钢绞线主缆锈蚀检测及剩余承载力研究★

张赞鹏 王 鹏 米发吉 全恩懋

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400060)



·桥梁·隧道·

钢绞线主缆锈蚀检测及剩余承载力研究★

张赞鹏 王 鹏 米发吉 全恩懋

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400060)

综合国内研究现状及相应规范，对某吊桥锈蚀后的钢绞线主缆进行了现场外观检测，确定了钢绞线锈蚀等级的标准及锈蚀钢绞线强度公式，提出了确定主缆剩余承载力方法，并通过抗拉强度试验，证明了该方法在工程实践中的有效性。

钢绞线，锈蚀，名义极限强度，强度折减系数

0 引言

悬索桥也称吊桥，主要由主缆、索塔、锚碇、吊索、加劲梁、索鞍等组成。随着运营时间增加，一些悬索桥开始出现病害，例如主缆局部锈蚀、吊索局部锈蚀等。在我国一些偏远山区，由于建设条件及建设资金较为匮乏，往往采用钢绞线或钢丝绳作为主缆建设吊桥，这些吊桥在当时满足了当地经济及社会发展需要，但是随着时间的推移和交通量增加，有些吊桥主缆出现锈蚀等病害。在维修加固前就需要对这些吊桥主缆进行锈蚀检测，确定其剩余承载力。

本文以某吊桥的主缆为例，根据国内主缆锈蚀研究现状，制定出钢绞线主缆的无损检测标准、工作流程及剩余强度计算方法，进而根据现场实测数据，通过数值运算，确定出其剩余承载力大小，以避免现场取样进行抗拉强度试验对原结构的伤害，可为类似的工程检测提供技术支撑。

1 钢绞线锈蚀检测标准及工作流程

目前，对锈蚀后钢绞线强度的检测，常用的方法是现场取样，然后在实验室做拉拔试验。但是由于主缆(钢绞线)作为吊桥主要承重构件，是吊桥的生命线，不可能采取现场取样的方法进行钢绞线极限抗拉强度检测。目前，通过钢绞线外观检测来确定主缆钢绞线的强度研究相对较小，本文综合未除锈前外观状况、除锈后外观状况、典型锈蚀坑面积、深度、缩减钢丝直径等方面，结合综合文献[1]的研究成果、JTG H21—2011公路桥梁技术状况评定标准[2]第7.1.1条，确定钢绞线锈蚀等级共分为5类，具体各等级的评定标准见表1。

在确定出主缆锈蚀检测标准后，主缆锈蚀检测工作主要流程：

1)打开主缆外表防护，检查主缆钢绞线的锈蚀情况，并记录缺陷位置和拍照。初步判断外层钢绞线的锈蚀等级。

2)选取锈蚀严重的钢丝，采用3棱锉刀将主缆钢绞线表面的锈蚀、附着物等打磨干净。

3)检查打磨后钢丝的外观形状变化、表面腐蚀情况、锈坑分布特征等。

4)采用游标卡尺测量典型部位的钢丝直径变化，采用深度尺或单尖千分尺测量典型锈坑深度。

5)判断外层钢绞线的锈蚀等级。

6)必要时用木楔打开主缆，查看内部钢绞线锈蚀情况。

2 钢绞线锈蚀后名义极限强度计算研究

对钢绞线锈蚀情况进行检测后，需确定钢绞线剩余极限强度，也即钢绞线锈蚀后的名义极限强度。综合国内研究现状，根据主缆钢绞线锈蚀特征，采用文献[3]或文献[4，5]提供的方法计算锈蚀钢绞线的名义极限强度。

表1 钢绞线锈蚀等级评定标准

计算原则和方法如下：

1)对1类钢绞线，一般为完好状态，强度无需折减，名义极限强度值取用规范值，即fpk,m=fpk(fpk,m为钢绞线名义极限强度，fpk为钢绞线极限强度标准值，下同)。按照JTG D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[6]，钢绞线极限强度标准值fpk取为1 860 MPa。

