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 1.概述

斜拉索是傳遞斜拉橋主梁、橋面系恒載及活載至橋塔的關鍵受力構件，其服役情況直接關系到橋梁結構安全。鑒于目前大多數斜拉索使用壽命短(僅為橋梁設計基準期的110左右，普遍不足20年)，服役期間易出現(xiàn)病害，斜拉索的專項檢測和日常維護至關重要。

沈陽市公和橋主橋是我國第1座雙層獨塔單索面斜拉橋，至今已運營15年，主橋跨徑布置為(114+120)m。該橋主梁采用單箱5室預應力混凝土箱梁，橋塔采用混凝土結構，橋塔有索區(qū)采用工字形截面下部結構采用樁基礎。該橋斜拉索為32對平行鋼絲索，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。斜拉索采用極限強度為1670MPa的二5mm被鋅低松弛高強鋼絲，鋼絲數分別為283和301，采用冷鑄錨錨固。斜拉索設置雙層熱擠PE護套防護，梁端防護罩填充發(fā)泡劑，錨頭端設置防水罩。公和橋主橋立面布置如圖1所示。為評估該橋斜拉索的服役情況，確保結構的安全、穩(wěn)定，需對其斜拉索進行檢測，并對病害處進行修復。

2斜拉索檢測評估

根據斜拉索的常見病害特點，重點檢測該橋斜拉索的腐蝕情況(外觀與內部缺陷檢測)、索力安全性及減振效果(力學性能檢測)。

圖1 公和橋主橋立面布置

2.1外觀與內部缺陷檢測評估

斜拉索在運輸、儲存及施工過程中操作不當4，斜拉索外觀存在缺陷均可產生斜拉索索體積水，進而導致斜拉索腐蝕。通過查閱橋梁建設及管養(yǎng)資料，未發(fā)現(xiàn)斜拉索在橋梁建設過程中存在積水的現(xiàn)象。根據該橋斜拉索的構造恃點，重點檢測斜拉索上、下錨頭，將軍帽，PE護套等易致索體進水的部位5，同時需對斜拉索內部缺陷進行無損檢，以評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部，上錨頭處于密封環(huán)境，雨水通過上錨頭進入索體的概率較小，而該橋上錨頭錨固在橋塔外表面，長年受雨水侵蝕，可能導致雨水進入索體。通過對全橋64個上錨頭進行外觀檢查，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個斜拉索上錨頭油脂缺少，錨頭防護罩處有黃油滲出，占上錨頭總數的53.1％(2)3根斜拉索上描頭(E12北側索和W2南、北側索)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，占上錨頭總數的4.7％。

公和橋下錨頭罐固在箱梁中室內部，均安裝了防護罩，檢測時需打開防護罩及錨杯蓋。檢查得出下頭的主要病害為:(1)下錨頭錨杯內均未發(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罩內有積水現(xiàn)象, 占總數量的10.9%, 7根斜拉索的索號分別為W10南側索、W15南側索、W16南側索和W5北側索、W6北側索、W15北側索、W16北側索; (2) 下錨頭錨杯處缺少黃油防護, 防護罩內(見圖2)的斜拉索下描頭腐蝕情較為嚴重，鏈杯內壁也存在銹性現(xiàn)象(見圖3)，其它斜拉索下罐頭及杯內外觀情況較好，只是錨頭外側存在輕度銹蝕現(xiàn)象。

圖2 下錨頭防護罩內積水

圖3 下錨頭錨杯內壁銹蝕

2.1.2 防護罩檢查

斜拉索護罩內均填充有發(fā)泡劑, 打開全橋64根斜拉索的將軍帽進行檢查, 發(fā)現(xiàn)W10南側索、W15南側索、W16南側索、W5北側索、W6北側索、W15北側索和W16北側索的套筒內發(fā)泡劑被水浸泡, 在斜拉索套筒上鉆孔進行檢查, 有水從開孔處流出, 其它斜拉索的套筒內發(fā)泡劑干燥 (見圖4、圖5) 。被水浸泡的斜拉索索號與下錨頭防護罩內存在積水的斜拉索索號一致, 說明雨水通過將軍帽進入斜拉索護罩是下錨頭防護罩積水的主要原因。

圖4 套筒內發(fā)泡劑干燥

圖5 套筒內發(fā)泡劑被水浸泡 

2.13PE護套外觀檢查及索體內部缺陷檢查

斜拉索索體外觀檢查采用索體檢機器人(可對自由段索體外觀進行360°全方位攝像)檢測并依據漏磁檢測原理對索體內部高強鋼絲的銹蝕和斷絲情況進行無損檢測6。外觀檢測結果表明:(1)8根斜拉索PE套管表面局部存在蜂窩，索號分別為E10南側索、W10南側索、W15南側索、E5北側索、W5北側索、W6北側索、W8北側索及W15北側索，占斜拉索總數的12.5％；(2)有16根斜拉索PE護套表面存在開裂現(xiàn)象，占斜拉索總數的25.0％；(3)局部存在蜂和裂縫均為PE護套表面損傷，尚未貫穿PE護套。PE護套病害產生的原因可能是因為建設期運輸、施工工藝不當、PE護套材料老化或活載反復疲勞作用。

無損檢測結果表明下錨頭防護罩內有積水的7根斜拉索內部鋼絲均未出現(xiàn)斷絲，斜拉索鋼絲的最大截面銹蝕率在153％～527％之間。依照《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG「H21-2011）的規(guī)定，該斜拉索鋼絲的銹蝕標度為3，推斷鋼絲表面存在銹蝕，部分氧化皮已經剝落?！冻鞘袠蛄吼B(yǎng)護技術規(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，必須進行換索，該橋的斜拉索尚未達到必須換索的條件。

