斜拉索的检查与维修.pdf

斜拉索的检查与维修黄绍桥,郭良友(中铁大桥局集团桥科院有限公司,湖北 武汉 430034)摘?要:斜拉索是斜拉桥的重要受力构件。介绍斜拉索检查和维修工作的主要内容,并讨论了索力测量中的一些问题。关键词:斜拉桥;斜拉索;检查;检测;维修中图分类号:U443.38文献标志码:A文章编号:1671-7767(2008)S1-0080-04收稿日期:2008-03-05作者简介:黄绍桥(1956-),男,工程师,2007 年毕业于武汉理工大学土木工程专业。1?前?言斜拉索是斜拉桥最重要的受力构件之一,其作用是将主梁的恒载和梁上的活载传给桥塔,并由桥塔传到地基。斜拉索分平行钢丝索和多股钢绞线两种,平行钢丝索由多股?7(或?5)高强度镀锌钢丝制成,外包热挤高密度聚乙烯管(PE 管),两端装有冷铸锚头,由专业厂家根据设计要求生产。多股钢绞线一般用?5 的高强度镀锌钢丝,每 7 根拧成一股,施工时在施工现场,根据拉索设计要求的钢丝股数、长度及相应的锚板、外套 PE 管等,在固定端镦锚头,在张拉端张拉到位后用夹片固定。根据已建斜拉桥的情况,平行钢丝索使用的数量远远大于多股钢绞线。斜拉索在使用中存在一些问题,如斜拉索的钢丝、锚头均为钢材,容易锈蚀,由于锈蚀或制造工艺中存在缺陷以及受力过大,可能产生钢丝断丝的问题。为防止锈蚀,除了钢丝镀锌外,斜拉索外面都包装了热挤成型的 PE 管,而 PE 管容易老化、断裂,雨水顺着 PE 管的裂缝进入斜拉索的钢丝表面,钢丝在比较密闭的环境里遇水后很容易生锈。斜拉索又是长大的柔性构件,在某些风和雨的作用下,可能产生较大幅度的风振和雨振,时间长了,斜拉索容易产生疲劳破坏,在接近下锚头部分,比较严重一些。振幅过大也可能使主梁产生较大的振动,使人产生不安全感,对运输产生不良的影响。因此,在斜拉桥的运营中,必须做好斜拉索系统的检查与维修工作 1,2。2?斜拉索系统的检查内容斜拉索系统的检查分为经常性检查和定期检查,经常性检查以目测为主,定期检查除目测外,还需要配置专门的仪器设备,如水平仪、望远镜、放大镜、数码相机等检查工具和设备。检查的内容主要有:(1)观察斜拉索PE 管的外观,看是否有开裂和破损,索上、下端的减振圈有无松脱;索下端的防护筒内有无进水,若有进水,应及早排出。(2)检查上、下端冷铸锚上的螺纹,螺母是否锈蚀和缺少防护油。(3)观测斜拉索的风振和雨振状况。斜拉索在一些风和雨的天气里,容易发生振幅很大的风振和雨振,特别是雨振,振幅更大一些。上海的杨浦大桥,已观测到振幅超过 1 m 的雨振。国内和国外的一些斜拉桥也都有过大振幅雨振的报道。大的风振和雨振,不仅容易造成斜拉索疲劳破坏,也容易使主梁和桥塔产生较大的振动,使它们经受过大的弯曲应力,是必须要避免的。要了解斜拉索的风、雨振情况,应在有 3、4 级以上风速的雨天里,观察斜拉索振动的情况。一般来说,由于索长和索径的不同,每个索在各种风向和风速下的表现是不同的。同样,在下雨的天气里,各个索的表现也不相同,有的索发生雨振,振幅很大,另一些索可能没什么大的反应,振幅较小。当然是否发生风振、雨振,也与当时风、雨的大小和方向有关。一般来说,下雨时,如果没有风,一般不会发生较大的雨振,在风向与桥轴线方向的交角较小的情况下,发生雨振的可能就比较大。及时地记录当时的风向、风速,雨的大小及每一根索的表现,如哪些索发振了(记录下索号)、振幅的大小、振动的频率值。如果一些索的振幅较大,要及时上报,由上级主管部门研究,看是否需要采取进一步的减振措施。(4)进行索力的全面检测。将检测结果与竣工80世界桥梁?2008 年增刊 1时的索力进行比较,找出索力变化大于 10%的斜拉索。(5)对桥面标高变化较大的索的锚固位置附近(两边各 3 4个索距位置),做一次标高测量,并与竣工时的标高进行比较,如果发现该索处的标高下降比较大,要检查该索是否有断丝现象。(6)对索力变化较大的索,PE 管内怀疑进水的索或怀疑有断丝的索,用钢丝断丝锈蚀检查仪器进行断丝锈蚀检查。3?