2)对2类钢绞线，一般无锈坑状态或有个别深度很小的锈坑，锈坑数量很少，深度很小，与1类钢绞线可能存在的表面损伤相近，可不考虑钢绞线的强度折减，名义极限强度值仍按规范值取用，即fpk,m=fpk。

3)对3类钢绞线，锈蚀形态主要为连续分布的点状锈坑，或者深度较小的片状或条带状锈坑，锈蚀深度总体较均匀，宜采用文献[4][5]提供的数学方法，计算其名义极限强度。具体的计算方法为：

fpk,m=(1-8.422ρ1.351)fpk。

式中：ρ——钢绞线的锈蚀率；

r——钢丝半径；

Δr——钢丝半径折减值，由于无法通过试验获取钢绞线的锈蚀率，故采用钢绞线等代半径的变化量进行计算，本报告将钢丝最大锈坑深度的0.5倍作为半径折减值。

4)对4类及5类钢绞线，锈蚀形态主要为局部直径缩减，坑槽面积、深度离散性较大，宜采用文献[3]提供的数学方法，计算其名义极限强度。具体计算方法为：

fpk,m=(1-0.836μmax)fpk。

式中：μmax——单根钢丝的最大截面损失率；

Ak——钢丝截面锈坑损失面积；

As——钢丝理论截面面积。

3 主缆强度折减系数计算

根据不同锈蚀等级钢绞线的名义极限强度及锈蚀等级比例分布，采用加权方法计算主缆各测试截面处的主缆强度折减系数。但是对于钢绞线而言，蚀坑为其锈蚀的主要形态，钢绞线蚀坑形状很不规则，表面凹凸不平，受拉之后出现应力集中，导致同一束钢绞线极限破坏不同步，鉴于5类钢绞线锈蚀程度较重且均分布于主缆外层，其锈蚀发展的速度最快，退出工作的可能性最早，计算中不考虑5类钢绞线作用。

4 工程实例

某山区地锚式悬索桥，主跨120 m，主缆采用109φ15.2 mm平行钢绞线束，吊索采用4φs15.2 mm钢绞线。钢绞线未锈蚀时，该桥采用有限元程序MIDAS/Civil进行结构计算，结构计算模型见图1。计算得出主缆安全系数为3.2，大于规范限值2.5，满足规范要求。由于当地建设条件比较差，建设资金较少，只是作为一个临时便桥，主缆(钢绞线)暴露在空气中，加上该地区雨水较多，空气潮湿，后来由于经济的发展，需使其作为永久桥梁来使用。这就需要对主缆锈蚀情况进行检测，确定主缆钢绞线剩余承载力是否满足规范要求。

5 主缆锈蚀检测

5.1 主缆锈蚀检测结果

根据该桥主缆锈蚀情况，选取3个主缆锈蚀较严重及有代表性的位置进行主缆横截面锈蚀分布情况检查。主缆检测情况见表2。

通过对3个典型截面的主缆全截面钢绞线锈蚀情况分析及内外部钢绞线锈蚀程度比对，得到该桥主缆钢绞线外观锈蚀以及锈蚀在横截面分布上的分布规律如下：1)主缆钢绞线外观锈蚀程度主要集中在3类和4类，以4类比例最高，主缆钢绞线发现5类锈蚀钢绞线的测区有1个；2)在横截面上主缆钢绞线锈蚀程度分布规律与外层钢绞线分布规律基本一致，均为从上到下逐渐加重；3)5类锈蚀在全截面的比例较外层检测结果更低，表明5类锈蚀主要集中在主缆底部外层。

