周 瀟

(武漢市城市路橋收費(fèi)管理中心，湖北武漢 430050)

鋼管混凝土拱橋吊桿疲勞壽命研究

周 瀟

(武漢市城市路橋收費(fèi)管理中心，湖北武漢 430050)

吊桿是鋼管混凝土拱橋的重要受力構(gòu)件，直接影響橋梁結(jié)構(gòu)安全，但目前對(duì)于吊桿破斷的安全判定指標(biāo)不明確, 因此對(duì)吊桿的防腐體系和疲勞壽命進(jìn)行研究就尤為必要。文章通過(guò)對(duì)晴川橋吊桿的外觀檢測(cè)、PE材料老化試驗(yàn)、鋼絲力學(xué)試驗(yàn)、鋼絲疲勞試驗(yàn)，系統(tǒng)開(kāi)展吊桿防腐體系及疲勞壽命研究，為判斷吊桿安全狀況提供了參考。

拱橋； 吊桿； 疲勞壽命； 安全

吊桿的使用正常與否，關(guān)系到拱橋的整體壽命和安全。由于目前對(duì)于吊桿破斷的安全判定指標(biāo)不明確,針對(duì)吊桿破壞壽命短且分散不定的情況，工程中常采用“二年一檢測(cè)，十年一拆換”等措施來(lái)確保橋梁安全，然而這類(lèi)措施的周期也是憑經(jīng)驗(yàn)確定的，不能保證采取此等措施就能真正確保拱橋的安全，因此對(duì)吊桿的防腐體系和疲勞壽命進(jìn)行研究就尤為必要。

1 研究背景

晴川橋位于漢江與長(zhǎng)江交匯處， 2000年10月建成通車(chē)，雙向四車(chē)道，橋?qū)?0 m。主橋?yàn)閮艨?280 m 的下承式鋼管混凝土系桿拱橋。主拱由上下 2 片桁架組成，每片桁架由 4 根φ1 000 mm×12 mm 弦管、綴板和腹桿構(gòu)成，且桁架之間有橫撐連接。本橋共計(jì) 110 根吊桿，吊桿采用 61φ7 高強(qiáng)鍍鋅平行鋼絲(Rby=1670 MPa)，冷鑄鐓頭錨具熱擠 PE 防護(hù)(圖1)。

圖1 橋型布置

2014年檢測(cè)發(fā)現(xiàn)上游37#吊桿PE 護(hù)套破損嚴(yán)重，開(kāi)窗發(fā)現(xiàn)內(nèi)部平行鋼絲表面銹斑成片出現(xiàn)，除銹后鋼絲表面有凹坑。在新剖開(kāi)的PE護(hù)套內(nèi)表面存在水珠，鋼絲內(nèi)部積水，而且鋼絲表面出現(xiàn)銹蝕坑，由于吊桿截面尺寸小，對(duì)銹蝕作用非常敏感，在凹坑處會(huì)出現(xiàn)比較明顯的應(yīng)力集中，在應(yīng)力銹蝕及疲勞荷載作用下吊桿將迅速發(fā)生銹蝕疲勞斷裂。為確保橋梁安全，以及對(duì)吊桿工作狀況進(jìn)行研究的需要，對(duì)晴川橋上游1#吊桿、上游37#吊桿、下游16#吊桿進(jìn)行更換，并結(jié)合更換下的3根吊桿開(kāi)展疲勞壽命研究。分別開(kāi)展吊桿外觀檢測(cè)、PE護(hù)套老化試驗(yàn)、吊桿退化鋼絲力學(xué)性能試驗(yàn)、吊桿退化鋼絲疲勞試驗(yàn)，通過(guò)各項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)吊桿進(jìn)行評(píng)估，并為類(lèi)似橋梁設(shè)計(jì)維護(hù)提供相關(guān)建議。

2 試驗(yàn)研究

2.1 外觀檢測(cè)

對(duì)更換下來(lái)的3根吊桿進(jìn)行錨頭開(kāi)蓋檢測(cè)、鋼絲銹蝕檢測(cè)和機(jī)械切割內(nèi)部鋼絲檢測(cè)。統(tǒng)計(jì)資料表明，吊桿索結(jié)構(gòu)病害中，鋼絲銹蝕和開(kāi)裂具有出現(xiàn)頻率高、檢測(cè)困難、降低吊桿承載力、無(wú)法修復(fù)的特點(diǎn)，對(duì)吊桿的危害性最大。鋼絲銹蝕的出現(xiàn)頻率比開(kāi)裂發(fā)生的頻率高得多，而開(kāi)裂總是發(fā)生在銹蝕位置，因此鋼絲銹蝕是決定吊桿極限承載力和剩余使用壽命的關(guān)鍵因素。在吊桿的病害中，僅錨頭開(kāi)裂對(duì)吊桿承載力有較大影響，但這種病害極為罕見(jiàn)。通常，人們以為錨頭附近的鋼絲易于發(fā)生銹蝕或開(kāi)裂病害，但晴川橋吊桿外觀檢測(cè)及解剖結(jié)果表明，套筒附近的鋼絲并沒(méi)發(fā)生銹蝕，而是在PE護(hù)套破損開(kāi)裂位置存在鋼絲銹蝕病害。