斜拉索系统的检查周期对斜拉索的经常性检查,主要根据桥梁的实际情况而定,一般情况下,桥管人员应每月巡视 1 次。平常可委托桥上的清扫人员,发现斜拉索有异常时,报告桥管人员,进行检查。对风振和雨振,只有根据天气预报,在有风雨的天气里进行观察。如发生地震、台风、车辆撞击等重大事故,要及时进行检查。对于定期检查,对索力的检测,除建成后的第 1年要进行 1 次全面的索力复测外,以后应根据车辆的流通及超载情况,每隔 2 3 年要进行 1 次全面检测。对于检查内容(1)、(2)、(4)、(5)应每年检查 1次。对于(6)可根据 PE 管裂纹的情况、钢护筒上面密封的情况以及经常性检查的情况,决定是否进行标高、断丝和锈蚀的检查。4?斜拉索系统检查结果的评定斜拉索检查出问题的严重程度可分为 4 类:(1)完好或基本完好。与竣工时比较,斜拉索基本没有可观测到的病害。(2)轻微损伤的病害。这类病害并不影响斜拉索的承载力、完整性及其使用功能,但这类病害也并不是很容易消除。要消除需要花费不少人力和资金。如 PE 管上出现没有开裂到钢丝的裂纹,锚头有轻微锈蚀,锚固区有细小裂缝等。(3)一般性损伤的病害。这类病害虽不一定影响结构的承载力,但却使它们的使用性能下降,维护费用增加,有时还影响观感,使人有不安全感。如斜拉索在风振或雨振中振幅过大(超过 10 cm),斜拉索有少量的断丝,或有部分的锈蚀,但断丝量或截面锈蚀量都不超过 5%,锚头锈蚀,锚固区有明显的受力裂缝。(4)严重性损伤或破坏性损伤的病害。这类病害主要表现为 PE 管开裂严重,有雨水进入,钢丝锈蚀严重。钢丝的断丝超过 5%或钢丝锈蚀削弱的截面超过 5%,如不及时消除,就有可能导致整个索的断裂破坏。5?斜拉索系统的养护和维修斜拉索系统的养护和维修可以按照第 4 类病害必须优先维修,第 3 类病害容易维修的及时维修,暂时不能维修的重点观测,有重大变化的及时上报,第2 类病害加强观测的原则进行。对各种病害的维修方法如下。5.1?斜拉索下端钢护筒的积水处理斜拉索下端钢护筒积水的原因是钢护筒上端的防护罩密封不好,雨水顺着斜拉索,通过防护罩的缝隙流入钢护筒,护筒下端锚板上的开孔被锚杯堵死,雨水便积在钢护筒里。处理时,先去掉护筒上面的防护罩,解除内置式减振圈,排干积水,清除油污和其它污物。利用高压射水枪,对护筒内彻底清洗,再用高压的热风(温度不可太高,以免损坏 PE 管)吹干护筒内部,然后用聚氨酯泡沫塑料发泡工艺填充护筒,高度至减振圈。对原先的减振圈进行检查,看其功能是否完好,如果已经失去了减振功能,应该更换新的减振圈。安装好减振圈和护筒上端的密封防护罩。这里防护罩的密封好坏是关键,一定要保持防护罩良好的密封性,防止雨水渗入钢护筒内。5.2?斜拉索两端冷铸锚张拉端和固定端的处理虽然斜拉索冷铸锚两端都有盖帽或保护罩,但是灰尘无孔不入,时间长了,里面都积了不少灰尘,原先预防螺纹生锈的油脂,也可能挥发干涸,若不进行处理,螺纹就有生锈的可能。如果螺纹生锈严重,会给以后的调索、换索增加许多困难。所以应该定时清理,经干燥处理之后,重新注油,盖好盖帽或保护罩。5.3?对斜拉索外包 PE 管的养护和维修对 PE 管的养护和维修应有区别的进行。(1)对 PE 管受到的机械性损伤,或 PE 管有局部老化开裂,但并没有失去防护功能,即雨水还没有进入斜拉索钢丝的情况,可用原来 PE 管的材质,对开裂的部分进行热成型修补,或局部电热成型修补。(2)对 PE 管已老化开裂,并失去防护功能,有雨水进入钢丝,且有部分钢丝锈蚀和断丝,但断丝不超过 5%,或锈蚀削弱截面不超过 5%,要更换 PE管。具体做法是:在比较晴好的天气,剥去索外面的PE 管,用高压热风对钢丝进行干燥处理,清除钢丝上的油污及锈迹,并涂上防护油,然后缠包橡胶防腐带,用原来热挤 PE 管使用的塑性颗粒,在 24 h 内加81斜拉索的检查与维修?黄绍桥,郭良友热成型,加热时的温度应根据材质的要求而定。更换 PE 管的工作,最好找原制索厂家或其它有资质的单位去完成。