 裂縫的長度和寬度均未明顯擴(kuò)展, 說明斜拉索塔端錨固區(qū)的裂縫為非結(jié)構(gòu)裂縫, 尚不影響橋梁結(jié)構(gòu)安全。
2.3 綜合評(píng)估
公和橋斜拉索的缺陷檢測和力學(xué)性能檢測結(jié)果表明, 目前斜拉索索力和減振效果均滿足規(guī)范要求;斜拉索的外觀雖存在一定的缺陷, 內(nèi)部鋼絲表面存在銹蝕, 但尚不影響結(jié)構(gòu)安全, 因此無需換索。
3 斜拉索修復(fù)
3.1 修復(fù)措施
斜拉索病害程度嚴(yán)重的需要進(jìn)行換索處理, 尚不嚴(yán)重的采取修復(fù)處理。斜拉索需換索的主要原因可分為以下2種: (1) 斜拉索外觀或內(nèi)部存在重大缺陷 (斜拉索腐蝕、斜拉索遭受車輛撞擊及火損等突發(fā)事故受損) ; (2) 斜拉索力學(xué)性能不足 (斜拉索索力超限或風(fēng)振強(qiáng)烈) 。公和橋斜拉索布置在橋面中心線處, 有防撞欄桿防護(hù), 建成至今尚未發(fā)生車輛撞擊、意外火災(zāi)等突發(fā)事件, 而該橋無需換索, 應(yīng)對(duì)既有病害進(jìn)行修復(fù)。該橋斜拉索的修復(fù)措施如下:
(1) 上、下錨頭修復(fù)。該橋斜拉橋上、下錨頭缺少黃油防護(hù), 斜拉索塔端錨固區(qū)存在非結(jié)構(gòu)裂縫, 該類病害對(duì)斜拉索的安全性影響較小, 但對(duì)索結(jié)構(gòu)的耐久性影響較大。對(duì)斜拉索上、下錨頭進(jìn)行除銹處理, 再重新添加黃油防護(hù), 并對(duì)斜拉索塔端錨固區(qū)的裂縫進(jìn)行灌漿處理。
(2) 防護(hù)罩修復(fù)。該橋共有7根斜拉索將軍帽處密封不嚴(yán), 導(dǎo)致斜拉索護(hù)罩內(nèi)發(fā)泡劑被水浸泡, 防護(hù)罩內(nèi)大量積水, 斜拉索下錨頭銹蝕, 該類病害對(duì)斜拉索的安全性和耐久性均有較大影響。清除這7根斜拉索防護(hù)罩內(nèi)的發(fā)泡劑, 烘干處理后填充新的發(fā)泡劑, 再對(duì)將軍帽處密封處理, 同時(shí)對(duì)斜拉索下錨頭防護(hù)罩進(jìn)行除濕烘干處理。
(3) PE護(hù)套修復(fù)。部分斜拉索索體PE護(hù)套存在蜂窩和開裂現(xiàn)象, 但未貫穿PE護(hù)套, PE護(hù)套病害目前尚不影響結(jié)構(gòu)安全, 但繼續(xù)惡化會(huì)直接危害斜拉索的安全和耐久性, 應(yīng)對(duì)PE護(hù)套受損部位進(jìn)行修復(fù)。
3.2 修復(fù)注意事項(xiàng)及修復(fù)效果
(1) 上錨頭修復(fù)和PE護(hù)套修復(fù)均為高空露天作業(yè), 墜落物可能危及過往車輛安全, 應(yīng)做好相應(yīng)的安全防護(hù), 并在施工期間封閉靠近塔區(qū)的車道。
(2) PE護(hù)套修復(fù)應(yīng)請(qǐng)斜拉索原制造廠家進(jìn)行修復(fù), 嚴(yán)格把控施工工藝, 確保PE護(hù)套的耐久性。
