跨海斜拉桥拉索冷铸墩头锚退化分析及预养护

罗炎波

（宁波交通工程建设集团有限公司，浙江 宁波 315000）

跨海斜拉桥拉索冷铸墩头锚退化分析及预养护

罗炎波

（宁波交通工程建设集团有限公司，浙江 宁波 315000）

通过资料调研及实桥调查，系统总结了斜拉索冷铸墩头锚的病害特点及其退化规律。接着，指出钢丝墩头锈蚀、内外螺纹锈蚀是冷铸墩头锚的主要退化风险。同时，运用力学和统计方法进行了冷铸墩头锚的退化预测，并在此基础上确定了冷铸墩头锚的预防性养护最佳时机。

跨海斜拉桥；斜拉索；冷铸墩头锚；退化；预防性养护时机

0 引言

斜拉索锚头技术状况的退化影响其耐久性，严重恶化时将影响锚头乃至大桥的安全。既有文献及相关规范对锚头病害的疏理较为粗糙，无法全面反映锚头服役的健康状态及维修保养对结构 性 能的 影响 。 目 前 ，桥 梁 预 防 性 养 护[1-2]还 只 是一个概念，尚未形成系统的理论框架和技术规范，并且均根据中小跨径桥梁的技术统计资料得出的预防性养护时机预测结论。针对跨海钢箱梁斜拉桥的预防性养护研究尚处于起步阶段。因此，本文重点针对跨海斜拉桥拉索冷铸墩头锚病害特点与退化规律，以及预养护时机、检测内容和处治措施展开研究，为此类桥梁的预防性养护研究奠定基础。

1 锚头病害特征

1.1 锚头锈蚀

锈蚀是拉索锚头病害的主要表现形式，通常出现在锚杯外螺纹等易于积水积尘的部位。如果拉索锚杯未设置保护罩或保护罩密封不严，则可能导致保护罩、锚杯内外螺纹甚至钢丝墩头锈蚀。锚头锈蚀不会直接影响其受力性能，但会降低其抗疲劳性能，从而影响其安全性。锚头锈蚀主要表现为钢丝墩头锈蚀、锚杯内螺纹锈蚀、锚杯外螺纹锈蚀及保护罩锈蚀等（见图1）。

图1 锚头锈蚀实景

1.2 锚头积水、渗水

锚头积水、渗水（见图2）是拉索最常见、最直观、可检测的病害之一，是引起拉索钢丝锈蚀的前兆。拉索在运营一定阶段后均会出现此类病害。渗水源于桥面或索面雨水、拉索套筒内冷凝水及将军帽橡胶密封处渗水等。锚头积水、渗水应及时处治，及时检查保护罩的严密性，墩头螺栓的锈蚀情况，防止拉索钢丝和锚头因渗水而产生进一步锈蚀。

图2 拉索下锚头积水、渗水实景

1.3 防护材料挥发、失效

拉索锚头内防护材料渗漏、霉变、挥发、失效（见图3）是拉索最常见、最直观、可检测的病害之一，是引起拉索锚头锈蚀的前兆。由于锚头内的防护材料多为黄油或防腐油脂，长期使用后极易造成锚杯内的防腐油脂渗漏、霉变、挥发、失效，从而导致锚杯内螺纹及墩头钢丝锈蚀，降低锚头的耐久性。

