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□□ 李 鑫，李斯涵，位东升，曾德礼 (.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳089；
.中铁大桥科学研究院有限公司，湖北 武汉 430034)
中承式拱桥中吊杆是将桥面荷载传递到拱肋的关键受力构件，对桥梁是否能够能够正常运营起到关键性的作用[1-2]。由于吊杆长期缺乏科学保护，直接承受外界环境腐蚀以及疲劳荷载作用，近期已出现多座拱桥未达设计使用年限就出现因吊杆锈蚀造成桥梁塌陷等安全事故[3-4]。
吊杆的设计使用年限为20年[5]，在使用年限内进行科学养护和定期检测等是保障桥梁结构安全运营的有效措施。以某大桥为例，对中承式拱桥吊杆进行专项检测和可靠性分析，并提出桥梁吊杆运营养护、维修加固或拆除重建等处理建议。
某中承式劲性钢筋混凝土拱桥为城区的跨江大桥，主跨长为243.37 m，拱肋净矢高为48 m，矢跨比为1∶5，主拱拱轴线为悬链线，拱轴系数为1.756，换算拱厚系数n为0.8，桥面总宽为19.5 m(含人行道)。桥面纵板为预应力混凝土空心板，吊杆横梁为预应力结构，纵板与横梁固结。桥面布置为3.25 m(人行道)、13 m(车行道)和3.25 m(人行道)。主拱结构为两条分离式平行拱肋无铰拱，两拱肋用K撑和X撑连接。设计荷载：汽车—超20级，挂车—120级，人群荷载为3.5 kN·m-2，地震设防烈度为8度，桥梁立面布置如图1所示。
图1 桥梁立面布置图
该大桥于1990年建成通车，通车11年后，2001年11月，该桥发生吊杆断裂，局部桥面坍塌坠江事故，维修后于2002年7月再次投入使用。该桥吊杆体系自2002年更换以来，已运行近20年，为准确掌握大桥吊杆的技术状况和存在的安全隐患，并为大桥吊杆养护管理工作提供科学依据，特对大桥吊杆进行检测及可靠性分析研究。
吊杆作为拱桥的重要传力构件，对桥梁的安全使用有着至关重要的作用，然而吊杆又是易受损害的构件，由于其长期暴露在大气环境中并且承受交变荷载作用，其破坏常表现为腐蚀和疲劳损伤两大类[6-7]。
因此，对吊杆锚固可靠性、油脂老化程度和索力缺陷等进行专项检测及安全评估，准确掌握吊杆体系工作状况是十分必要的。
2.1 吊杆锚固可靠性检测
吊杆锚固区是吊杆和拱肋之间进行传力的关键部位，因而对吊杆锚头情况的监测可以在一定程度上反映桥梁的安全情况[8]。吊杆锚头处检测一般采用目测方法，通常检查锚头锈蚀、积水情况、墩头有无异常、保护罩螺丝是否松动、锚头保护罩内侧橡胶垫圈是否存在水珠凝结、横梁下锚头钢垫板是否锈蚀、钢垫板周围混凝土是否破损和脱落等问题[9-10]。
由于锚头与钢丝连接处、钢棒与钢丝连接处操作空间有限，索体周围密封性较好，主要采用目测配合内窥镜仪器的方法进行检测。
2.1.1上锚头检测
打开该桥上锚头钢锚罩后发现，97.1%的上锚头保护罩基本外观涂装较好，82.4%的上锚头存在保护罩内积水现象，79.4%的上锚头存在锈蚀现象，58.8%的上锚头存在不同程度的油脂变质或老化现象，并且发生油脂变质的锚头中有55.0%发生在下游吊杆中。典型的病害情况如图2和图3所示。
图2 吊杆上锚头锚杯内积水
图3 吊杆上锚头螺母锈蚀
2.1.2下锚头检测
下锚头采用与上锚头类似的检测方法，下锚头存在的主要问题为：85.3%的下锚头保护罩或钢垫板存在锈蚀现象，100%的下锚头都存在油脂老化严重问题，88.2%的下锚头存在保护罩内积水，且个别锚头积水情况严重，91.2%下锚头的钢棒或螺母存在不同程度的锈蚀，其中29.0%的锈蚀情况比较严重，典型病害如图4和图5所示。
图4 杆下锚头钢垫板锈蚀
图5 吊杆下锚头防腐油脂变质
2.1.3连接套检测
由于无法直接检测钢棒与钢丝连接部位的内部情况，一般通过检测连接部位外侧来反映内部情况，如果连接部位的外表面、连接套出现裂纹等痕迹，则反映钢棒与钢丝连接部位存在病害。因此，通过检测连接套外表面的锈蚀、裂纹情况可推断内部的工作性能是否完好。
检测结果表明：吊杆护脚内表面普遍锈蚀，52.9%连接套外橡胶保护套存在一定的老化或开裂情况，41.2%连接套存在表面或根部不同程度的锈蚀。对于锚紧螺母部位则选取部分位置进行检测，螺母存在轻微锈蚀，胶泥材料情况较好，典型病害如图6和图7所示。
图6 吊杆护脚内表面锈蚀
图7 吊杆连接套橡胶保护套泛黄和老化
2.2 油脂老化程度检测
油脂老化程度是反映吊杆锚头锈蚀情况的一项重要指标，主要通过对吊杆锚头防腐油脂取样化验，用有机溶剂分离提取，采用红外光谱、扫描电镜等仪器通过试验分析，对原灌注油脂防锈、防腐性、抗氧化性等进行综合评价，来反映油脂的老化情况。
如图8所示，通过分析灼烧后微量粉末的扫描电镜能谱，发现试样中主要含有元素C、O、Ca及少量Al、K等。由此可推测出该样品中主要成分为矿物油、有机羧酸盐类、碳酸盐类，表明此时油脂已发生老化。