(3)对于因 PE 管老化开裂,雨水进入索内,斜拉索的钢丝断丝超过 5%,或锈蚀削弱截面超过 5%者,一般来说,应该换索,但对一些情况也可以考虑先更换 PE 管,暂不考虑换索。因为 1 根斜拉索钢丝的总股数,是根据该根索在施工和成桥后的运营中所承受的最大索力 p,除以钢丝的抗拉标准强度,再除以 1股?7 钢丝的面积,乘以安全系数 2.5 得出来的。但为了使钢丝在索内的稳定及制索的方便,在热挤聚乙烯拉索技术条件中,钢丝束的断面规定为正六边形,钢丝束的股数就有了一定的限制,例如在 74 丝和 109 丝之间,只有 3 个规定的索股数,即 85?7,91?7 和 109?7。如原本只需要 75 丝的索,按规范必须制成 85 丝,那么该索就有 13%的额外承载力储备(有的储备还更大),断丝 5%并不影响它的承载能力,所以该索目前就不急于更换,只要找出断丝的原因,进行维护,以后着重观察。5.4?对斜拉索风振、雨振中振幅过大的处理根据长期对斜拉索风振、雨振的观察结果,可以大致地确定哪些索容易发生风振,哪些索容易发生雨振,以及振幅大小。为了防止斜拉索有较大的振动,斜拉索两端的钢护筒内都安装有减振型的橡胶减振圈,但这些减振圈减振的效果有限,只适合振幅不是很大的斜拉索。对于振幅较大的斜拉索应采用外置式的粘滞型阻尼器,其阻尼效果要比减振圈的阻尼效果大很多。对于某一个斜拉桥来说,可以通过大桥建成以来,对斜拉索风振、雨振的观察,对振幅比较大的索,安装外置式的粘滞型阻尼器。但要说明一点,由于索的风振、雨振与风的大小、方向、雨的具体情况、斜拉索的长度、自振特性等很多因素有关,观察的次数少了,不一定能掌握风振、雨振的全部情况。因此建议:如果观察到 1 根长度为 100 m的索,风振、雨振的振幅比较大,需要安装外置式的粘滞型阻尼器,那么该桥上凡是大于等于 100 m 的斜拉索,都要安装外置式的粘滞型阻尼器。对于外置式阻尼器也要注意检查,看其减振效果如何,如果效果不好要及时处理。另一减小雨振的方法是在斜拉索的表面缠绕螺旋筋条,根据实际观察,它对雨振的减振效果非常明显。5.5?斜拉索的索力测试与调整斜拉桥建成以后,经过一段时间的运行,大桥各个构件之间在恒载和活载的作用下相互磨合,相互适应,达到一个新的平衡,各个索的索力有一些小量的变化是很正常的事。但是也可能出现一些不正常的情况,使一些索的索力产生较大的变化。比如桥上车辆撞击斜拉索,桥下船只撞击桥墩使主梁变形或损坏,桥上超重荷载使主梁底板出现较大的拉弯裂缝,地震灾害,大的风灾等。也可能设计或施工中存在一定缺陷,在大桥运营一段时间后暴露出来,对大桥造成伤害。无论是哪种情况发生,都需要进行局部或全部的索力测量,检查索力的变化情况,如果索力的变化超过 10%,或是主梁的标高变化太大,超过设计要求,要把测量的结果迅速上报,经设计部门或具有相应资质的专业单位计算、验证,视索力是否超过了设计的要求,该索的锚固点附近与周围桥面的高差是否太大等的综合情况,来确定是否需要调索,哪些索需要调,哪些索不需要调。要注意,调索是一个技术性很强的工作,不能仅凭索力大小一项来确定,要兼顾主梁的线形一起来考虑,在建桥中曾出现过只顾线形不顾索力的情况,结果导致主梁垮塌。如果某根索的索力偏大,其梁上锚固点的标高也偏高,问题就比较容易解决,把索力调小一些,标高也可能就降了下来。如果某根索的索力偏大,锚固点的标高又偏低,在这种情况下,就不能简单地调小索力了。对于这种情况就需要进行细致的计算和全面的分析研究。它很有可能是该索的前面和后面的一根或几根索的索力偏小,附近的标高普遍较低,只要把该索前面和后面的索的索力适当增加,它们锚固点的标高会相应的提高。该索周围索的索力增加和标高的上升,会使该索的索力下降和标高上升,尽管这根索并没有调整,也可能达到索力和标高都满足要求的目的。这里的关系比较复杂,需要边计算边调整,可以较快地达到目的。调索过程中索力测量的精度是一个重要问题。从索力的测量方法来看,经过早期的索长伸长量法、周期仪法、有限元计算与频谱对比法,现在都统一到了利用细长的绳、索型构件振动特征的频谱法,即频谱法。