嵌入式平行鋼絲斜拉索梁端錨固區(qū)病害特征與機理研究

嵌入式平行鋼絲斜拉索梁端錨固區(qū)病害特征與機理研究

斜拉是連接索塔和主梁的細長柔性橫截面，是斜拉橋的主要支撐部分。其良好的工作狀態(tài)直接關(guān)系到整個橋梁的結(jié)構(gòu)安全。當斜拉索運營一段時間后由于施工、環(huán)境、管養(yǎng)等原因造成斜拉索PE老化開裂、破損或鋼絲銹蝕、索內(nèi)積水、錨頭銹蝕等嚴重病害,影響斜拉索的安全使用。因此斜拉索檢測評估的可達性、準確性、科學性意義重大,較多學者針對在役平行鋼絲斜拉索的檢測評估進行了系統(tǒng)全面的研究。埋入式平行鋼絲斜拉索是一種特殊的平行鋼絲斜拉索,即:梁端錨頭是固定端,在斜拉索張拉完成后用鋼筋混凝土將梁端錨頭封閉于主梁內(nèi)。其優(yōu)點是將梁端錨頭與外界隔絕,降低梁端錨頭出現(xiàn)病害的頻率。但由于梁端錨頭的封閉性,使梁端錨固區(qū)成為檢測養(yǎng)護盲區(qū),同時,雨水進入套管內(nèi)難以排出體外而腐蝕鋼絲,導致拉索存在安全隱患。目前尚無學者對埋入式平行鋼絲斜拉索的檢測與使用壽命的安全評估進行研究。該文針對某長江公路大橋已使用22年的埋入式平行鋼絲斜拉索使用安全性進行試驗檢測,分析病害形成原因,提出平行鋼絲拉索的疲勞損傷和壽命判定方法。1斜拉橋結(jié)構(gòu)特點某長江公路大橋為主跨432m的雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋,橋跨為7孔連續(xù)結(jié)構(gòu)。斜拉索扇形布置,每個索面26對拉索,全橋共208根拉索,最長索238m,最短索53m。梁上索距8m,塔上索距1.5～3.0m。1.1外擠高密度聚乙烯拉索的保護方式斜拉索為?7mm平行鋼絲斜拉索,抗拉強度為1600MPa。由內(nèi)向外,拉索分為8層,共163根鋼絲。鋼絲束保護方式為外擠高密度聚乙烯護套PE+PU防護套。因部分PU護套損壞,在拉索使用16年后將全橋拉索將軍帽以上外部PU護套更換為PVF纏包帶并增加螺旋線。1.2端錨固點距節(jié)段斜拉索塔端錨頭為張拉端,梁端錨頭為固定端。梁端錨頭采用埋入式,錨頭埋入主梁混凝土邊肋內(nèi),其錨固點距節(jié)段線52cm,距主梁底緣40～50cm,原開槽口橫向?qū)?6cm,見圖1。1.3植入式梁端錨頭斜拉索敏感性更大,安裝難度大該橋與其他同時期、同類型的斜拉橋相比有如下特點:①梁高索距比小(為1/4,邊肋高2.0m,索距8.0m),主梁對斜拉索的敏感性更大;②埋入式梁端錨頭的斜拉索檢測、維修、更換難度大。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點、斜拉索外觀情況選擇1個索塔上下游各1對索進行更換,并對拆下的斜拉索進行試驗研究,進而對全橋斜拉索狀況進行分析、推測斜拉索使用壽命,指導后續(xù)斜拉索的養(yǎng)護工作。2試驗的檢測、方法和結(jié)果2.1梁端錨頭檢測2.1.1道口開槽內(nèi)發(fā)泡材料打開將軍帽對索道管內(nèi)密封材料進行檢查(圖2),由圖2可見:部分發(fā)泡材料已經(jīng)失效,有水進入索道管內(nèi)(上游1對索無水,下游1對索有水)。開槽后的梁端錨頭見圖3。由圖3可見:錨頭、錨頭和連接筒間均有銹蝕,連接筒與索體間密封的熱收縮套管均有破損。2.1.2梁端錨頭內(nèi)部缺陷檢測采用超聲和磁粉的綜合檢測方法對斜拉索上、下錨頭及螺母進行內(nèi)部探傷檢測(圖4),發(fā)現(xiàn)5SW下錨頭連接處存在1處缺陷磁痕和1處錨頭開裂。2.1.3拉索破斷力損失為準確檢驗斜拉索錨固段的整體錨固性能,對拆下的4根斜拉索梁端錨頭進行整體靜載試驗,結(jié)果見表1。由表1可知:所有錨頭破斷力均小于標準值,且有3根拉索效率系數(shù)小于標準值、1根鋼絲靜載延伸率小于標準值,說明使用22年后拉索破斷力平均降低704kN,下降速率為32kN/年,平均損失率為6.7%,最大損失率為10.6%,以此推斷當索使用30年時,拉索破斷力損失將達到15%以上。