拉吊索桥梁病害分析及换索技术要点

拉吊索桥梁病害分析及换索技术要点作者：***来源：《西部交通科技》2020年第05期摘要：桥梁吊索是桥梁非常重要的组成部分，而目前桥梁吊索發生损坏的情况较多。

文章针对桥梁吊索病害和换索应注意的事项，分析了行之有效的换索方案，阐述了换索施工控制要点，并对改进桥梁换索技术提出了建议。

关键词：桥梁;吊索;损坏;更换0 引言拉吊索桥梁的重要组成部分之一是拉吊索，最初的拉吊索是由铁链和铁连杆制作而成。

目前的拉吊索全部由高强度钢丝或绞线制成，并且对索桥梁有更高的要求，它们基本上都是用高强度钢丝或绞线制作而成，并且已淘汰了粗轧轧制钢筋。

单根吊索的疲劳应力振幅已达到200～250MPa，断裂力目前已达到30MN，良好而有效的保护可以确保吊索寿命达到30年以上，而且吊索的生产已变得越来越工业化。

保护装置、钢丝绳、锚固装置是构成拉吊索的三部分，如图1所示。

索体的主要形式是平行钢丝绳和钢绞线，一般使用的锚固形式是夹片锚、冷铸锚。

平行（半平行）钢丝绳+冷铸锚（冷铸镦粗锚）、平行（半平行）钢绞线+夹片式群锚缆是拉吊索与锚具目前经常使用的组合形式。

镦粗锚、热铸锚和冷铸镦粗锚是可安装在钢索两端的拉锚;夹片式群锚又称为拉丝式群锚，因为配装夹片式群锚的拉索张拉时千斤顶直接拉钢索，张拉结束后锚具才会发挥功效。

现在我国桥梁吊索中常用的锚主要有夹片式群锚、镦头锚和冷铸锚，平行钢丝索是国内常用的保护形式，一般使用四层防护措施：钢丝镀锌、纤维增强聚酯带缠包、钢丝间填充防腐油脂和高密度聚乙烯（HDPE，high-densitypolyethylene）护套。

HDPE护套的特点是成本低、加工方便且稳定性高，并且它的机械性能和环保指标也比其他材料更优秀，在加入炭黑之后还能起到提高抗老化性的作用。

拉吊索桥梁建成通车后一般在3～17年进行一次换索，11.8年是换索桥梁的拉吊索平均使用寿命，一般来说最短可用3年，最长可达到17年之久。

通常来说，如果出现索体防护破损进水的情况，则说明拉吊索耐久性已经开始降低，耐久性降低会导致钢丝出现锈蚀、断裂的现象。

在我国，广东省南海市九江大桥和四川省嘉陵江石门大桥分别在建成10年后和17年后进行了索更换，这说明现场制索的质量难以保证，但因为运输、吊装、牵引等环节还是容易出现PE损坏的情况，所以必须及时进行检测及修理。

1 拉吊索病害常见拉吊索的病害如下：（1）钢管套管+水泥浆防护的拉吊索主要病害是在钢管套管裂开损坏后，雨水渗透进入了水泥浆里，钢管套管的上部未密实地充满水泥浆，水泥浆有漂浮浆液或未固化，并且在悬吊拱的下端预埋管中积聚了水和冷凝水，这就加强了对索体的腐蚀。

（2）铝套管+水泥浆防护的拉吊索的主要病害是水泥浆和套管中铝套产生的化学反应会导致铝套膨胀和破裂。

铝套中的上层水泥浆未进行密实填充，水泥浆有浮浆或不固化，因此会导致索体的腐蚀加重。

（3）热挤PE防护老化裂开损坏，并且锚固连接部分的钢丝裸露或密封失效，从而导致雨水渗入，这是钢绞线+防腐油脂+热挤PE防护的拉吊索的主要病害。

（4）在钢绞线张拉锚固施工的时候，因为张拉误差或操作不当的问题，导致每根钢绞线的张力和应力不均匀。

在后期的操作过程中，因为汽车荷载和风荷载的作用使桥梁一直保持震动的状态，从而导致钢绞线出现卡箍松动和滑移的情况，这是钢绞线+卡箍组锚的主要病害原因。

（5）还有一些因素会导致拉吊索防护破裂进水，引起钢丝锈蚀的情况，比如设计施工存在缺陷，所用材料或技术不够成熟、超载、材料自然老化、管理和维护措施不到位、自然灾害不可预测等原因。

