斜拉橋拉索外觀病害檢測識別及養(yǎng)護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究

毛月 魏亞輝 韓銳

摘要：文章以南京長江三橋?yàn)楣こ贪咐?，進(jìn)行了斜拉橋拉索病害檢測識別及養(yǎng)護(hù)成套技術(shù)應(yīng)用研究。利用爬索機(jī)器人，結(jié)合圖像識別技術(shù)，對斜拉索病害進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。檢測成果顯示，斜拉索PE護(hù)套總體狀況較好，反映出的內(nèi)部拉索狀態(tài)良好，PE護(hù)套大部分病害為耐久性病害。同時(shí)，給出了PE護(hù)套耐久性病害處置措施和養(yǎng)護(hù)維修措施。

關(guān)鍵詞：南京長江三橋;斜拉索;檢測識別;養(yǎng)護(hù)

0 引言

斜拉索是斜拉橋關(guān)鍵受力構(gòu)件，是橋梁的生命線。斜拉索常年暴露在風(fēng)雨、潮濕和污染空氣的自然環(huán)境中，尤其是跨江、跨河、跨海灣的特大橋，拉索主要材料為鋼材，若防護(hù)不當(dāng)，極易使得鋼絲受到腐蝕，進(jìn)而造成索力降低，影響全橋力學(xué)性能[1]。

2016年，某主橋跨徑為（140+322+140）m的雙塔斜拉橋應(yīng)用爬索機(jī)器人進(jìn)行外觀檢測，檢測結(jié)果為PE護(hù)套管主要病害以外表污垢、老化微裂縫為主，病害及破損狀況程度普遍輕微，表明PE套管完整性良好，拉索腐蝕可能性較小[2]。2017年，某獨(dú)塔斜拉橋（主跨為232 m，斜拉索服役19年）進(jìn)行了拉索檢測養(yǎng)護(hù)，該橋斜拉索PE護(hù)套出現(xiàn)以環(huán)狀開裂或斷裂為主的病害，表明該橋護(hù)套材料性能已嚴(yán)重劣化失效，PE護(hù)套老化開裂不同程度上影響斜拉索的鋼絲腐蝕，未老化的PE護(hù)套內(nèi)的鋼絲未受到腐蝕[3]。2018年沈陽公和橋[該橋?yàn)楠?dú)塔斜拉橋，跨徑為（114+120）m，斜拉索服役15年]進(jìn)行了斜拉索檢修評估，該橋部分斜拉索PE護(hù)套存在局部蜂窩和開裂，斜拉索內(nèi)部鋼絲表面存在銹蝕，但尚不影響結(jié)構(gòu)安全，無須換索[4]。

現(xiàn)有資料表明[1，3，4]，我國絕大部分斜拉索正常使用壽命低于20年，不足全橋設(shè)計(jì)壽命的1/10，即使是日本開發(fā)的新型斜拉索材料，壽命也只能維持25～30年。斜拉索外觀質(zhì)量直接影響鋼絲斷面腐蝕率，影響拉索性能和壽命，而現(xiàn)今關(guān)于大跨徑斜拉橋拉索外觀病害檢測識別及養(yǎng)護(hù)技術(shù)的文獻(xiàn)偏少，多以200 m以內(nèi)跨徑的斜拉橋拉索病害檢測識別和養(yǎng)護(hù)應(yīng)用研究為主，因此有必要開展大跨斜拉橋拉索外觀病害檢測識別及養(yǎng)護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究，以應(yīng)對拉索病害發(fā)展帶來的橋梁結(jié)構(gòu)損傷。

1 工程背景

南京長江三橋主橋?yàn)榭鐝?48 m的雙塔雙索面鋼塔鋼箱梁斜拉橋，主橋跨徑布置圖見圖1。工程于2005-10-07建成通車，斜拉索已服役超過10年。

南京長江三橋主橋共布置168根斜拉索，斜拉索規(guī)格分別為PES7-241、PES7-223、PES7-187、PES7-151、PES7-127、PES7-109等6種。斜拉索采用內(nèi)外兩層聚乙烯護(hù)套作為防護(hù)，其中外層為彩色聚乙烯護(hù)套，內(nèi)層為黑色聚乙烯護(hù)套，鍍鋅鋼絲外為纏繞細(xì)鋼絲或纖維增強(qiáng)聚酯帶，南京長江單橋的鋼絲排列及防護(hù)如圖2所示。