虽然大家都用频谱法,但用法又多种多样,有的误差较小,有的误差则比较大。就这个问题,再来讨论一下。索力的计算公式为:p=4wgl2f2n/n2-n2?2EI/l2(1)?当索比较长,索的直径比较小时,EI 可以忽略不计,式(1)可以简化为:p=4wgl2f2n/n2(2)82世界桥梁?2008 年增刊 1式中,p 为斜拉索的索力;w 为单位长度索的重量;g为重力加速度;l 为索长;fn为索的第 n 阶自振频率;n 为索自振频率的阶数;EI 为索的弯曲刚度。根据简化公式(2),可以导出 f1=f2/2=f3/3=?=fn/n。还可导出各频率间的间隔是等间距的,且等于 f1。这个结论很重要,可以用来判断所测的频谱是否是索的频谱,还能很容易地确定频谱图上各个谱峰相应于索自振频率的阶数,这样就可以应用公式求出索力 3。要提高索力的测量精度,第一,要提高仪器测量频率的精度。第二,不能用间距代替频率来计算索力。虽然由式(2)中推导出各频率间的间隔是等间距的,且等于 f1,但这是在不计索的弯曲刚度的情况下得出的结论。实际上索的弯曲刚度并不等于零,各频率间的间隔也不是等间距的,随着频率阶数的增加,间距也逐渐增加,如果用高级频率间的间距代替 f1计算索力将会带来很大的误差。第三,尽量用 1 阶频率而不要用很高阶的频率计算索力。从式(1)可以看出,计算用的频率阶数越高,用简化公式计算索力的误差就越大。同时 1 阶频率也存在测量误差,应根据 f1 f2/2 f3/3,?,fn/n 的规律和fn/n 相差不大的特点予以修正。5.6?斜拉索的更换斜拉索是一个可更换的构件。对于由于各种原因产生的斜拉索的病害,要及时检查,及早发现。经检查确认,如果断丝超过 5%,或钢丝锈蚀削弱截面超过 5%,或较多的钢丝有三、四级锈蚀,经计算承载力也不能满足要求,为防止突然断丝引起斜拉桥的激烈振动,对大桥产生不利的影响,可考虑换索。国内外都有斜拉桥更换斜拉索的情况,如美国路易斯安那州的鲁林桥、委内瑞拉的马拉开波桥、英国的务埃桥、德国汉堡的科尔布兰法桥、国内的济南黄河大桥、广州海印大桥、广东九江大桥等 4。更换斜拉索是一个非常重要,非常专业的工作,不是一般的桥梁管理部门所能胜任的。根据检查结果,需要换索时,应把检查结果送交大桥的设计单位,或其它有资质的单位进行审核、计算,确实要换索时,要作出实施方案,是换某一根索,某几根索,还是所有的索都要换。要请有资质的专业队伍来更换,并有设计单位专业的人员来配合。因为每一根索的索力变化都会影响到周围一批索的索力变化,要有专业的索力测量人员和线形测量人员,测量要换的索和它周围索的索力及主梁的标高,通过索力调整,使它们都能达到设计的要求。所以一定要周密计划,仔细安排,稍一不慎,大桥就有可能出现一些预料不到的事故。更换索之前,要做好换索的一切准备工作。首先对要换上去的索做好检查:索长、索股数、锚头是否符合要求,PE 管是否有损伤(若有损伤应及时修补好)。其次是张拉工具的准备,针对更换索的技术条件,确定张拉千斤顶和相应的油泵以及锚垫圈、紧固螺母、张拉杆是否符合要求,张拉千斤顶要经过标定。在桥塔上要装好卸索和装索的牵引设备(牵引设备一定要稳固可靠),选择的张拉端最好与建桥时的张拉端一致。桥面上要准备几台可滚动的小车(视索长而定),用来放索,以免放索时擦破 PE 管。同时,也要准备好电热修补的工具和相应于 PE 管的材质,在换索的过程中,如果 PE 管有碰伤时可以及时得到修补。在换索的过程中,要不要封锁交通,需要慎重考虑。按美国的有关规范,对某一根斜拉索突然失效的情况,建议设计的允许应力值提高 33%,维持正常运营,而不减少设计活载。我国在斜拉桥结构设计时,已考虑结构应具备减少任一根索所失去的承载能力的储备,即该索所承担的恒载和活载量值由结构和其它索承担造成内力重分布的影响,并且此时允许设计限值增加 25%,用于控制活载的量值,当内力或挠度超过该限值时,应限载运行。在换索之前,建议请原设计单位或具有资质的单位进行计算,计算出在什么样的荷载下大桥是安全的,在什么样的荷载下大桥有出现危险的可能,来确定在换索中是否要封锁交通或限载运行,以保证换索过程中大桥的安全。