2 导致拉吊索病害的原因2.1 吊索自身抗腐性差吊索受到腐蚀通常是因为水泥浆防护层的压实不足或PE防护层的破裂导致雨水进入，并且在潮湿的环境中导致钢丝腐蚀，同时吊索承受的高拉伸应力也加快了钢丝的锈蚀。

2.2 吊索上的钢丝受力情况复杂若吊索经常处于受拉的情况，随着时间的推移会变得松弛，这样会导致钢丝伸长，并且拉裂保护套材料。

如果在活载荷作用的情况下，由于吊索的载荷大小不同，吊索的内力不断发生改变，同时钢丝伸长也往复改变，这种反复将破坏保护系统的完整性。

无论是聚乙烯还是水泥，由于交变载荷的关系，在钢丝绳与锚头的连接处会产生一个小角度。

吊索会随着环境温度的变化而伸缩，但钢丝与护套之间的热膨胀系数存在较大差异，黑PE管的热膨胀系数是水泥及钢材的好几倍，所以不能同时膨胀和收缩。

同时，因为钢丝的强度远远超过防护材料，所以，防护材料容易发生断裂。

2.3 吊索摆动频度异常吊索的振幅在风雨中增加，甚至剧烈振荡，有时会出现波浪状的摆动。

在严重的情况下，斜拉桥的拉索甚至会相互碰撞。

剧烈的振动不仅会产生弯曲应力，还会损坏拉索的钢套、套管帽和地脚螺栓、拉索的防振阻尼器以及拉索的护套，并会引起拉索的疲劳损坏。

频繁的异常振动会加剧拉索根部保护器的疲劳裂纹，使拉索根部积水并加速吊索的腐蚀，导致拉索的使用寿命变少。

在设计的时候，通常来说拉吊索的安全系数取值都不能低于2.5，因此由于强度不足的关系从而导致拉吊索破坏的可能性比较小。

吊索保护的损伤和开裂一般来说是上述因素共同产生的效果，但最重要的原因是吊索钢丝与变形的保护材料不协调。

保护材料开裂导致空气中的水、氧气等有害物质与钢丝接触，于是发生腐蚀作用。

有害物质难以排出是因为吊索的防护措施有一定的密封性，积聚在吊索套内长期腐蚀着吊索钢丝。

拉吊索的其他病害还包括以下内容：设计和施工不足导致桥梁原始结构存在缺陷、材料的自然老化、操作不良、管理和维护措施缺陷、环境腐蚀等。

3 吊索桥换索应注意事项（1）在2000年以前，某些吊索桥在设计时未考虑更换吊索，所以更换设计时，必须充分考虑如何拉出旧索、清洁索孔及如何重穿新索，有的拉吊索桥会出现缺少拉索更换时的张拉空间的情况，甚至有时还会出现新的成品索截面大于原设计索的现象。

因此，换索设计更换顺序应该根据疏索、密索体系的不同来确定。

（2）最大破断荷载普遍偏低是大多原成品拉索常出现的情况。

拉吊索防护的薄弱环节是拉索冷铸锚具过渡段，所以容易造成腐蚀。

埋管下端的积水导致下端冷铸锚和锚环腐蚀情况严重，甚至有出现“死锚圈”的现象。

由于在加工过程中严重腐蚀或尺寸精度误差过大的原因，无法将锚环拉出，拉索锚固定管中充满了混凝土或环氧砂浆，所以无法拉出固定头。

（3）拉吊索桥在施工过程中形成的施工压力应该是进行索力设计分析时应全面考虑的问题。

针对具有这种超静定结构系统的斜拉桥，必须充分评估其在施工过程中的结构应力，不能因为施工和桥梁建成后因应力重分布重叠导致事故的发生，更不能引起桥梁的损伤、垮塌。

（4）由于更换拉索时，索力变化很大，多次调整和重新分配主梁的内力，对主梁应力幅值会造成较大影响。

所以，吊索桥换索必须面临的重要问题是如何科学、合理地确定换索方案和优化调整索力。

（5）在更换吊索的过程中，应优化调索。

经过多年运行后，拉索偏离目标状态的偏差会进一步在原来的基础上发展，因此，如果更换索设计只是用新索替换原来严重腐蚀的索，则不会对全桥的影响线性度和内部稳定性有任何改变，桥梁仍然存在很大的安全问题。

