鋼絞線主纜銹蝕檢測(cè)及剩余承載力研究★

張贊鵬 王 鵬 米發(fā)吉 全恩懋

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400060)

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·橋梁·隧道·

鋼絞線主纜銹蝕檢測(cè)及剩余承載力研究★

張贊鵬 王 鵬 米發(fā)吉 全恩懋

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400060)

綜合國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及相應(yīng)規(guī)范，對(duì)某吊橋銹蝕后的鋼絞線主纜進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)外觀檢測(cè)，確定了鋼絞線銹蝕等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)及銹蝕鋼絞線強(qiáng)度公式，提出了確定主纜剩余承載力方法，并通過(guò)抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，證明了該方法在工程實(shí)踐中的有效性。

鋼絞線，銹蝕，名義極限強(qiáng)度，強(qiáng)度折減系數(shù)

0 引言

懸索橋也稱(chēng)吊橋，主要由主纜、索塔、錨碇、吊索、加勁梁、索鞍等組成。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間增加，一些懸索橋開(kāi)始出現(xiàn)病害，例如主纜局部銹蝕、吊索局部銹蝕等。在我國(guó)一些偏遠(yuǎn)山區(qū)，由于建設(shè)條件及建設(shè)資金較為匱乏，往往采用鋼絞線或鋼絲繩作為主纜建設(shè)吊橋，這些吊橋在當(dāng)時(shí)滿(mǎn)足了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)及社會(huì)發(fā)展需要，但是隨著時(shí)間的推移和交通量增加，有些吊橋主纜出現(xiàn)銹蝕等病害。在維修加固前就需要對(duì)這些吊橋主纜進(jìn)行銹蝕檢測(cè)，確定其剩余承載力。

本文以某吊橋的主纜為例，根據(jù)國(guó)內(nèi)主纜銹蝕研究現(xiàn)狀，制定出鋼絞線主纜的無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、工作流程及剩余強(qiáng)度計(jì)算方法，進(jìn)而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)值運(yùn)算，確定出其剩余承載力大小，以避免現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)原結(jié)構(gòu)的傷害，可為類(lèi)似的工程檢測(cè)提供技術(shù)支撐。

1 鋼絞線銹蝕檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及工作流程

目前，對(duì)銹蝕后鋼絞線強(qiáng)度的檢測(cè)，常用的方法是現(xiàn)場(chǎng)取樣，然后在實(shí)驗(yàn)室做拉拔試驗(yàn)。但是由于主纜(鋼絞線)作為吊橋主要承重構(gòu)件，是吊橋的生命線，不可能采取現(xiàn)場(chǎng)取樣的方法進(jìn)行鋼絞線極限抗拉強(qiáng)度檢測(cè)。目前，通過(guò)鋼絞線外觀檢測(cè)來(lái)確定主纜鋼絞線的強(qiáng)度研究相對(duì)較小，本文綜合未除銹前外觀狀況、除銹后外觀狀況、典型銹蝕坑面積、深度、縮減鋼絲直徑等方面，結(jié)合綜合文獻(xiàn)[1]的研究成果、JTG H21—2011公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[2]第7.1.1條，確定鋼絞線銹蝕等級(jí)共分為5類(lèi)，具體各等級(jí)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

在確定出主纜銹蝕檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)后，主纜銹蝕檢測(cè)工作主要流程：

1)打開(kāi)主纜外表防護(hù)，檢查主纜鋼絞線的銹蝕情況，并記錄缺陷位置和拍照。初步判斷外層鋼絞線的銹蝕等級(jí)。

2)選取銹蝕嚴(yán)重的鋼絲，采用3棱銼刀將主纜鋼絞線表面的銹蝕、附著物等打磨干凈。

3)檢查打磨后鋼絲的外觀形狀變化、表面腐蝕情況、銹坑分布特征等。

4)采用游標(biāo)卡尺測(cè)量典型部位的鋼絲直徑變化，采用深度尺或單尖千分尺測(cè)量典型銹坑深度。

5)判斷外層鋼絞線的銹蝕等級(jí)。

6)必要時(shí)用木楔打開(kāi)主纜，查看內(nèi)部鋼絞線銹蝕情況。

2 鋼絞線銹蝕后名義極限強(qiáng)度計(jì)算研究

對(duì)鋼絞線銹蝕情況進(jìn)行檢測(cè)后，需確定鋼絞線剩余極限強(qiáng)度，也即鋼絞線銹蝕后的名義極限強(qiáng)度。綜合國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀，根據(jù)主纜鋼絞線銹蝕特征，采用文獻(xiàn)[3]或文獻(xiàn)[4，5]提供的方法計(jì)算銹蝕鋼絞線的名義極限強(qiáng)度。