图3 拉索下锚头防护油脂渗漏实景

2 病害评分模型及预防性养护时机

2.1 病害评分模型

评价指标的合理与否决定桥梁退化模型和桥梁养护时机选择模型的合理程度，从而影响养护体系的实施效果。预防性养护研究的使用性能评价指标的选择应注重三方面内容：一是选取的指标能够表征桥梁的现有状况，使得主观评价与客观实际最大的逼近，能够最准确地反映客观实际；二是评判此性能评价指标的标准明确、直观、可靠，可以通过指标准确地评价桥梁所处状态，为养护部门确定养护计划提供依据；三是此指标适用于预防性养护体系，根据此指标可得到明确的桥梁结构退化曲线，衡量预防性养护措施效益，确定措施实施时机。目前桥梁预防性养护体系多采用桥梁“技术状况评分”Dr或“技术状况指数”BCI作为桥梁使用性能评价指标。Dr或 BCI反映的是桥梁整体技术状况的退化规律，但不能反映桥梁不同部件、不同病害的演变时程。而同一座桥梁不同部件、构件或不同病害的退化程度和速度不尽相同，所以获得不同病害的评分模型更有助于预防性养护策略的建立。在《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/TH21-2011）[3]、《城市桥梁养护技术规范》（CJJ99-2003）[4]中，通过现场检查可以对桥梁总体、上部结构、下部结构及桥面系三大部位等部件分别进行打分评定，而对具体病害则是以检测指标的“标度”值进行评定。这里根据规范的评定细则，分析获得类似桥梁总体评定的百分制的病害评定值。每个病害对应一个或多个检测指标，而根据规范每个检测指标的扣分值与该指标所能达到的最高等级类别有关，病害的评分值又与相关的构件数有关。举例说明病害评分过程如下。假定构件数量为 N，某个病害的评定标度值为（i=1～N），此类病害的构件数占比为 β（1/N≤β≤1，构件病害权重系数，反映该构件此类病害的严重程度）。根据规范，可以查得该病害评定标度所对应的扣分值，然后仿照桥梁部件技术状况评分算式可以计算该病害的评分值V：

式中：MDP为 N 个构件该类病害评分的平均值，即为 N 个构件中分值最低的 构 件 的 得 分 值 ，Mmin=100-max （DPi）；t 为规 范 中的与N有关的系数。

对于某类病害对应多个检测指标的病害，其评分值V的计算过程与上面相似，只是在计算MDP 时对多个指标扣分值进行平均。通过式（1），一旦确定某类病害预防性养护的目标，即可据此确定此类病害达到何种严重程度时即可进行预防性养护。

2.2 预防性养护的目标及时机选择策略

预防性养护的效果与采取预防性养护措施时桥梁结构状态有关，及早对桥梁实施预防性养护，可使桥梁长期处于较好的状态，避免桥梁结构因退化严重而产生过大的维护费用，当然过早实施预防性养护可能达不到成本—效益最优化的目的，因此需要解决两个问题，即：（1）桥梁最低控制分数；（2） 预防性养护初次开展时间的合理范围。《公路桥梁技术状况评定标准》的桥梁技术状况分类：（1）结构分数为[80,100]（桥梁处于 1 类桥、2 类桥状态）时，桥梁结构处于较好的工作状况，做好日常必要的维护即可；（2）结构分数为[60,80）（3 类桥）时，结构尽管存在一定病害，但功能尚可，通过中小规模的维修即能将结构状态提升至1类桥或2 类桥；（3）结构分数为[0,60）（4 类桥、5 类桥）时，桥梁结构存在较大或严重的病害，对结构的安全性及耐久性有很大影响，往往需要通过大中修、甚至改建才能将结构恢复到较好的水平，并将付出巨大的维护成本。比较后认为将预防性养护中桥梁的最低控制分数定为 60 是合理的，即桥梁结构的总体状态控制为不低于3类桥，避免桥梁出现过大的结构病害；结构的预防性养护的初次开展时间控制在 80分左右是合适的，即结构尚处在 2类桥时就可根据病害特点开展预防性养护工作，这使得结构的维护费用较少，比较经济。

