（土木工程专业论文）斜拉桥病害与易损性分析.pdf

摘接 摘要 我国斜拉桥建造历史不长，但由于设计规范和理论不完善、施t 质量问题 以及运营交通量剧增等多办面的原因，口前相、_ 数量的斜持桥已提前发十损伤， 导致结构退化，甚至出现安全性问题。 本文搜集了国内外4 0 余座斜挖桥的病害资料，综台分析了斜拉桥各个部件 的病害和损伤机弹。以东海大桥主航道斜掩桥为背景，通过有限j 建模和计算， 模拟，各种环境和荷绒工况( 为了突现结构的易损部件，部分模拟的荷找超过 了设计规范的限定) ，对模型进行线性或非线性分析研究了斜拉桥在各种t 况 下的结构反麻和特性。综合斜掩桥各构件的病害机理卜了斜挣桥有限元模型分析 结果，找出了斜拉桥的关键部位和易损部位，进而归纳r 斜持桥的可能的损伤 模式。 斜掩桥的关键部位是指对斜托桥结构的力学性能有着非常重要影响的部 位，这些部位旦发牛损伤，将使斜持桥结构的承载能力大大降低，甚至发牛 较大的事故；斜拉桥的易损部位是指斜托桥伍秤利r t 兄下容易引起损伤的部位。 + 般来说，天键鄙位都比较易损，仉是易损部位不+ 定是关键部位。斜挣桥关 键部位包括斜挣索及其锚i 刮系统，丰要损伤形式表现为疲劳和腐蚀；东海大桥 丰航道斜拉桥卡梁的关踺部位为混凝土桥面板与钢箱梁项板结合处，卡要，| ：5 伤 彤式表现为疲劳和精蚀；斜掩桥的关键部位还有辅助墩顶支座；辛梁跨i i 截面 和塔根截面、辅助墩顶截面。 本论文的丰要贝献舟。卜获得，典型斜扎桥关键部位或易损郜位的初步结 果。“1 然，许多柏关问题尚需进步研究。 关键词：病害与退化，有限儿分析，易，i = 6 性，损伤模式，斜拉桥 a b s t r a c t a b s t r a c t n e a r l yt w oh u n d r e d so fc a b l e 。s t a y e db r i d g e sh a v eb e e nc o n s t r u c t e di nc h i n ai n t h ep a s tt h i r t yy e a r s h o w e v er p r o b l e m so fd e t e r i o r a t i o na n dd e f e c t sh a v ea r i s e ni na c o n s i d e r a b l en u m b e ro ft h e s eb r i d g e s ，s o m ea r ee v e nd a n g e r o u s t h es o u r c e sc a n c o m ef r o mt h ei n c o m p l e t e n e s so fd e s i g nc o d e sa n dt h e o r y ，t h eb a dc o n s t r u c t i o n q u a l i t ya sw e l la st h ed r a s t i ci n c r e m e n ti nt r a f f i cf l o w w i t ha ne y et o t h eb r i d g e h e a l t h m o n i t o r i n go fc a b l e s t a y e db r i d g e s ，t h e d e t e r i o r a t i o na n dv u l n e r a b i l i t yo f b r i d g e sa r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r i n f o r m a t i o no ft h ed e t e r i o r a t i o na n dd e f e c t si sc o l l e c t e df r o mm o r et h a n4 0 c a b l e s t a y e db r i d g e s ，b a s e do nw h i c ht h em e c h a n i s mo fd e t e r i o r a t i o na n dd a m a g eo f t h es t r u c t u r ea n dc o m p o n e n t si ss u m m a r i z e d u s i n gt h ed o n g h a im a i nn a v i g a t i o n b r i d g ea st h em o d e lb r i d g e ，ac o m p l i c a t e df i n i t e e l e m e n tm o d e li sc o n s t r u c t e df o r b o t hg l o b a la n di o g a is t r u c t u r a la n a l y s i s v a r i o u so fe n v i r o n m e n t a la n dt r a f f i ci o a d s a r es i m u l a t e da