2.2hdpe套筒測試2.2.1hdpe本底拉伸試驗結(jié)果拉索HDPE護套的拉伸性能直接反映對內(nèi)部鋼絲的保護程度,為此需對拉索HDPE護套進行拉伸試驗。從每根拉索上、中、下3處選取共12組HDPE護套作為試驗原材料,熱融化后澆筑制成試樣進行拉伸試驗,結(jié)果見表2。由表2可知:所有試樣拉伸斷裂強度值均小于HDPE標準值(25MPa),最大應力值為12.6MPa,最小應力值為1.33MPa。說明HDPE護套經(jīng)22年以上使用后其護套拉伸性能削弱明顯,不能起到防護內(nèi)部鋼絲的作用。2.2.2hdpe套的影響測試為檢驗拉索護套抗外界沖擊荷載能力,需對HDPE護套進行沖擊試驗,沖擊強度標準控制值為≥25kJ/m2.2.3氧化誘導期控制從拆下的每根斜拉索上、中、下分別選取1段共12組HDPE護套試樣進行氧化誘導期試驗,規(guī)范要求的氧化誘導期控制值為58min。試驗結(jié)果見表4,由表4可知:12組試樣均不合格(最長誘導期為56.3min、最小誘導期為23.9min),HDPE抗氧化性能削弱程度嚴重,HDPE護套對鋼絲的保護作用降低。2.3試驗中的鋼絲2.3.1拉伸性能試驗分析鋼絲銹蝕程度直接影響斜拉索整體承載能力,對橋梁安全運營至關(guān)重要,因此必須對鋼絲銹蝕程度進行專項檢測。為更好地分析同一斷面拉索鋼絲腐蝕的分布規(guī)律,對斷面鋼絲進行編號,分析其腐蝕程度。編號原則為:采用百位數(shù)編號,最外層為第1層,共36根鋼絲。由于該拉索腐蝕程度較低,達到鐵基體腐蝕的程度,而現(xiàn)有的腐蝕程度評級方法該橋拉索均不適用,故根據(jù)該橋?qū)嶋H將鋼絲鍍鋅層腐蝕程度劃分為如下5級:(1)1級:鋼絲表面光滑,鍍鋅層腐蝕面積為10%以下。(2)2級:介于1級和3級之間。(3)3級:鋼絲表面部分顏色較深,鍍鋅層腐蝕面積為40%～60%。(4)4級:介于3級和5級之間。(5)5級:鋼絲表面粗糙,顏色很深,鍍鋅層腐蝕面積達90%以上或存在大面積的深度腐蝕。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn):①僅鋼絲鍍鋅層存在部分腐蝕現(xiàn)象,并無白銹生成;②僅有少部分鋼絲鍍鋅層消耗嚴重,外觀顏色變深;③鋼絲鍍鋅層整體腐蝕趨勢為由外向內(nèi)逐漸減輕,最外層鍍鋅層腐蝕程度相對最嚴重,占比58.33%(鍍鋅層腐蝕面積達90%以上或存在大面積深度腐蝕)。根據(jù)試驗結(jié)果與檢查對比進行分析,其結(jié)果為:①鋼絲鍍鋅層腐蝕程度由外向內(nèi)逐漸減輕,最外層較為嚴重,為5級和4級;②全斷面銹蝕程度5級22根(13.50%)、4級35根(21.47%)、3級74根(45.40%)、2級25根(15.34%)、1級7根(4.29%);③鍍鋅層腐蝕程度基本處于中等水平。2.3.2鋼絲防護性能從4根斜拉索中取上、中、下3個位置處的12組鋼絲試樣分別進行了鋼絲鋅層耐硫酸銅與附著性試驗,試驗結(jié)果見表5、6。根據(jù)表5耐硫酸銅試驗結(jié)果,試驗的12組鋼絲均不合格,說明鍍鋅層性能已嚴重削弱,鍍鋅層防護性能較差,已基本不能起到防護作用。附著性試驗結(jié)果表明:從36組試樣中(每根索選取9組試樣,按上中下分為:3∶3∶3,每組試樣共1根)有20根不合格,占比55.56%,尤其以靠近下錨頭位置處的鋼絲附著性最差,鋼絲整體鍍鋅層附著性明顯削弱,不滿足使用要求。同時也表明鋼絲潮濕越大,附著性削弱越大?？傮w表明,拉索鋼絲使用22年后其最外層的鍍鋅層已基本失去防腐作用。2.3.3索絲性能部分老化分別在每根斜拉索上、中、下3處共選取96組288根試樣(每根索24組,每組3根,每根長500mm)進行鋼絲拉伸性能試驗,結(jié)果表明:①鋼絲抗拉強度和屈服強度均合格;②彈性模量和延伸率有25根不合格(占所有試驗鋼絲的8.7%),不合格主要集中在最外兩層鋼絲(第1、2層各為8根,占不合格的64%)中的中下部位置(中下部各為9根,占不合格的72%)。說明斜拉索鋼絲均有不同程度損傷,性能部分老化,主要集中在中下部、最外兩層。