表2 典型截面检测结果统计表

5.2 主缆锈蚀后名义极限强度

1类钢绞线，一般为完好状态，强度无需折减，名义极限强度值取为1 860 MPa。2类钢绞线，一般无锈坑状态或有个别深度很小的锈坑，锈坑数量很少，深度很小，与1类钢绞线可能存在的表面损伤相近，可不考虑钢绞线的强度折减，名义极限强度值取为1 860 MPa。对于3类、4类、5类钢绞线的名义极限强度如表3所示。

表3 主缆钢绞线名义极限强度计算结果

5.3 主缆锈蚀后强度折减系数计算结果

本桥主缆锈蚀后强度折减系数计算根据不同锈蚀等级钢绞线的名义极限强度及锈蚀等级比例分布，采用加权方法计算主缆各测试截面处的主缆强度折减系数。且计算中已偏安全的从主缆强度中略去5类锈蚀钢绞线的作用。三个典型截面主缆锈蚀后强度折减系数见表4。

表4 主缆强度折减系数计算结果

由表4可知，计算得到的下游主缆强度折减系数为0.45～1.00，平均值为0.66，最大折减位于2号测区。

5.4 主缆锈蚀后剩余承载力计算结果

根据检测结果，主缆钢绞线锈蚀程度在全长范围内离散性较大，建议主缆承载能力计算以局部最不利抗力控制。主缆强度折减系数建议取值为0.45。钢绞线锈蚀后，主缆承载力安全系数为：3.2×0.45=1.44<2.50，不满足规范要求。建议进行限载或者更换主缆。经多方研究确定对该桥主缆进行更换，将拆除下来的钢绞线进行抗拉强度试验，试验结果表明与数值计算结果相近，偏差在10%以内，满足工程精度要求。拉拔试验表明通过外观检测评定钢绞线锈蚀等级，再结合锈蚀钢绞线强度公式确定锈蚀后钢绞线剩余承载力的方法，在实际工程中有效。

6 结语

主缆是悬索桥结构中最主要的承重构件之一，被称为悬索桥的生命线，养护检测中主缆的实际承载能力的评定是保证悬索桥安全的重要环节。钢绞线作为主缆常用材料之一，其锈蚀程度对主缆钢绞线极限抗拉强度影响极大。通过主缆钢绞线外观检测评定钢绞线锈蚀等级，再结合锈蚀钢绞线强度公式能够确定出主缆腐蚀后剩余承载力大小，且该方法在工程中有效。

[1] 刘志梅,候 旭,许宏元,等.预应力钢筋锈蚀程度评定与力学性能衰减研究[A].第十九届全国桥梁学术会议论文集(下册)[C].2010.

[2] JTG/T H21—2011，公路桥梁技术状况评定标准[S].

[3] 郑亚明,欧阳平,安 琳.锈蚀钢绞线力学性能的试验研究[J].现代交通技术,2005(6)：53-54.

[4] 罗小勇,李 政.无黏结预应力钢绞线锈蚀后力学性能研究[J].铁道学报,2008,30(2)：30-32.

[5] 张赞鹏.在役预应力混凝土连续刚构桥承载力时变可靠度研究[D].重庆:重庆交通大学,2014.

[6] JTG D62—2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

Study on corrosion test and determination of residual bearing capacity of main cable of steel strand★

Zhang Zanpeng Wang Peng Mi Faji Quan Enmao

(ChinaMerchantsChongqingTransportationScientificResearchandDesignInstituteCo.,Ltd,Chongqing400060,China)

This paper comprehensive domestic research situation and the corresponding norms, undertakes the site outlook test on the main cable of the steel strand of some suspension bridge after corrosion, the field detection of the appearance of determine the corrosion of steel strand grade standard and corrosion of steel strand strength formula, is presented for determining residual capacity method of main cable, and verified by tensile strength test. The test shows that this method is effective in engineering practice.

steel wire, rust, nominal ultimate strength, strength reduction factor

2016-03-22★：西部交通建设科技项目(项目编号：2010318740008)

张赞鹏(1987- )，男，助理工程师

1009-6825(2016)16-0162-03

U448.25

A