2 檢查方法

對南京長江第三大橋全橋共計(jì)168根斜拉索PE護(hù)套管采用HXT-1爬索機(jī)器人進(jìn)行全面外觀檢測，通過圖像識別技術(shù)，完成病害種類、位置等信息確定。

HXT-1爬索機(jī)器人由爬升部分、數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分、數(shù)據(jù)處理部分和輔助部分等組成。爬升部分將數(shù)據(jù)采集部分中的各種傳感器搭載至纜索上，使之沿索檢測各種數(shù)據(jù)。然后由數(shù)據(jù)傳輸部分將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)中保存。隨后由計(jì)算機(jī)中的各種數(shù)據(jù)處理軟件將之前保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到纜索表面破損、內(nèi)部鋼絲銹蝕、斷裂等問題的數(shù)據(jù)。最終匯總處理數(shù)據(jù)生成纜索安全報(bào)告以供纜索維修參考。為了檢測拉索表面保護(hù)層的破損情況，設(shè)計(jì)的視覺檢測系統(tǒng)的硬件由4臺(tái)攝像機(jī)、主控制器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組成。其工作方式是當(dāng)機(jī)器人在拉索上爬升時(shí)，控制器以循環(huán)的方式將4臺(tái)攝像機(jī)圖像分時(shí)地傳輸給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以實(shí)現(xiàn)對拉索表面保護(hù)層全方位圖像的存儲(chǔ)，同時(shí)通過視頻合成器將4路視頻合成為一路監(jiān)控視頻，并通過無線傳輸子系統(tǒng)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控系統(tǒng)的PC機(jī)上。

3 檢測結(jié)果

經(jīng)過對南京長江三橋主橋全部斜拉索表觀進(jìn)行檢測結(jié)果分析，該橋斜拉索PE護(hù)套細(xì)紋較多，主要在斜拉索上表面。所發(fā)現(xiàn)較嚴(yán)重病害為刮傷、刮痕、翹皮、孔洞、開裂、嚴(yán)重開裂、污跡、附著物八類。各類病害的數(shù)量如表1所示，各種損傷所占比例統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)病害統(tǒng)計(jì)，各類典型病害共計(jì)401處。其中刮傷最多，但多數(shù)損傷較淺，細(xì)紋較多，見表1。

通過對南京長江三橋主橋斜拉索機(jī)器人表觀檢測，部分病害需重點(diǎn)關(guān)注（見表2）。

4 檢測處置建議

經(jīng)過對南京長江三橋主橋全部斜拉索機(jī)器人表觀檢測識別判定結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

（1）斜拉索PE護(hù)套總體上破損輕微，基本完好，內(nèi)部拉索造成損害的可能性較小;

（2）在所檢查的168根斜拉索中，斜拉索PE護(hù)套細(xì)紋、刮傷較多，細(xì)紋主要位于拉索上表面;

（3）各類病害共計(jì)401處，其中刮傷最多，為344處，但多數(shù)損傷較淺。其中10處損傷較為嚴(yán)重，病害類型為開裂、孔洞等。

為更好地服務(wù)工程實(shí)際，針對本次檢測結(jié)論，給出具體建議和詳細(xì)養(yǎng)護(hù)維修措施。

4.1 建議

經(jīng)過對斜拉索檢測結(jié)果分析，斜拉索PE護(hù)套總體狀況較好，反映出內(nèi)部拉索狀態(tài)良好，PE護(hù)套大部分病害為耐久性病害，建議進(jìn)行以下處理：

（1）建議選取20根具有典型病害的拉索進(jìn)行開窗檢查，確認(rèn)斜拉索內(nèi)部狀況，檢查完后進(jìn)行修復(fù)。

（2）盡快對NAX03號斜拉索表面漏油進(jìn)行清理，并對該根拉索破損處PE護(hù)套進(jìn)行更換。

（3）對斜拉索PE護(hù)套細(xì)紋、刮痕等病害，選擇合適的時(shí)機(jī)集中進(jìn)行修復(fù)。

（4）定期對拉索外表面進(jìn)行檢測，掌握拉索的實(shí)際狀況。

4.2 養(yǎng)護(hù)維修措施

根據(jù)外觀檢測結(jié)論和建議，養(yǎng)護(hù)維修宜選取20根具有典型病害的拉索進(jìn)行開窗檢查，判斷拉索內(nèi)部鋼絲是否出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，并對開窗位置進(jìn)行修復(fù)。養(yǎng)護(hù)維修措施思路主要是搭建維護(hù)平臺(tái)→選取開窗方式→選擇開窗位置范圍→鋼絲檢測和銹蝕修復(fù)→開窗位置修復(fù)。