图8 扫描电镜能谱分析
2.3 吊杆索力检测
桥梁吊杆的索力检测可以有效评估桥梁的健康状况[11]，桥梁吊杆索力测量通常采用频谱分析法[12]，由于此法测试短吊杆时存在不可忽视的误差，该大桥采用频谱分析法与该桥索力测试系统对比的方法进行测试，并且当索力偏差率>±10%时，检定其安全系数是否满足相关标准要求，分析其原因并应在结构检算中加以考虑。
选择吊索在空载状况下的索力值进行分析发现，上下游不同吊杆索力分布不均，特别是短吊杆索力值上下游差别较大，上下游索力偏差最大达到267.10 kN，对结构内力存在一定不利影响。
2.4 缺陷检测
吊杆缺陷直接影响吊杆运营的寿命，是性能检测的一项关键指标，除4根短吊杆无法采用此法外，该桥主要采用漏磁检测法来检测吊杆高强钢丝是否存在断丝病害[13]，检测设备的数据处理界面如图9所示。
图9 检测设备数据处理界面
经检测，大部分索体吊杆磁通量数据平稳，波形无异常变化，表明钢丝情况较好，无钢丝腐蚀或断丝病害情况。
3.1 吊杆承载能力评估
根据JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》[14]规定，吊杆索承载能力评定按强度进行检算。对实测最大索力为1 954.98 kN的吊杆进行验算，计入活载影响修正系数后的索力为2 267.80 kN，则：T/A=333.85 MPa，<661.32 MPa。按强度计算可知，该桥吊杆承载能力符合JTG/T J21—2011要求，较为安全。
3.2 吊杆腐蚀疲劳寿命可靠性分析
吊杆长期暴露在外界环境，直接受到雨水和尾气等的侵蚀损伤，导致吊杆的保护套容易发生老化失效，使钢丝直接受到腐蚀环境的损害。腐蚀疲劳作为吊杆最常见的损伤之一，对桥梁的耐久性有重大影响，损伤部位通常发生在杆身和锚头[15-16]。
根据文献[17]，开裂截面上钢绞线疲劳应力幅为空气中的73%，并且钢绞线(钢丝)的腐蚀疲劳强度随时间呈指数衰减。文献[18]研究表明，材料腐蚀疲劳S-N曲线的斜率与无腐蚀疲劳S-N曲线的斜率基本相等，因而得出开裂截面钢绞线(或钢丝)腐蚀疲劳S-N曲线见式(1)。
(1)
式中，N——疲劳试验次数；
σb——疲劳强度;
σm——平均拉应力；
Δσc——为钢绞线(钢丝)腐蚀疲劳强度；
b——试验常数；
e-b——为第一年腐蚀疲劳强度下降速度，楚南[19]提出第一年腐蚀疲劳强度为原来的0.97～1倍，由此可推算b的取值范围为0～0.03；
t——服役时间。
将检测所得的σb=1 670 MPa、σm=219 MPa带入式(1)，可得出相应开裂截面及钢丝的腐蚀疲劳强度均值和标准差：
(2)
(3)
式中，μlgΔσR(n)——腐蚀疲劳强度对数均值；
σlgΔσR(n)——腐蚀疲劳强度对数标准差；
n——循环次数；
c——材料常数。
在腐蚀环境中吊杆不同使用寿命期的可靠度也是通过采用类似无腐蚀吊杆疲劳寿命评估的分析方法来反映，经检测，在不同腐蚀速度下吊杆疲劳可靠度指标如图10所示。
从图10中可以看出，吊杆在不同腐蚀速度下，其疲劳可靠度指标相差很大，即其使用寿命将相差很大；
即使吊杆发生轻微腐蚀(如b=0.01)，其服役年限不到无腐蚀吊杆的1/5。
吊杆专项检测结果显示，部分上锚头吊杆钢丝镦头出现不同程度的锈蚀，个别镀锌层减少出现铁锈斑点，部分下锚头螺母及钢棒出现不同程度的锈蚀，个别螺母及钢棒锈蚀比较严重，根据文献[20]关于锈蚀发展规律和速率分析的研究表明，钢丝一旦发生应力腐蚀裂纹扩展，其扩展速率是非常快的，可达0.9 mm·s-1，由此可以推断，该桥部分吊杆存在轻微的腐蚀损伤，其疲劳可靠度指标出现降低的趋势，即使用寿命出现很大程度的缩短，结构运营存在较大的安全隐患。
(1)多数吊杆锚头存在保护罩涂装情况良好，但是存在套内积水、油脂老化、锚头锈蚀等病害；
连接套处吊杆护脚内表面普遍锈蚀，并且套外橡胶保护套存在不同程度脱落和老化现象。
(2)吊杆索力分布不均，上下游索力存在一定的差异，特别是短吊杆的索力值上下游差别较大，最大达到267.10 kN。
(3)除短吊杆外，其余吊杆索体部分内部钢丝磁通量数据平稳，波形无异常变化，钢丝情况较好，无钢丝腐蚀或断丝病害。
(4)承载力检测表明，正常运营工况下，按强度计算实测吊杆最大索力应力为333.85 MPa，小于JTG/T J21—2011的限值661.32 MPa；
腐蚀疲劳寿命分析表明，该桥部分吊杆钢丝存在轻微的腐蚀损伤，其疲劳可靠度指标存在降低趋势，使用寿命存在缩短的倾向，对结构安全运营有很大的影响。
(5)综合分析，考虑到结构使用的安全性及耐久性，建议对桥梁吊杆体系及主梁结构形式进行更换，更换为双吊杆体系及纵横梁结构形式，以增强在单根吊杆失效情况下的结构安全性。
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