分析試驗結(jié)果表明:在潮濕環(huán)境下?lián)p傷越大,強度削弱越大。2.3.4轉(zhuǎn)次數(shù)及斷口布置為檢驗斜拉索鋼絲扭轉(zhuǎn)性能,需對拉索鋼絲進行扭轉(zhuǎn)性能試驗,要求鋼絲的扭轉(zhuǎn)次數(shù)≥12次、斷口平整。從拆下的每根斜拉索上、中、下3處各選擇6根共72根鋼絲試樣進行單根鋼絲扭轉(zhuǎn)性能試驗,僅有2根合格。說明:鋼絲整體抗扭轉(zhuǎn)性能較差,與標準值相比較,使用22年的鋼絲抗扭轉(zhuǎn)已不滿足使用要求。2.3.5試驗疲勞試驗鋼絲疲勞次數(shù)關(guān)系到斜拉索的使用壽命,必須對斜拉索鋼絲進行疲勞試驗。試驗條件上限為0.45共選40組拉伸試樣(每組試樣1根)進行鋼絲疲勞試驗:有38根合格,2根不合格(均為下游拉索,1根位于5XE3斜拉索至鋼絲繩的性能變化機理分析3.1pe裝置的壽命通過對2000年以前建成的38座斜拉橋拉索運行狀況進行統(tǒng)計(部分典型橋梁使用情況見表7),已換斜拉索的壽命:≤10年有6座、11～20年有20座、21～24年有3座。至今未換索的使用壽命為21～29年的有7座、≥30年的有2座。經(jīng)分析表明:PE護套開裂、鋼絲銹蝕,且下錨頭端處于含水潮濕狀態(tài)下,鋼絲銹蝕嚴重,拉索的壽命<20年;PE護套開裂、鋼絲輕微銹蝕,拉索壽命為20～25年;PE護套無損傷,鋼絲銹蝕輕微,且下錨頭處于干燥環(huán)境,拉索壽命>25年。3.2拉伸損傷主要表現(xiàn)在由水土流失、操作環(huán)境和長期循環(huán)荷載作用下以拉索為主(1)大橋原斜拉索試驗時已接近22年,雖然后期增加了PVF纏包帶,但PVF纏包帶已使用近8年,HDPE護套暴露空氣中達14年,HDPE護套拉伸、抗沖擊、氧化誘導期等性能下降明顯,HDPE護套對內(nèi)部鋼絲防護性能下降,已不能起到防護內(nèi)部鋼絲的作用。(2)鋼絲長期處于高強動荷載環(huán)境下將導致大部分鋼絲的拉伸、扭轉(zhuǎn)和疲勞等性能下降,特別在潮濕環(huán)境下,水氣綜合作用易產(chǎn)生疲勞腐蝕。鋼絲拉伸損傷,主要集中在中下部、最外兩層,這與鋼絲所處位置有很大的關(guān)系,環(huán)境越潮濕,強度削弱越大。(3)拉索破斷力隨著使用年限增加而逐漸下降。經(jīng)分析,拉索破斷力平均降低704kN,下降速率為32kN/年,破斷力平均損失率為6.7%,最大損失率為10.6%,以此推斷當索使用30年,拉索破斷力損失將達到15%以上,拉索須更換。(4)梁端錨頭埋入混凝土內(nèi),當雨水進入索道管內(nèi)后將形成梁端錨頭長期處于潮濕積水的工作環(huán)境,在水氣綜合作用下使錨頭銹蝕。但僅有上端有孔洞而下端封閉條件下,又阻礙了水氣作用的速率,相應減緩腐蝕速度。(5)因平行鋼絲拉索為同心圓周截面,在振動和高應力作用下,會對鋼絲產(chǎn)生側(cè)向壓應力作用,離圓心越遠,偏角越大,損傷越大。在腐蝕環(huán)境和長期循環(huán)荷載作用下,鋼絲強度下降,其鋼絲銹蝕和力學指標沿拉索徑向由外到內(nèi)依次降低,主要集中在拉索最外側(cè)1、2層。沿縱向鋼絲腐蝕程度多集中在拉索下段,說明雨水沿拉索向下流動,匯集在錨頭下端所致。4拉索的退化特性以某長江大橋拆下的4根斜拉索為研究對象,分別從外觀和力學性能方面進行試驗檢測,對病害機理進行分析,可得如下結(jié)論:(1)埋入式拉索的錨固區(qū)在潮濕環(huán)境下易引起鋼筋銹脹,安全風險高。(2)無論是干燥條件還是含水潮濕狀態(tài),鋼絲鍍鋅層隨著使用年限延長均存在功能退化現(xiàn)象;同時防腐退化呈現(xiàn)由外向內(nèi)逐步減弱的規(guī)律,最外二層退化腐蝕較明顯。(3)鋼絲抗扭轉(zhuǎn)性能在使用22年后已不滿足使用要求。(4)拉索破斷力平均降低704kN,下降速率為32kN/年,破斷力平均損失率為6.7%,最大損失率為10.6%,以此推斷當索使用30年,拉索破斷力損失將達到15%以上。(5)在長期循環(huán)荷載作用下,斜拉索的彈性模量和延伸率