参?考?文?献:1 刘自明.桥梁工程养护与维修手册 M.北京:人民交通出版社,2004.2 荆秀芬,陈开利,吕忠达,等.宁波招宝山大桥养护与管理手册 M.武汉:铁道部大桥工程局桥梁科学研究院,宁波招宝山大桥管理处,2002.3 郭良友.绳、索的振动特征及斜拉桥的索力测量 J.桥梁建设,1995,(1):61-64.4 王文涛.斜拉桥换索工程(第二版)M.北京:人民交通出版社,2006.(下转第 94 页)83斜拉索的检查与维修?黄绍桥,郭良友Mix Proportioning Design and Quality Control ofPier Shaft C55 Artificial Sand Pumped ConcreteCAOHong?xia(T he 4th Engineering Co.,Ltd.,China Zhongtie Major Bridge Engineering Group,Nanjing 210031,China)Abstract:In the light of the construction characteristics of the Niujiaoping Bridge and theproperties of materials in the region where the Bridge is located,the orthogonal design optimiza?tion method was used to optimize the mix proportioning for the pier shaft concrete that would bemixed with the artificial sand and would yield high strength and good workability.The optimizedmix proportioning satisfied the construction requirements for pumping the concrete at distance,ina great falling head and through lots of bends of pumping pipes and also ensured the constructionquality.Key words:pumped concrete;artificial sand;high strength concrete;mixing proportioning;orthogonal design(上接第 83 页)Inspection and Repair of Stay CablesHUANGShao?qiao,GUOLiang?you(Bridge Science Research Institute Ltd.,China Zhongtie Major Bridge Engineering Group,Wuhan 430034,China)Abstract:T he stay cable is an important load?bearing element of cable?stayed bridge.In thispaper,the principal working contents of inspection and repair of the stay cables of cable?stayedbridges are introduced and some of the issues in relation to the stay cable force measurement arediscussed as well.Key words:cable?stayed bridge;stay cable;inspection;testing;repair94世界桥梁?2008 年增刊 1