2.2 PE材料老化試驗(yàn)

剝除37#索吊桿外層纏包帶，從PE護(hù)套上取6個(gè)試件，3個(gè)一 組進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。即3個(gè)試件置于70 ℃環(huán)境中96 h后，測(cè)試其力學(xué)性能，另外3個(gè)試件在常溫環(huán)境下PE進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，兩組試件結(jié)果做對(duì)比分析，研究熱空氣下材料老化情況。對(duì)試件進(jìn)行熱空氣老化試驗(yàn)，采用的主要檢測(cè)儀器設(shè)備有CTP701F高低溫試驗(yàn)箱、CMT5105微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。將3個(gè)PE試件進(jìn)行70 ℃高溫下暴露96 h后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)試其抗拉強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率，另取3個(gè)PE試件直接進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)試其抗拉強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率(圖2、圖3)。

圖2 PE材料取樣

圖3 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

2.3 鋼絲力學(xué)試驗(yàn)

采用鋼絲最小截面直徑法測(cè)量鋼絲的銹蝕程度，經(jīng)過(guò)銹蝕程度量化后的鋼絲試件，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加載。得到鋼絲主要力學(xué)性能指標(biāo)隨鋼絲銹蝕程度變化關(guān)系，從而根據(jù)銹蝕程度推斷吊桿力學(xué)性能指標(biāo)的變化。

將替換下來(lái)的吊桿進(jìn)行剝除護(hù)套，取出單根鋼絲，將銹蝕鋼絲進(jìn)行鋼絲銹蝕程度等級(jí)劃分后，選擇具有代表性的幾根鋼絲，將試驗(yàn)段鋼絲逐一編號(hào)后排列，在除去每一根鋼絲的銹層之后，選擇該根鋼絲的較小截面尺寸進(jìn)行測(cè)量，此測(cè)量尺寸作為鋼絲的有效截面尺寸。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)以及鋼絲外觀的觀察，對(duì)照鋼絲銹蝕程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)。對(duì)編好號(hào)的鋼絲進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

1#短吊桿在實(shí)橋運(yùn)營(yíng)中受力狀態(tài)為最不利狀態(tài)。由于短吊桿自由長(zhǎng)度太短，受溫度變化影響大，且橋面反復(fù)縱向位移，短吊桿不能自由擺動(dòng)，頻頻出現(xiàn)較大的附加應(yīng)力。試驗(yàn)選擇1#吊桿在使用14 年后的狀態(tài)進(jìn)行鋼絲材料力學(xué)性能試驗(yàn)，選擇的鋼絲為表面無(wú)銹蝕的鋼絲，抗拉強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，說(shuō)明無(wú)銹蝕情況下，鋼絲材料性能并無(wú)明顯改變。

2.4 鋼絲疲勞試驗(yàn)

取37#吊桿鋼絲一根，表面光潔無(wú)銹蝕部位在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，頻率采用15 Hz，次數(shù)為50×104次，測(cè)試其抗拉強(qiáng)度。最終測(cè)定其疲勞抗拉強(qiáng)度為1 429 MPa，比規(guī)范要求的1 670 MPa下降14 %。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查，鋼絲銹蝕均出現(xiàn)在PE護(hù)套破損位置。因此，加強(qiáng)PE 護(hù)套的定期檢查與防護(hù)，對(duì)保證鋼絲正常使用具有重要意義。

(2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)吊桿的解剖，雖然吊桿鋼絲表面存在銹蝕，但內(nèi)部鋼絲均處于完好狀態(tài)，說(shuō)明吊桿內(nèi)部防腐延緩或阻止了鋼絲銹蝕的傳播。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，吊桿鋼絲在表層局部銹蝕后，其抗拉強(qiáng)度仍滿足規(guī)范要求。

(4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，吊桿 PE 護(hù)套的抗拉強(qiáng)度和扯斷伸長(zhǎng)率對(duì)溫度變化并不敏感。

(5)通常以為錨頭附近的鋼絲易于發(fā)生銹蝕或開(kāi)裂病害，但通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)切割，套筒附近的鋼絲并沒(méi)發(fā)生銹蝕，而是在 PE 護(hù)套破損開(kāi)裂位置存在鋼絲銹蝕病害，這也說(shuō)明PE護(hù)套的保護(hù)對(duì)防止鋼絲銹蝕的重要性。

(6)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出以下建議：

①重視纏包帶與PE護(hù)套的檢查，根據(jù)規(guī)范要求定期開(kāi)展纏包帶和PE護(hù)套的檢查工作；

②對(duì)于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的PE護(hù)套開(kāi)裂或破損，應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)。若發(fā)現(xiàn)PE護(hù)套修補(bǔ)處重復(fù)破損，則應(yīng)引起注意，開(kāi)展鋼絲銹蝕或斷絲檢測(cè)。

③考慮到外部防護(hù)對(duì)鋼絲壽命的重要性，從實(shí)際使用條件出發(fā)，建議將橋梁竣工至吊桿 PE 護(hù)套達(dá)到老化壽命期，作為吊桿正常使用壽命期。

[1] 孫慶凱. 大跨中承式拱橋短吊桿結(jié)構(gòu)行為研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2003.

[2] 陳兵， 趙雷， 楊弘， 等. 拉薩柳梧大橋吊桿疲勞壽命研究[J]. 鐵道建筑, 2007(4): 6-8.

[3] 鐘啟賓. 系桿拱橋吊桿、系桿設(shè)計(jì)壽命及相關(guān)問(wèn)題[J]. 預(yù)應(yīng)力技術(shù), 2002(2).

[定稿日期]2017-06-21

周瀟(1982～)，男，碩士研究生， 工程師， 從事橋梁檢測(cè)養(yǎng)護(hù)管理工作。

U446.3

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