具体到某一类病害，则需考虑病害的成因、对结构的影响及所采用的预防性养护方法等方面，综合确定预防性养护的开展时机。预防性养护实施效果将影响预防性养护的策略制定，需对预防性养护实施后结构性能变化及发展趋势进行评价，预防性养护方法实施后对结构的影响可分三种情况：（1）不提高桥梁分数，延迟分数降低的时间，该时段内不再继续退化；（2）不提高桥梁分数，降低结构退化率，在固定时间内，退化率小于正常退化时结构的退化率；（3）提高桥梁分数，退化率保持不变，仍按原退化规律发展。实施时将不同效果加以比较，取主导作用的一种按上述原则进行归类，不考虑其余部分对结构的有利作用，这样做对结构也是有利的。另一方面，由于桥梁病害的成因不同，不同病害对结构的影响不同，不同病害所采取的预防性养护方式也不同，预防性养护工作的开展要针对具体病害，对不同的病害提出不同的预防性养护时机并分别实施，使预防性养护工作有的放矢；此外由于不同病害的预防性养护开展时间不同，可将预防性实施过程分散在桥梁的日常性养护工作中。

3 锚头退化分析及预防性养护时机

3.1 锚头锈蚀的退化分析及预养护时机

锚头锈蚀一般包括锚头内外螺纹、锚杯、锚板、钢丝墩头、保护罩、连接杆等锈蚀。锚头内外螺纹锈蚀是其主要的安全隐患，一旦螺纹在交变应力和腐蚀环境作用下出现不同缺陷，便会降低锚头的锚固性能甚至使锚头失效。主要包括：螺纹均匀锈蚀、螺纹点蚀和断扣、螺牙凹痕变形、螺牙高度不够、螺纹根部裂纹及螺纹滑牙。钢丝墩头锈蚀后往往会在锚板钢丝墩头处产生变形甚至疲劳开裂，影响钢丝墩头的锚固性能，对冷铸墩头锚产生较大的安全威胁。鉴于此因，从锚头锈蚀的机理出发尚无法全面得出海洋性环境下此类病害的初次养护时机，需按病害退化规律和预养护时机共同来确定初养护时间。由于现行规范中对冷铸墩头锚锈蚀病害的评定标准尚不能充分合理地反映实桥服役状况，现结合相关研究成果及检测经验确定其分级评定标准如表1、表2 所列。以象山港大桥为例进行讨论。依据式（1）可知，拉索锚头锈蚀的评分值与构件病害权重系数β的关系为V=100-31β-35/2.4。可知，当 V=80 分时，β=17.47%，即全桥约 15%的拉索锚头锈蚀病害评定标度为 2时，展开初次预防性养护较为合理。

另一方面，对于确定的地区，锚头锈蚀过程规律的经验公式为 D=A·t·h，其中：D 为腐蚀深度，mm；A 为第一年的腐蚀深度，mm/a；t为腐蚀持续时间，a；n 为与腐蚀材料与环境有关的常数。按照国 内 大 气 腐 蚀 站 碳 钢 腐 蚀 数 据[5-6]，宁 波 区 域 海 洋性 环 境 下 ，n 取 0.45， 而 锚 头 的 锈 蚀 速 率 A 取0.083 ，按照表1、表2 中锈蚀分级评定标准中标度2的定性描述，以钢丝墩头锈蚀和锚杯内外螺纹锈蚀 1 mm 为控制即可，相应估算出年限约为 5～7 a。因此，若发现某根拉索锚头钢丝墩头或内外螺纹出现锈蚀且满 5 a，或发现全桥约 15%的拉索存在锚头墩头钢丝锈蚀深度小于 1 mm，或内外螺纹存在普遍浮锈且外螺纹锈蚀延伸至螺帽处、氧化皮剥落且表面存在少量锈坑，可考虑展开初次预防性养护。