（1）搭建安全經(jīng)濟(jì)合理的維護(hù)平臺(tái)，一般為橋塔處固定卷揚(yáng)機(jī)，掛籃懸掛在斜拉索上，保證在安全的前提下運(yùn)行無礙。

（2）進(jìn)行開窗檢查。開窗檢查的主要方式為：采用機(jī)械方法，在斜拉索表面病害所在范圍內(nèi)，剝離部分PE護(hù)套，對斜拉索平行鋼絲進(jìn)行銹蝕情況檢查，檢查完成后采用同樣的PE護(hù)套切割合適尺寸填補(bǔ)修復(fù)。

開窗方法為：清理PE護(hù)套損傷表面，利用鋼絲鋸或其他切割方式，將PE護(hù)套進(jìn)行局部切割，并用丙酮或其他清潔劑清洗干凈。開窗時(shí)不得傷及斜拉索鋼絲。

開窗位置及范圍為：在病害所在位置進(jìn)行開窗，根據(jù)病害大小，切割適當(dāng)矩形PE護(hù)套。

斜拉索鋼絲銹蝕檢測及修復(fù)方法為：清理斜拉索鋼絲表面防腐油脂，觀察斜拉索鋼絲有無銹蝕斷絲情況，并拍照記錄;若有銹蝕，則進(jìn)行表面除銹，可用刷子進(jìn)行清理，并用除銹劑進(jìn)行除銹;若有斷絲，且鋼絲斷點(diǎn)處銹蝕不太嚴(yán)重，鋼絲剩余直徑接近原始直徑，則可用擠壓式套筒續(xù)接，如果鋼絲斷點(diǎn)處銹蝕嚴(yán)重，直徑已經(jīng)嚴(yán)重削弱，則應(yīng)將銹蝕嚴(yán)重的段落截去，另用一段同規(guī)格的鍍鋅鋼絲接上，接續(xù)時(shí)每處需用2套鐓頭式連接器。

（3）進(jìn)行開窗位置修復(fù)，選取與斜拉索PE護(hù)套相同顏色材質(zhì)的PE護(hù)套材料，取下相同試樣尺寸的修復(fù)材料，放入取試樣處，用專用焊槍進(jìn)行熱熔，再用電磨機(jī)進(jìn)行表面處理，使損壞處恢復(fù)原有的護(hù)層厚度，并使索表面基本恢復(fù)原有平整狀態(tài)。采用PVF帶將所需修復(fù)段纏包，要求搭接均勻，熔合嚴(yán)密，一般采用專用設(shè)備半自動(dòng)化作業(yè)以保證質(zhì)量和效率。

5 結(jié)語

本文以南京長江三橋?yàn)楣こ虒?shí)例，介紹了斜拉索外觀病害檢測識別及養(yǎng)護(hù)成套技術(shù)。結(jié)果表明：2016年南京長江三橋斜拉索總體性能評價(jià)良好，但個(gè)別處PE外套嚴(yán)重?fù)p壞，需制定專門的維修養(yǎng)護(hù)方案。后續(xù)檢測中發(fā)現(xiàn)本次處置措施得當(dāng)，斜拉索仍保持了良好性能。該橋檢修成套技術(shù)可為后續(xù)大跨斜拉橋拉索檢測養(yǎng)護(hù)提供參考，同時(shí)也可指導(dǎo)其他纜索體系橋梁纜索的檢測養(yǎng)護(hù)工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉紅彬，李 玲，袁則循.斜拉索檢測和監(jiān)測技術(shù)的述評[J].四川建筑科學(xué)研究，2016，42（1）：45-49.

[2]鐘文飛.斜拉索檢測機(jī)器人在斜拉索PE護(hù)套檢測的應(yīng)用[J].商品與質(zhì)量，2016（8）：180-181.

[3]李 鷗，侍 剛，王 波，等.運(yùn)營期橋梁斜拉索的技術(shù)狀況檢測[J].世界橋梁，2017，45（4）：79-83.

[4]潘中明，黃向東，曾德禮.既有橋梁斜拉索檢測評估及修復(fù)[J].世界橋梁，2019，47（2）：88-92.

收稿日期：2020-06-02