n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si sp e r f o r m e db o t hi nl i n e a ra n dn o n l i n e a r w a y t oh i g h l i g h tt h ev u l n e r a b l ec o m p o n e n t so fb r i d g e ，s o m el o a d se x c e e d i n gt h e d e s i g nc o d ea r es i m u l a t e da si n p u t h e n c e ，t h es t a t i ca n dd y n a m i cb e h a v i o r so ft h e c a b l e s t a y e db r i d e si ne x c e s s i v ee n v i r o n m e n t a la n dt r a f f i cc o n d i t i o n sa r ep r e d i c t e d b yt h e c o m b i n a t i o no ft h ed e t e r i o r a t i o na n dd a m a g em e c h a n i s mo fs t r u c t u r a l c o m p o n e n t s a n dt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，t h e c r i t i c a la n dt h ev u l n e r a b l e c o m p o n e n t sa n dl o c a t i o n so fc a b l e s t a y e db r i d g e sa r ep o i n t e do u t f u r t h e r m o r e ，t h e p o s s i b l ed a m a g em o d e so f c a b l e s t a y e db r i d g e sa r es u m m a r i z e d t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i sw o r ki st h a tt h ei n i t i a lr e s u l t so nt h em o s tc r i t i c a l a n dv u l n e r a b l ep a r t i e si nt y p i c a lc a b l e s t a y e db r i d g e sa r eo b t a i n e d h o w e v e ls o m e r e l a t e di s s u e ss t i l ie x i s tf o rf u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：d e t e r i o r a t i o na n dd e f e c t ，f ea n a l y s i s ，v u l n e r a b i l i t y , d a m a g em o d e ，h e a l t h m o n i t o r i n g ，c a b l e s t a y e db r i d g e 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济人学关丁收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e r j 届u 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文伞文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向围家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为口的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 一繇闺 矿f 年月妒r 经指导教师同意，本学位论文属十保密，在年斛密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月 同 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果，撰写成硕上学位论文竺魁建橙痘害皇星拯性 幽。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对 本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本学位论文原刨性声明的法律责任由本人承担。 