表1 钢丝墩头锈蚀分级评定标准一览表

表2 锚杯内外螺纹锈蚀分级评定标准一览表

3.2 锚头积水渗水的退化分析及预养护时机

锚头评定时需关注锚头积水、渗水及锚头内潮湿状况。结合相关研究成果及检测经验确定其分级评定标准如表3所列。锚头积水、渗水病害从其机理出发无法得出其初次养护时机，需按病害退化规律和预养护时机来确定初养护时间。依据式（1）可知，象山港大桥拉索锚头积水、渗水病害的评分值与构件病害权重系数 β 的关系为V=100-25β-25/2.4。可知，当 V=80 分时，β=38.33%，即全桥约 35%的拉索锚头积水、渗水病害评定标度为 2 时，展开初次预防性养护较为合理，即发现全桥约 35%的拉索锚头内有少量积水或水汽且空气湿度小于 40%，可展开初次预养护。如果发现某根拉索锚头积水、渗水较严重，为防止锚头出现严重锈蚀，可立即养护处理。具体情况以检测过程中发现的病害情况为参考。

表3 锚头积水、渗水分级评定标准一览表

3.3 防护材料挥发失效退化分析及预养护时机

锚头内防护材料多以防腐油脂等材料为主，作为锚头内的主要防腐措施，一旦其挥发、失效，锚头内便会形成积水，进而导致锚头锈蚀。结合相关研究成果及检测经验确定其分级评定标准如表4 所列。依据式（1）可知，象山港大桥拉索锚头积水、渗水病害的评分值与构件病害权重系数β的关系为 V=100-20 β-20/2.4。可知，当 V=80 分时，β=58.33%，即全桥约 55%的拉索锚头内防护材料挥发、失效病害评定标度为 2 时，展开初次预防性养护较为合理。

表4 防护材料挥发、失效分级评定标准一览表

4 结语

（1）本文系统总结了斜拉索冷铸墩头锚的病害特点，分析各类病害对拉索锚头安全性和耐久性的影响，指出了拉索冷铸墩头锚预防性养护的主要病害为锚头锈蚀、锚头积水渗水、防护材料挥发失效。

（2）依据不同病害的退化程度评价，给出了病害预防性养护的目标及时机选择。

（3）分别从锚头锈蚀、锚头积水渗水、防护材料挥发失效三方面对其退化行为进行了分析，并结合病害退化规律及预养护时机选择，确定了拉索锚头不同病害的初次预防性养护时机。

[1]Tserng H P,Yin S,Chung C L.Maintenance strategy for bridge components on the basis of performance[J].Journal of performance of constructed facilities,2009,23(4）:234– 243.

[2]Van Noortwijk J M,Frangopol D M.Two probabilistic life-cycle maintenance models for deteriorating civilinfrastructures[J]. Probabilistic Engineering Mechanics,2004,19(4）:345–359.

[3]JTG/TH 21-2011，公路桥梁技术状况评定标准[S].

[4]CJJ 99-2003，城市桥梁养护技术规范[S].

[5] 曹楚南.中国材料的自然环境腐蚀[M].北京：化学工业出版社, 2005.

[6] 梁彩凤,侯 文泰.钢的 大气 腐蚀 预测[J]. 中 国 腐 蚀 与 防 护 学 报, 2006,26(3）:129-135.

长春南湖大桥便桥合龙

今年 5 月 1 日起，长春南湖大桥在原地翻建，整体工程预计 9 月 30 日完工。之前，南湖大桥的翻建工作以搭设便桥为主要工作。目前，南湖大桥南北两侧的便桥合龙。

在南湖大桥翻建的过程中，为保持原有的道路通行能力，在大桥的南北两侧搭建临时便桥以供车辆和行人通行。临时便桥采用 9 m 宽的 2 车道单向通行，南北两侧都留有人行通道，搭建的便桥与现有南湖大桥的通行能力基本一致。

南湖大桥的翻建工作在 5 月初展开，力争在 10 月初完工并恢复通车。

U448.27

:B

:1009-7716（2017）05-0211-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.05.057

2017-02-15

宁波市交通运输委员会科技计划项目（201422）

罗炎波（1974-），男，浙江宁波人，高级工程师，从事道路与桥梁工程建设与管养工作。