在替换受到损伤的拉索的同时，对结构的线形与内力进行调整改变，这才是拉吊索桥换索的主要目的。

所以在换索设计过程中应该尽可能准确地对结构换索前的线形与索力进行模拟，这样才能尽量避免设计结果与现实产生巨大差距。

4 现行拉吊索桥换索方案为了改善结构受力状态，针对部分已经出现拉索腐蚀问题而影响全桥安全使用的拉吊索桥梁，对索体进行更换是现在最有效的办法。

如果进行换索将改善全桥的线型和拉索索力，延长桥梁的使用寿命。

委内瑞拉于1962年修建的Maracaibo桥是国外最早且具有代表性的斜拉桥换索案例，因为附近高温潮湿的关系且长期处于酸性盐雾的环境中，会让拉索锚固部分出现严重腐蚀的情况，所以委内瑞拉在1978—1981年间全面更换了全桥384根拉索。

我国也对50多座斜拉桥进行了换索工作。

比如在2001年11月，我国为四川宜宾小南门运营10多年的吊杆拱桥进行了索更换。

早期建成的吊索更换桥经过长期运行所以病害较多，需要更换甚至拆除重建，大多数更换了缆索的悬索桥跨径较小，但大跨径悬索桥也逐渐进入了更换缆索的阶段。

就现有方案来说，使用悬链分析模型分析受力情况再换索是一种值得借鉴的办法。

悬链法是把悬索按照吊索为界限分为若干段，每段的受力情况为：索段的两端承受集中力，中间承受的是沿索长均匀分布的竖向分布重力。

在计算的时候先给一定的初始值，计算出精确的主缆线形，依据该方法算出索桥空揽状态的主缆坐标和成桥状态的主缆坐标，如式（1）、式（2）所示。

5 换索施工控制需要注意的事项影响后续桥梁使用寿命的关键因素是拉吊索桥拉索的施工质量。

目前，我国在大跨拉吊索桥施工阶段换索的相关经验较为缺乏，一方面，换索变更的设计方案和原则还没有统一标准;另一方面，也没有确定规范有效的施工方式和控制方法，所以在实际的换索变更中需要注意这些问题。

此外，索更换工程本身对施工过程有严格的规定，不过因为施工过程中技术水平和管理水平不均，很多质量问题就在吊索刚投入使用时出现了。

索桥任何索力的变化都会引起整个结构的变化，因为它是超静定结构，尤其是刚度较小的主梁的内力和线形变化幅度更加大。

针对已经运行多年的桥梁，导致索力产生变化的原因是吊索的腐蚀、索力的放松力量、混凝土的收缩和徐变等，这将导致校准和主梁的内力偏离最初的设计初衷。

而且，腐蚀后的吊索如果突然断裂，会影响整个结构的安全性。

为了确保长期安全地使用斜拉桥，需要用耐腐蚀性能好的拉索。

同时，可以利用换索的时机来控制吊索桥调节的结构，并且可以适当地调节斜拉桥的内力和线形，以便对线形和通过换索调整。

换索施工控制需要注意的事项如下：（1）首先需要模拟计算分析施工阶段换索数值，然后制定结构简单、对结构影响小的换索方案，但前提是必须要保证安全可靠性。

索的更换过程分为三个工作条件：拆卸、旧索拆除和张拉新索，并需要对这三个阶段进行关键分析和监控，确保换索过程不会对结构的形状和内力状态产生重大影响，而且需要提出在换索过程中必须注意的具体事项。

（2）注意监控现场施工情况，“双重控制”主要基于索力控制，并辅以标高控制。

每根索的更换都将导致全桥的内力重分配，因为拉吊索桥属于多次超静定结构。

更换斜拉索的时候，主要控制桥面高程、塔位移和斜拉索力三个指标。

（3）在拆索后将重新分配全桥的内力，拆除的斜拉索的拉力主要依靠整座桥梁的其他斜拉索共同承担。

根据拉吊索桥的换索经验，在更换索的情况下，整座桥的最大索力偏差应≤5%，并且结构位移的最大变化在所有更换条件下，不得超过L/5000的高程控制精度。

（4）在整个换索过程中，需要确保混凝土主梁上下缘应力变化均处于较小值，同时应关注主梁上下缘的应力变化，最好不要因为换索出现较大的拉应力变化。