斜拉索锈蚀损伤及其检测与监测和防护

孙 磊

(同济大学桥梁工程系，上海 200092)

斜拉桥作为一种拉索体系桥梁，比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁的最主要桥型。斜拉桥是由许多直接连接到塔上的钢缆吊起桥面，斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。索塔型式有A形、倒Y形、H形、独柱，材料主要有钢和混凝土。斜拉索布置有单索面、平行双索面、斜索面等。在跨越峡谷、大江河、海湾等不利于修筑桥墩或者由于地质原因不利于修建地锚的地方，斜拉桥往往是一种不错的桥型选择。斜拉桥的受力体系主要是桥面体系、支承桥面体系的索体系、支承索体系的桥塔。斜拉桥充分利用了钢材的抗拉性能、混凝土材料的抗压性能，具有优良的动力特性和抗风性能。它跨越能力大、结构新颖，已经成为现代桥梁工程中发展最快、最具有竞争力的桥型之一。1955年瑞典人建成了世界第一座现代斜拉桥，从此世界各地的斜拉桥建设蓬勃发展，但现有斜拉桥大多是独塔双跨式和双塔三跨式，而具有连续主梁的三塔四跨式斜拉桥很少。伴随着内陆经济发展，三峡库区蓄水工作逐渐完成，长江作为最大的黄金水道其重要性更加凸显，这也要求桥梁必须能够保证通航，多跨连续斜拉桥正好可以完整适应这一要求。自1975年开始的近40年来，我国已建成上百座斜拉桥，特别是近10年来，我国斜拉桥建设速度之快、数量之多、跨越能力之大为世人所瞩目。然而，斜拉桥这一合理跨径范围广、造型美观多样的桥型，却面临着一个挑战性的问题——斜拉索的安全和耐久性问题，尤其是索体的锈蚀断裂问题。

1 斜拉索使用现状

目前，国内及国际上用于斜拉桥拉索的结构主要有两种，即平行钢丝拉索和钢绞线拉索。钢绞线拉索在美洲已较普遍使用，而在欧洲、亚洲、澳大利亚，两种拉索体系都应用在很多拉索结构桥梁上。目前在美国镀锌钢丝作斜拉索体系已不推荐使用，国际上著名的一些预应力公司如:VSL，FRESSINET，DVWIDAG，BBR等均有各自成熟的钢绞线、钢丝拉索体系。钢丝拉索结构体系桥型本身具有一些特点，拉索防护体系容易受到各种损坏，这可能会导致不得不进行换索(也包括拉索结构类似的拱桥吊杆)，而近年来这种情况越来越多。如红水河桥、海印桥、济南黄河桥、恒丰路桥、石门桥、犍为桥、广州九江桥、南昌八一桥等已换索。封闭交通所引起的间接损失也很大。国内斜拉索的实际使用寿命一般不超过20年。

2 斜拉索锈蚀病害

斜拉索是斜拉桥的重要受力构件。斜拉索在长期运营中遭受活载、风雨振以及日照、腐蚀性气体侵蚀等因素的反复作用，很容易出现外包护套破损、局部钢丝锈蚀断裂、锚固系统锈蚀等病害，从而降低了斜拉索体系的使用寿命。一般情况下，大桥斜拉索设计使用年限为30年，但受到以上各种因素的影响，斜拉索使用寿命极难达到设计要求。

在拉索制造过程中护套受到初始损伤;在卷盘运输过程中护套由于应变过大而开裂;在施工过程中拉索护套表面磨损，甚至被尖锐物体划破;在运营过程中环境、温度、交通荷载等作用甚至是车辆意外撞击;在拉索检测过程中沿拉索移动的检测小车摩擦挤压拉索;由于拉索护套HDPE老化等因素，都可能导致护套损伤甚至破裂，水分渗入、钢丝暴露。

斜拉索是由高强抗拉材料和耐腐蚀防护材料组成的。高强材料一般采用钢材，也就是高强钢丝。斜拉索腐蚀的主要原因是高强钢丝与周围介质发生电化学作用，造成氧化还原反应。在腐蚀性介质中，钢丝会与腐蚀性介质发生广义氧化还原反应，导致钢丝表面的镀锌和钢材变成离子形式，进而与其他物质结合成锈蚀产物，最终改变钢丝的表面形态和力学性能，这一过程就是钢丝的锈蚀。钢丝在拉索环境下的锈蚀速度不属于通常的大气腐蚀，由于护套环境的影响，拉索钢丝的锈蚀速度快于正常大气下的。

镀锌的锈蚀:Zn→Zn2++2e

镀锌的锈蚀程度可以表示成:D=AT。

碳钢的锈蚀:Fe→Fe2++2e

碳钢的锈蚀程度可以表示成:D=ATn。

其中，T为钢丝使用年份;A为金属第一年的锈蚀程度;n为常数。

3 斜拉索检测与监测

3.1 索体损伤的检测技术方法

1)目视检测方法。也就是人工检测，主要是根据钢丝的外观变化判断钢丝的锈蚀程度。观察护套的表面情况，根据情况来分析确定是否有必要打开锚固区或者将所需部位的护套位凿开，露出钢丝，这样就可以直接查看锈蚀、断丝的情况。有些时候还需要取样部分钢丝，进行物理和力学等相关试验，以确定缆索的状态。该法直观、方便，但有损检测，只能定性分析。