表1 鋼絞線銹蝕等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

計(jì)算原則和方法如下：

1)對(duì)1類(lèi)鋼絞線，一般為完好狀態(tài)，強(qiáng)度無(wú)需折減，名義極限強(qiáng)度值取用規(guī)范值，即fpk,m=fpk(fpk,m為鋼絞線名義極限強(qiáng)度，fpk為鋼絞線極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，下同)。按照J(rèn)TG D62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[6]，鋼絞線極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk取為1 860 MPa。

2)對(duì)2類(lèi)鋼絞線，一般無(wú)銹坑狀態(tài)或有個(gè)別深度很小的銹坑，銹坑數(shù)量很少，深度很小，與1類(lèi)鋼絞線可能存在的表面損傷相近，可不考慮鋼絞線的強(qiáng)度折減，名義極限強(qiáng)度值仍按規(guī)范值取用，即fpk,m=fpk。

3)對(duì)3類(lèi)鋼絞線，銹蝕形態(tài)主要為連續(xù)分布的點(diǎn)狀銹坑，或者深度較小的片狀或條帶狀銹坑，銹蝕深度總體較均勻，宜采用文獻(xiàn)[4][5]提供的數(shù)學(xué)方法，計(jì)算其名義極限強(qiáng)度。具體的計(jì)算方法為：

fpk,m=(1-8.422ρ1.351)fpk。

式中：ρ——鋼絞線的銹蝕率；

r——鋼絲半徑；

Δr——鋼絲半徑折減值，由于無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)獲取鋼絞線的銹蝕率，故采用鋼絞線等代半徑的變化量進(jìn)行計(jì)算，本報(bào)告將鋼絲最大銹坑深度的0.5倍作為半徑折減值。

4)對(duì)4類(lèi)及5類(lèi)鋼絞線，銹蝕形態(tài)主要為局部直徑縮減，坑槽面積、深度離散性較大，宜采用文獻(xiàn)[3]提供的數(shù)學(xué)方法，計(jì)算其名義極限強(qiáng)度。具體計(jì)算方法為：

fpk,m=(1-0.836μmax)fpk。

式中：μmax——單根鋼絲的最大截面損失率；

Ak——鋼絲截面銹坑損失面積；

As——鋼絲理論截面面積。

3 主纜強(qiáng)度折減系數(shù)計(jì)算

根據(jù)不同銹蝕等級(jí)鋼絞線的名義極限強(qiáng)度及銹蝕等級(jí)比例分布，采用加權(quán)方法計(jì)算主纜各測(cè)試截面處的主纜強(qiáng)度折減系數(shù)。但是對(duì)于鋼絞線而言，蝕坑為其銹蝕的主要形態(tài)，鋼絞線蝕坑形狀很不規(guī)則，表面凹凸不平，受拉之后出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致同一束鋼絞線極限破壞不同步，鑒于5類(lèi)鋼絞線銹蝕程度較重且均分布于主纜外層，其銹蝕發(fā)展的速度最快，退出工作的可能性最早，計(jì)算中不考慮5類(lèi)鋼絞線作用。

4 工程實(shí)例

某山區(qū)地錨式懸索橋，主跨120 m，主纜采用109φ15.2 mm平行鋼絞線束，吊索采用4φs15.2 mm鋼絞線。鋼絞線未銹蝕時(shí)，該橋采用有限元程序MIDAS/Civil進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見(jiàn)圖1。計(jì)算得出主纜安全系數(shù)為3.2，大于規(guī)范限值2.5，滿(mǎn)足規(guī)范要求。由于當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)條件比較差，建設(shè)資金較少，只是作為一個(gè)臨時(shí)便橋，主纜(鋼絞線)暴露在空氣中，加上該地區(qū)雨水較多，空氣潮濕，后來(lái)由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需使其作為永久橋梁來(lái)使用。這就需要對(duì)主纜銹蝕情況進(jìn)行檢測(cè)，確定主纜鋼絞線剩余承載力是否滿(mǎn)足規(guī)范要求。

5 主纜銹蝕檢測(cè)

5.1 主纜銹蝕檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)該橋主纜銹蝕情況，選取3個(gè)主纜銹蝕較嚴(yán)重及有代表性的位置進(jìn)行主纜橫截面銹蝕分布情況檢查。主纜檢測(cè)情況見(jiàn)表2。