下頭防護罩內積水的斜拉索的PE護套表面不一定存在缺陷，部分PE護套受損的斜拉索下錨頭未發(fā)現(xiàn)明顯病害，考慮到PE護套僅為表層受損，各斜拉索鋼絲的最大截面銹蝕率較低，推斷雨水通過PE護套進入索體的概率較小。

2.1.4檢測注意事項

斜拉索外觀與內部檢測時，應注意以下內容：(1)打開上、下頭檢查時，應及時排出防護罩內的積水，檢查完成后將防護罩復原，避免因檢測造成斜拉索體系構件丟失；(2)檢查斜拉索防護罩鉆孔時，鉆孔位置應選擇在護套下方避雨處，開孔后盡快組織檢查，檢查完成后盡快修復，(3)采用斜拉索機器人進行檢測時應控制機器人的握緊力，握緊力過大可能導致PE護套受提;(4)上錨頭和防護罩暴露在自然環(huán)境中，檢測時應避開雨水天氣，防止雨水進入索體。

2.2力學性能檢測評估

2.2.1索力測試結果分析

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果表明，恒載狀況下公和橋斜拉索索力穩(wěn)定，2016年實測索力與成橋索力偏差在5％以內的斜拉索有53根，占總數量的82.8％，共有11根索的實測索力與成橋索力偏差超過了5％。下錨頭防護罩積水嚴重的7根斜拉索索力測試結果如表1所示。

表1 下錨頭防護罩積水嚴重的7根斜拉索索力測試結果  

綜合考慮恒載作用下的實測索力、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, 計算得出全橋斜拉索的安全系數最小值為2.63, 其中下錨頭防護罩積水嚴重的7根斜拉索的安全系數最小值為2.77, 滿足斜拉索在服役期間索力安全系數不得低于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

斜拉索對數衰減率達到0.02以上時可有效抑制斜拉索的渦激振動;對數衰減率達到0.03以上時能有效防止斜拉索的風雨振;對數衰減率達到0.05以上時可防止并排斜拉索的尾流馳振。抽檢公和橋12根斜拉索進行對數衰減率測試, 斜拉索對數衰減率實測值如表2所示。

由表2可知, 除W16南側索的對數衰減率為0.04外, 其它11根索的對數衰減率均不小于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 斜拉索對數衰減率實測值

2.2.3 其它測試結果分析

斜拉索索力變化和斜拉橋橋面線形息息相關, 橋面布置永久性觀測點的觀測結果表明公和橋橋面線形平順, 南、北側高差較小, 最大高差為0.016m, 且歷年的測試結果穩(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。

外觀檢測時發(fā)現(xiàn)E12北側索和W2南、北側索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, 對裂縫進行監(jiān)測, 裂縫的長度和寬度均未明顯擴展, 說明斜拉索塔端錨固區(qū)的裂縫為非結構裂縫, 尚不影響橋梁結構安全。

2.3 綜合評估

公和橋斜拉索的缺陷檢測和力學性能檢測結果表明, 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, 內部鋼絲表面存在銹蝕, 但尚不影響結構安全, 因此無需換索。

3 斜拉索修復

3.1 修復措施

斜拉索病害程度嚴重的需要進行換索處理, 尚不嚴重的采取修復處理。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) 斜拉索力學性能不足 (斜拉索索力超限或風振強烈) 。公和橋斜拉索布置在橋面中心線處, 有防撞欄桿防護, 建成至今尚未發(fā)生車輛撞擊、意外火災等突發(fā)事件, 而該橋無需換索, 應對既有病害進行修復。該橋斜拉索的修復措施如下:

(1) 上、下錨頭修復。該橋斜拉橋上、下錨頭缺少黃油防護, 斜拉索塔端錨固區(qū)存在非結構裂縫, 該類病害對斜拉索的安全性影響較小, 但對索結構的耐久性影響較大。對斜拉索上、下錨頭進行除銹處理, 再重新添加黃油防護, 并對斜拉索塔端錨固區(qū)的裂縫進行灌漿處理。

(2) 防護罩修復。該橋共有7根斜拉索將軍帽處密封不嚴, 導致斜拉索護罩內發(fā)泡劑被水浸泡, 防護罩內大量積水, 斜拉索下錨頭銹蝕, 該類病害對斜拉索的安全性和耐久性均有較大影響。清除這7根斜拉索防護罩內的發(fā)泡劑, 烘干處理后填充新的發(fā)泡劑, 再對將軍帽處密封處理, 同時對斜拉索下錨頭防護罩進行除濕烘干處理。

(3) PE護套修復。部分斜拉索索體PE護套存在蜂窩和開裂現(xiàn)象, 但未貫穿PE護套, PE護套病害目前尚不影響結構安全, 但繼續(xù)惡化會直接危害斜拉索的安全和耐久性, 應對PE護套受損部位進行修復。

3.2 修復注意事項及修復效果

(1) 上錨頭修復和PE護套修復均為高空露天作業(yè), 墜落物可能危及過往車輛安全, 應做好相應的安全防護, 并在施工期間封閉靠近塔區(qū)的車道。

(2) PE護套修復應請斜拉索原制造廠家進行修復, 嚴格把控施工工藝, 確保PE護套的耐久性。