桥梁失火拉索专项检测及维护技术应用研究

蒋 林,王晓琳,李东平,杨 赓,刘少伟

(1.桂林市市政工程管理处,广西 桂林 541003；2.柳州欧维姆结构检测技术有限公司,广西 柳州 545006)

拉索为桥梁的主要受力构件之一,主要由高强钢丝或钢绞线及锚固体系组成。其长期承受疲劳荷载,又处于跨江河、跨海湾地域,长期暴露风雨、潮湿和空气污染的恶劣环境中,容易产生病害。目前拉索病害的主要形式有：①防护系统失效；②锚具腐蚀；③钢丝的腐蚀或断丝；④拉索的松弛与振动[1]。本文分析了斜拉桥主要存在的病害及原因,并研究了相应的检测手段及工具,结合桂林某斜拉桥A2#拉索检测,给出检测分析实例。

1 工程概况

桂林某大桥是一座曲线型独塔双索面斜拉桥,主桥为塔梁墩固结体系,桥跨布置为50m+87m+144m+39m=320m。主塔采用曲线H型全砼塔结构,曲塔桥面以上高63.4米。斜拉索布置为扇形双索面,曲塔两侧共有12对拉索,见图1。斜拉索采用φ7镀锌低松弛高强钢丝制作,两端配冷铸锚头[2]。其中A2#斜拉索为LZM7-163冷铸锚,索长75.668m,对应索径为Ø158mm。由于非人为因素,A2#塔端预埋管口位置发生失火事故,导致斜拉索PE损伤。为确认是否满足桥梁正常运行,对A2#号拉索进行专项检测。

图1 工程示意图

2 主要检测内容及方法

2.1 主要检测内容

本文从斜拉索主要的病害考虑,以及桂林南洲桥的实际情况,选取A2#拉索为被检测拉索。主要从以下四个方面进行检测：(1)PE保护层外观检测；(2)拉索自由段的断丝、锈蚀状况；)(3)锚固端积水及外观检测；(4)A2#拉索以及相邻上下游拉索(A1、A2、A3、A＇1、A＇2、A＇3)斜拉索索力测量；如图2所示。

图2 拉索检测内容

2.2 主要检测方法及原理

2.2.1 漏磁法检测机器人

电磁检测的原理是基于铁磁性材料的磁导率比空气的磁导率至少大100倍,当用一定的励磁装置将被检测的铁磁材料磁化到临界饱和状态,一旦铁磁材料的表面和内部出现缺陷时,由于铁磁材料局部磁导率降低(磁阻增加),一部分磁场将会从铁磁材料中外泄出来,这一外泄的漏磁场将被磁传感器检测出,如下图3,图4所示。

当材料中的磁力线遇到外面或内部缺陷产生的材料间断时,磁力线将会发生畸变,从而引起可被检测的漏磁变化。下图是两种缺陷：外部缺陷和内部缺陷的漏磁检测信号的特征。

本文利用爬索机器人搭载模块化的励磁检测设备来检测拉索,利用模块中的永磁铁构成磁回路,磁化桥索内部的钢丝,同时利用霍尔元件检测钢丝的漏磁,并利用无线数传模块将采集到的数据传输到电脑中并保存分析[3]。

2.2.2 索力检测

振动频率法是利用紧固在拉索上的高灵敏度传感器,拾取索在环境振动激励下的振动信号,经过滤波、放大、谱分析,得出缆索的自振频率,根据自振频率与索力的关系,来检测拉索索力[4]。

在拉索两端为铰支且不考虑拉索弯曲刚度的情况下：

P=KF2

(2-1)

F=Fn/n

(2-2)

K=4mL2/1000

(2-3)

其中：F—拉索基频(Hz)；Fn—拉索主振动频率(Hz)；n—主振频率的阶次；L—钢索两嵌固点之间的长度(m)；m—拉索单位长度的质量(kg/m)。

3 主要的检测成果

3.1 PE保护层检测结果

对A2#斜拉索PE护套表观状况进行全面检测检测,结果如下：①下预埋管保护罩密封胶老化、脱落；②斜拉索出现环向纹,不同程度的划痕损伤及凸起开裂现象；保护罩及拉索PE部分检查结果详见图5,图6。

利用爬索机器人对A2#斜拉索PE护套表观及断丝、锈蚀状况进行全面检测。检测结果如图7所示。

图7 爬升机器人视频检测拉索损伤图

A2#斜拉索索体自由段表观检测结果如图8所示。

图8 拉索损伤情况示意

3.2 断丝锈蚀检测

在获得采集到的数据之后,将数据导入到计算程序中,得到每个通道测得数据的曲线图,如图9所示。

图9 漏磁法检测结果图

从图9中可以看出,检测到的数据有一定轻微的异常波动,并未出现大幅度缺陷的类正弦波波形,所以初步得出结论：A2#斜拉索索体(非烧伤段)局部有轻微锈蚀的迹象,但未表现出有严重锈蚀、断丝等缺陷的迹象,内部钢丝完好状况基本良好。

