斜拉桥斜拉索的主要病害及成因分析
2015-06-09
1.拉索病害及成因分析
在斜拉桥设计、施工和使用过程中，尽管对斜拉索采取了各种防腐、减隔振措施，但由于方法、工艺、材料等不合理，使得斜拉索病害已成为制约斜拉桥使用寿命的关键性因素。因此，分析斜拉索病害原因，在设计、施工和使用斜拉桥时给予足够的重视，并采取各种有效措施延长拉索的使用寿命。
1.1拉索腐蚀
腐蚀是物质与介质作用而引起的变质或破坏。由于腐蚀过程是自发的，所以在斜拉桥整个寿命期内，拉索的腐蚀破坏将会始终存在。
①拉索腐蚀部位
拉索钢丝腐蚀程度基本上取决于橡胶护套的破损程度，因为这是雨水或露水顺钢索流入或渗入护套内产生的结果，所以钢丝腐蚀有两个明显特点：腐蚀程度大体遵循“上轻下重”规律，即处于较高位置的钢丝腐蚀较轻，处于较低位置的钢丝腐蚀较重；腐蚀较严重的部位，往往是靠近护套破损的部位以及破损处以下的一段部位。
②拉索腐蚀成因
拉索遭受腐蚀的原因，主要是因为防护系统老化而出现大量的微孔、裂纹或裂缝，从而不能有效地隔绝空气、水汽、水和腐蚀介质。这些物质进入护套后，容易在钢丝表面形成水膜，使钢丝发生电化学腐蚀，水膜中溶解的腐蚀介质，如S02和橡胶挥发物，对锌层腐蚀还有明显加速作用。随着橡胶防护套逐步老化，微孔、裂纹和裂缝大量出现，气体、水分不断进入、水汽凝聚和腐蚀介质溶解对钢丝形成长期的电化学腐蚀。长期腐蚀的结果，形成严重腐蚀。
1.2拉索氢脆
斜拉索氢脆也是电化学现象，与腐蚀略有不同。产生氢脆现象必须同时满足环境、材料、应力的条件才会发生。美国1940年在俄亥俄州朴次茅斯格兰特将军大桥发生的缆绳锚爪鞘开裂的事故，就是因为雨水中含有的微量硝酸盐附在缆绳上发生应力开裂。氢脆是断裂时间随阴极变化而变短，应力腐蚀开裂是断裂时间随阳极变化而变短。
1.3拉索回缩
拉缩回缩主要是针对高强度热镀锌钢丝制成的拉索而言的。此类斜拉索在张拉过程中分丝板会与锚杯内壁相接触，分丝板除了承受拉力和冷铸体的反力外，还将承受侧向挤压力和摩擦力，而分丝板厚度较薄，一般为20mm或25mm，这样，分丝板常会因受力过大而变形，导致钢丝回缩，影响斜拉索的疲劳寿命。
1.4拉索断丝
与其他金属材料一样，拉索钢绞线钢丝也存在破坏失效的问题。锈蚀是钢丝破坏的一种最初表现，断丝则是钢丝破坏失效的一种直观形式。造成断丝现象的原因有多种：
①盘条本身的疏松、夹杂、气泡、成分偏析等缺陷，这些缺陷若在生产过程中暴露，就会给成品钢丝留下断裂隐患点。
②为追求出材率和连续生产，对盘条采用焊接方式连接，这些焊接点也是钢丝的断裂隐患点(国内对桥梁缆索用钢丝提出了不允许盘条接头的技术要求)。
③在制索和架索过程中，由于牵引力作用，缺陷钢丝会断裂，或因扭绞、钩挂等原因造成断丝。
④后续施工(如拉索紧缆、安装索夹、缠丝、拆卸工作等)操作不慎，也可能造成断丝。
⑤营运过程中动态荷载作用，环境腐蚀，应力腐蚀和疲劳等均会造成钢丝在使用过程中断裂。
1.5拉索滑丝
拉索滑丝主要发生在斜拉索张拉过程中，发生滑丝现象，其原因是多方面的，主要原因有：
①锚具硬度不合格，锚塞热处理的硬度不合格。楔块的松紧不一和挟握钢丝部分附近有油污或楔块不良也会产生滑丝。
②钢丝直径误差较大。若有的钢丝直径小，钢丝往往卡不住而引起滑丝。
③动力作用的影响。拉索受到动力作用时，有可能松动，造成滑丝，滑丝严重时可造成失锚。
1.6拉索振动
斜拉索重量轻、阻尼小，振动产生的荷载远远超过其自重，常成为拉索设计的控制性荷载。斜拉索多暴露于大气中，在风或索锚固端运动作用下发生横向振动。随着斜拉桥跨度的增加，拉索振动愈加显著。拉索的振动对拉索本身，以及其它构件都存在不容忽视的危害。