2)磁性检测方法。磁性检测方法的使用基础是缆索的磁特性。用一个永久磁铁励磁回路将缆索磁化，缆索相对于励磁回路运动时，只要遇到断丝，断口处就会产生向外泄漏的漏磁场;或者，如果缆索中金属截面总面积发生变化，励磁回路中的主磁通量就会随之改变。根据这个原理，用仪器测量磁场的这些变化参数，我们就会获得缆索中的缺陷状况。此法可无损检测，断丝检测灵敏度高，但检测精度受外界干扰大。

3)放射线检测方法。放射线法可探测索体的多种缺陷和损伤。它的检测原理是:当射线通过接受检测的物体时，物体的缺陷部位和无缺陷部位对射线的吸收能力是不一样的，通常情况下透过有缺陷部位的射线强度要比无缺陷部位的射线强度高，因此通过检测透过接受检测的物体后的射线强度的不同，可以判断物体中是否有缺陷存在。但为了屏蔽辐射，射线装置往往较大。

4)超声波测试检测方法。20世纪末美国、日本等一些国家研究了应用超声波检测技术来检测斜拉索锚固区内钢丝断裂情况的技术。据相关报道，当频率保持在5 MHz～10 MHz时，超声波可检测到锚固区内2 m～5 m长度内缆索的断丝情况。这项技术可以作为检测拉索的一种选择，但是还存在一些困难。首先，想要得到比较理想的检测结果，必须事先进行严格的标定;其次，超声波测试技术难以检测锚固区外的缆索。

5)电反射技术检测方法。电反射技术检测方法包括电时域反射(ETDR)和电频域反射技术(EFDR)。电时域反射测量技术是一种先进的测量技术，是在高速脉冲技术迅速发展的基础上出现的。其原理是对传输系统发出高速脉冲信号，接收器接受反射信号，由此可以分析判断传输系统的阻抗特性，判断出多个不连续点的位置、性质和大小。测试过程直观形象，ETDR波形能直观反映互连的物理结构。EFDR测量原理是将扫频信号输入到待测的传输线/天线，并将其反射信号的测量数据经快速傅里叶变换转换为时域信息。电频域反射技术可以获得比时域分析更简洁更明确的结果，而且在消除噪声对分析结果的影响方面也更胜一筹。

3.2 索体损伤的监测技术方法

1)声发射监测法。声发射监测的基本原理是:当固体材料的内部发生缺陷并扩展时，会释放能量，这种能量以弹性波的形式向四周传播，此时缺陷就成为声发射源，这种方法是一种“被动”型监测。对索体进行检测时，缆索钢丝具有很高的拉应力，一旦有裂纹、腐蚀或断丝出现，其局部高应力的释放会产生特定的应力波，声发射监测系统可以捕捉到这种应力波，记录下来并分析其所代表的物理过程。使用时，需要保持声发射监测系统持续工作，只要有应力波(声波)出现，就将其记录下来。2)振动法。拉索内力的检测监测都可以用振动法。振动测试法是目前应用最广的一种索力测试方法，振动测试法要求缆索具有清楚的长度、线密度和边界条件，且缆索不能过短、过长、过粗或者有中间支撑等。满足这些要求后，在测试前标定索力和频率的关系，然后恰当使用振动法就能准确测定出缆索的静张力。已有的振动法的使用受到一些条件的限制，因此该方法也在不断的发展中。

4 斜拉索防护及小结

现有拉索系统锈蚀防护方法主要有:镀锌、灌水泥浆、灌环氧材料、包环氧外套、采用防锈油脂和蜡、在单根钢丝外包塑料皮、护套、缠包带。斜拉索养护也面临着一些困境:由于缺乏理论指导，忽视拉索检测，管理部门未能及时发现拉索中存在的病害，导致断索事故发生;管理单位一旦发现拉索病害，由于心理恐惧，为确保结构的绝对安全，在拉索远未达到实际使用寿命时就开始换索，造成大量浪费;在决定换索后，由于拉索退化程度及结构体系状态不明，设计单位制订的换索方案使斜拉桥结构的可靠度指标在换索过程中大幅降低，甚至可能酿成事故。目前已建成的斜拉桥的拉索体系都或多或少出现了各种病害。这不仅影响桥梁正常使用性能，甚至会导致桥梁主体结构的安全隐患。因此加强斜拉索体系的检测监测和养护维修工作，对延长斜拉索使用寿命，确保桥梁的安全运营有着十分重要的意义。目前各研究机构或高校都在对拉索的检测和监测进行深入探索和研究。最终目的都是希望能随时摸清掌握拉索的病害损伤情况，随时可以判断拉索的剩余使用寿命，从而及时对拉索进行维护或更换，这样就能有效避免桥梁跨塌、人民生命财产受损失等恶性事件的发生。同时对斜拉索的防护体系、钢丝复合材料及减振避振措施方面的研究也在不断进展。可以预见将来的拉索体系必将是综合考虑材料、防护、检测及监测的全方位智能拉索。

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