3.3 A2#斜拉索 PE护套开窗检查

对PE护套有严重开裂病害的斜拉索,进行PE护套的开窗检查,检查内部钢丝锈蚀断丝情况,结果如下：①斜拉索缠包带良好,无断裂、无明显水渍；②钢丝光滑整齐,无断丝；钢丝表面有白色氧化物,俗称白锈。原因分析镀锌层表面若粘附一层凝结水,与氧气、二氧化碳、碳化氢、二氧化硫、烟灰、尘土以及其它的化学气体作用后,变成了一种具有腐蚀性的水溶液而附着于镀锌层表面,形成一种电解液。说明索体内部进水或有潮湿空气。如图10,图11所示。

3.4 拉索上、下锚头表观状况检查

对防水罩、预埋管等桥面及梁底可操作部位进行开窗检查,重点进行检查。检查结果主要有：①塔内上锚头工作状态良好,油漆正常；锚杯内环氧砂浆密实,钢丝镦头处有部分环氧砂浆脱落；②下锚头保护罩及垫板出现锈蚀,垫板表面有油污。锚头具体检查结果如图12,图13所示。

3.5 A2#斜拉索塔部预埋管口位置表观状况重点检测

对A2#斜拉索塔部预埋管口位置重点检测,结果如下：①上预埋管处外PE有烧伤痕迹,烧损部位PE损伤严重,钢丝大面积裸露；②部份钢丝表面已经出现点蚀麻坑。

利用汽吊对A2#斜拉索塔部预埋管口位置表观状况重点检测如图14,图15所示。

3.6 索力检测

本文采用振动频率法对损伤拉索以及相邻拉索进行了检测。拉索参数表见表2所示。

表2 斜拉索参数表

将2015年测得的索力数据与2014索力数据对比,如表3所示。

表3 南洲大桥A1、A2、A3、A＇1、A＇2、A＇3#斜拉索索力汇总

2015年与2014年索力对比图如图16和17所示。

图16 南侧索2015年与2014年索力值

图17 北侧索2015年与2014年索力值

2015年A1、A2、A3#斜拉索南北侧索力值与2014年A1、A2、A3#斜拉索南北侧索力值最大偏差为3%,表明A1、A2、A3#斜拉索在一年的运营时间里面,运营状况恒定,没有发生明显变化索；2015年A1、A2、A3#南北两侧斜拉索索力值最大偏差为3%,说明斜拉索对称性较好。

4 拉索维护

拉索PE自然燃烧情况下一般钢丝温度在250℃左右,且持续时间不长。可以认为不改变拉索钢丝力学性能[5]。依据检测结果,拉索索体PE护套有不同程度的老化龟裂、大面积划痕损伤、裂口及局部变形凸起；拉索钢丝(非烧伤段)内部开始出现白锈,虽不会马上危及桥梁整体结构安全。烧损部位受损严重,钢丝裸露,并出现点蚀麻坑；威胁到索体的安全。需要及时对其进行修复,具体维修方案如下：(1)对拉索桥面保护罩进行更换密封胶；对预埋管内进行清理,重新灌注油性密封蜡；对预埋管和保护罩进行重新防腐涂装。(2)对全桥拉索下锚头进行除锈并防腐涂装；(3)首先对损伤部位PE进行补索修复,再在最外层采取PVF带缠包的修复方式进行修复[6]。见图18、图19所示。

5 结语

(1)采用爬索机器人对拉索自由段进行外观检测是一种经济实用的方法,搭载漏磁法检测装置能够实现拉索断丝锈蚀的检测。

(2)拉索失火后会对PE保护层破坏,需要及时进行检测维修,可采取先补索,后缠包PVF带的方式进行修复。如具备施工条件可以考虑对拉索进行整体缠包,提高拉索防护性能。

[1]邓年春,段春凯,王晓琳.基于失效形式的拉索检测与安全评估[J].预应力技术,2017(3)：21-25．

[2]励晓峰,陈何峰,郑本辉.桂林南洲大桥索塔钢锚梁结构受力分析[J].建筑结构,2008(9)：106-107．

[3]王晓琳,陆绍辉,李东平,等.一种轻型碳纤维爬索机器人及其检测系统研究[J].广西科技大学学报,2017(4)：25-31．

[4]邓水源,蔡敏.斜拉桥索力检测的振动频率法的分析及应用[J].交通科技与经济,2005,7(2)：1-3．

[5]李德兴,龙跃,赵劼,等.桥梁失火拉索性能的试验研究[J].预应力技术,2009(5)：27-30．

[6]杨少军,尹玲.万州万安大桥斜拉索的修复[J].公路交通技术,2003(6)：65-66．