通過(guò)對(duì)3個(gè)典型截面的主纜全截面鋼絞線銹蝕情況分析及內(nèi)外部鋼絞線銹蝕程度比對(duì)，得到該橋主纜鋼絞線外觀銹蝕以及銹蝕在橫截面分布上的分布規(guī)律如下：1)主纜鋼絞線外觀銹蝕程度主要集中在3類(lèi)和4類(lèi)，以4類(lèi)比例最高，主纜鋼絞線發(fā)現(xiàn)5類(lèi)銹蝕鋼絞線的測(cè)區(qū)有1個(gè)；2)在橫截面上主纜鋼絞線銹蝕程度分布規(guī)律與外層鋼絞線分布規(guī)律基本一致，均為從上到下逐漸加重；3)5類(lèi)銹蝕在全截面的比例較外層檢測(cè)結(jié)果更低，表明5類(lèi)銹蝕主要集中在主纜底部外層。

表2 典型截面檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

5.2 主纜銹蝕后名義極限強(qiáng)度

1類(lèi)鋼絞線，一般為完好狀態(tài)，強(qiáng)度無(wú)需折減，名義極限強(qiáng)度值取為1 860 MPa。2類(lèi)鋼絞線，一般無(wú)銹坑狀態(tài)或有個(gè)別深度很小的銹坑，銹坑數(shù)量很少，深度很小，與1類(lèi)鋼絞線可能存在的表面損傷相近，可不考慮鋼絞線的強(qiáng)度折減，名義極限強(qiáng)度值取為1 860 MPa。對(duì)于3類(lèi)、4類(lèi)、5類(lèi)鋼絞線的名義極限強(qiáng)度如表3所示。

表3 主纜鋼絞線名義極限強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

5.3 主纜銹蝕后強(qiáng)度折減系數(shù)計(jì)算結(jié)果

本橋主纜銹蝕后強(qiáng)度折減系數(shù)計(jì)算根據(jù)不同銹蝕等級(jí)鋼絞線的名義極限強(qiáng)度及銹蝕等級(jí)比例分布，采用加權(quán)方法計(jì)算主纜各測(cè)試截面處的主纜強(qiáng)度折減系數(shù)。且計(jì)算中已偏安全的從主纜強(qiáng)度中略去5類(lèi)銹蝕鋼絞線的作用。三個(gè)典型截面主纜銹蝕后強(qiáng)度折減系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 主纜強(qiáng)度折減系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表4可知，計(jì)算得到的下游主纜強(qiáng)度折減系數(shù)為0.45～1.00，平均值為0.66，最大折減位于2號(hào)測(cè)區(qū)。

5.4 主纜銹蝕后剩余承載力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，主纜鋼絞線銹蝕程度在全長(zhǎng)范圍內(nèi)離散性較大，建議主纜承載能力計(jì)算以局部最不利抗力控制。主纜強(qiáng)度折減系數(shù)建議取值為0.45。鋼絞線銹蝕后，主纜承載力安全系數(shù)為：3.2×0.45=1.44<2.50，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。建議進(jìn)行限載或者更換主纜。經(jīng)多方研究確定對(duì)該橋主纜進(jìn)行更換，將拆除下來(lái)的鋼絞線進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相近，偏差在10%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足工程精度要求。拉拔試驗(yàn)表明通過(guò)外觀檢測(cè)評(píng)定鋼絞線銹蝕等級(jí)，再結(jié)合銹蝕鋼絞線強(qiáng)度公式確定銹蝕后鋼絞線剩余承載力的方法，在實(shí)際工程中有效。

6 結(jié)語(yǔ)

主纜是懸索橋結(jié)構(gòu)中最主要的承重構(gòu)件之一，被稱(chēng)為懸索橋的生命線，養(yǎng)護(hù)檢測(cè)中主纜的實(shí)際承載能力的評(píng)定是保證懸索橋安全的重要環(huán)節(jié)。鋼絞線作為主纜常用材料之一，其銹蝕程度對(duì)主纜鋼絞線極限抗拉強(qiáng)度影響極大。通過(guò)主纜鋼絞線外觀檢測(cè)評(píng)定鋼絞線銹蝕等級(jí)，再結(jié)合銹蝕鋼絞線強(qiáng)度公式能夠確定出主纜腐蝕后剩余承載力大小，且該方法在工程中有效。

[1] 劉志梅,候 旭,許宏元,等.預(yù)應(yīng)力鋼筋銹蝕程度評(píng)定與力學(xué)性能衰減研究[A].第十九屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(下冊(cè))[C].2010.

[2] JTG/T H21—2011，公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] 鄭亞明,歐陽(yáng)平,安 琳.銹蝕鋼絞線力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代交通技術(shù),2005(6)：53-54.

[4] 羅小勇,李 政.無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線銹蝕后力學(xué)性能研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2008,30(2)：30-32.

[5] 張贊鵬.在役預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋承載力時(shí)變可靠度研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2014.

[6] JTG D62—2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)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★：西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2010318740008)

張贊鵬(1987- )，男，助理工程師

1009-6825(2016)16-0162-03

U448.25

A