斜拉桥的拉索在自然因素和人为因素下会发生各种不同机制的振动。目前探索出的斜拉索的振动机制主要有自然因素引起的涡流激振、尾流弛振、风雨振、参激振动和受人为因素(如人群的运动、吊装机具、车辆的运动、混凝土输送泵的运动、混凝土振捣器的运动等)引起的抖振等五大主要类型。由于拉索的非线性因素较为明显，参激振动对拉索的影响也较大。
1.7拉索索力退化
斜拉索被称作是斜拉桥的生命线。一座斜拉桥中，由于某些斜拉索索力退化，直接影响其它拉索的索力分布，且对主梁的线形、结构内力等产生显著的影响。
产生索力退化的原因有：
①拉索腐蚀造成的拉索断丝，使组成拉索的钢丝数量减少。
②斜拉索疲劳引起的钢丝强度退化。
③温度影响导致结构发生整体或局部的损伤，使有些斜拉索也会发生不同程
度的退化。
④拉索锚固系统的松动。
⑤下锚头严重渗水，产生的病害已使拉索系统受力状态产生了严重退化。
⑥施工过程中梁体高程控制，不准引起结构内力重分布，使结构受力偏离设
计值。
⑦主梁局部强度与刚度变化，造成主梁线性变化所产生的拉索索力退化。
⑧索塔基础的下沉，地震、台风以及交通事故等灾害的影响等。
1.8斜拉桥拉索滑移
矮塔斜拉桥拉索滑移的主要原因是主塔两侧施工荷载的差异导致斜拉索两侧不平衡索力。在施工阶段，主塔鞍座索孔未灌注环氧砂浆，其抗滑移能力相对较弱，再者主塔鞍座处斜拉索抗滑移能力主要是由鞍座双重管内管与(斜拉索)钢绞线之间摩擦力提供，当主塔鞍座两侧斜拉索索力差超过它们之间摩擦力就会发生滑移。
2.拉索防护体系的病害及成因分析
对斜拉桥而言，拉索防护的好坏直接影响斜拉索的使用寿命。因此，要对拉索防护设施的病害进行分析，力图在设计、施工过程中采取有效措施，从而延长拉索的使用寿命。
2.1缠色涂层的病害
早期认为钢丝镀锌会引起氢脆而采用非镀锌密封钢丝绳，锚头采用热铸锚。钢丝绳防腐措施为绳内部充注红丹及亚麻油，外部两层涂层为红丹和邻苯二甲酸树脂。其病害及原因如下：
①防腐涂层薄弱老化，出现龟裂。
②热铸锚进口处，灌锚防腐层被烧掉，锚口处密封不严，使腐蚀物进入索体表面，腐蚀拉索。
③拉索锈蚀出现斑点，下端锚口处严重应力腐蚀并发生断丝一腐蚀疲劳断裂，从而造成缠色涂层脱落、开裂损坏。
2.2 PE管内压注水泥浆防护的拉索病害
有很多斜拉索采用钢丝与PE外护套间压注水泥浆的防腐措施。采取这种防腐措施的拉索，在成桥几年后，拉索上通常会出现一些纵向裂缝。其主要原因有：
①注浆压力使PE管超变形；
②高温进行压注施工，冬季低温PE管收缩引起固向拉应力；
③PE管压注水泥浆的防护措施， PE管会随着使用时间的延长出现老化粉化等病害，使PE管减薄，减薄的PE管，在拉索振动作用下，造成PE管开裂，从而降低其防护性能。
2.3热挤塑双层PE护层的病害
自20世纪90年代初开始，斜拉索防护在错误教训中几经改善，现在广泛应用镀锌钢丝经编丝缠包后热挤塑双层护层，有的双层护层再加PVF带缠包和涂装。
目前热挤塑双层护层防护，经实桥检查仍有下述严重病害：
①外护套产生环状开裂或PE层断开，断开有的达lcm宽，水从而进入索体将钢丝腐蚀。这种病害的原因是恒、活载拉应力和挤塑高温至使用最低温度的温差共同作用，又兼质量低劣的高密度聚乙烯材料抗老化性能差。在国内已建成的斜拉桥中已有数座桥斜拉索发生上述情况的病害。
②作为减振圈支撑的预埋管端口进水，结果预埋管成为“贮水管"，进而接长管与锚杯口受水侵入，夹片群锚受水侵入，钢丝、钢绞线、锚杯、镀圈锈蚀。预埋管内、夹片锚防护罩加注石蜡或黄油，石蜡及黄油变质，水仍然侵入。几乎大部分斜拉桥斜拉索均存在不同程度的这种病害。
3.结语
在斜拉桥设计、施工和使用过程中，尽管对斜拉索采取了各种防腐、减隔振措施，但由于受拉索本身质量、设计、工程施工及管理养护等诸多因素的影响，使得斜拉索病害己成为制约斜拉桥使用寿命的关键性因素。对斜拉桥而言，拉索的好坏直接影响斜拉索的使用寿命。因此，要对拉索防护设施的病害进行分析，力图在设计、施工过程中采取有效措施，从而延长拉索的使用寿命，防止病害的发生。