签引毯杉 矿厂年歹月妒日 第1 章引言 1 1 研究背景 第1 章引言 1 1 1 斜拉桥的建设及发展前景 斜拉桥( c a b l e s t a y e db r i d g e ) 是种由梁、索、塔三利t 皋本构件组成的 组合结构体系，其桥面体系以加勘梁受压( 密索) 或受弯( 稀索) 为丰、支撑 体系以斜索受持及桥塔受压为主。 十九世纪初，法国建造了第一座斜挣桥。然而由于当时对斜拉桥认识不足， 有几座早期的斜拉桥发牛倒桥事故1 1 】，如英同的d r y b u r g h a b b e y 大桥于l 引8 年 在风力振荡下，斜链在节点处折断而出现倒塌事故；德国的赛尔( s a a l e ) 桥于 1 8 2 4 年阏人群超载而倒塌。冈此赴相当长的一段时问内，不阿修建斜托桥。直 到1 9 3 8 年德国的基辛格( d i s c b i n g e r ) 重新认议到斜拉挢结构体系的优越性并加 以大j 提倡。1 9 5 5 年第座现代斜托桥瑞典的斯特罗姆桑( s t r o m s u n d ) 大桥 建成，至今5 0 余年，令世界已建斜拉侨达4 0 0 余座，其r l 一我国自1 9 7 5 年修建 1 r 四川云阳侨以米，已经先后建造了百多座大跨度斜拉桥。 随着我同经济的高速发展，公路交通网的形成，以高速公路为丰的“五纵七 横”幽道牛f 线的修建，许多大型跨海t 程，如渤海湾跨海t 程、长江n 越江通 道t 程、杭州湾跨海i ：程、珠江口伶仃洋跨海r 程、琼州海峡t 程等重大：拌 l 经立项或止住修建。其，ir 【) 称世界第。大桥的杭州湾跨海大桥( 丰跨为p c 斜 托桥) 、长江口越江通道( 他括越汀隧道邱越江大桥) l 绛开始兴建，伶仃洋跨 海大桥( 包括丰跨9 0 0 m 的斜托桥方案) 也已立项；而分别于2 0 0 2 年和2 0 0 3 年 动t 建造的特大跨释斜托桥江苏苏通人桥、香港昂船洲大桥刚堪称是世界 桥梁建设史卜坐程碑式的项i h j 。 随着我国特人型跨海大桥的修建，斜掩桥的罐本理论、计算方法干u 电了汁 算技术、材料科学等力面的研究也得到了飞速发展，自动控制技术、信息化施 【技术及桥梁嘘测技术在大艰桥梁的设计、施t 、养护r i 钳到r 更加广泛的应 川。表1 1 列出了世界j ：丰跨跨度大j ：5 0 0 m 的斜托桥18 座。从t ，可以看到我 们国家的斜托桥住世界斜于i ) ：桥发展i l t 占有重要地位。 第1 童引言 表1 1 世界上跨跨度大十5 0 0 m 的斜拉桥简表 序号国家桥私州途粱体上跨( m ) 完成 li ，固 江苏苏通人桥公路混合 1 0 8 8( 2 0 0 7 ) 2中国 香港昂船洲人桥公路混合 1 0 1 8 ( 2 0 0 8 ) 3日本多多罗人桥公路混合8 9 01 9 9 9 4 法囡n o r m a n d i eb r i d g e 公路混合 8 5 61 9 9 5 5中国 南( 长江三桥公路铡 6 4 8 ( 2 0 0 7 ) 6 中国南京长江_ 二桥公路钢 6 2 8 2 0 0 1 7 一 国 武汉白沙洲人桥 公路 混合 6 1 82 0 0 0 8 中国青州闽江大桥公路钢 6 0 5 2 0 0 l o t 卜国 上海杨浦人桥公路组合 6 0 21 9 9 3 l o 中国 r 海徐浦人桥 公路 混合 5 9 01 9 9 7 1 1 日本 名港中央人桥公路钢 5 9 0 1 9 9 8 1 2中田 舟山桃天人桥公路钢 5 8 02 0 0 3 1 3 希腊r i o n - a n t i r i o nb r i d g e公路组合3 5 6 02 0 0 3 1 4挪威s k a m s u n d e tb r i d g e公路p c5 3 01 9 9 l 15中国汕头海湾_ 桥 公路混合 5 1 8 1 9 9 8 1 6 日本鹤见航道桥公路钢5 l o1 9 9 4 1 7中国安庆长江人桥公路铡5 l o2 0 0 5 l8i l 一田 制沙长江大挢 公路p c5 0 02 0 0 2 1 1 2 斜拉桥病害简述 虽然国内外诸多学有住斜 t 桥的设汁和建造技术h 面做了广泛的研究，但 是由十斜扣桥这种结构体系本身的复杂性、摹本没汁理沦与汁算分析方法的不 完善，使人们还没能清楚的了解某蝗细节部分、关键部分和连接构件真实的缔 构受力特性。另外，由于桥梁应川材料科学理淦发展的1 i 完善、材料本身的缺 陷、施丁技术、施f 方法、施t 质_ 宝= 阳题等原恻，以及环境腐蚀、车辆超绒、 地震、风等客观冈素，使已建成的某些斜托桥出现诸如掎索腐蚀、断裂，锚具 锈蚀，卡梁裂缝、变形，索塔变，髟、& 面混凝土剥落等种种病害，导致结构构 件老化、承绒能力降低影响r 结构的正常运营，甚至给桥梁带米安全性方嘶 的隐患。如广州海印桥、济南黄河大桥、犍为蚍江大桥、上海新伍桥、委内瑞 拉的m a r a c a i b o 桥、德国汉翠的k o h i b r a n de s t u a r y 桥、英国的伍埃桥等i 几座斜 托桥的托索往服役期内全郢或部分更换；杨浦大桥、南浦大桥、武汉长江二桥、 法国的b r o t o n n e 桥、日本名港西桥、柜石岛桥、岩黑岛桥、荒津人桥、灭保i 【i 第1 章引言 桥、安治川桥、丹麦的f a r o e 桥、美国f r e dh a r t m a n 桥、新西兰e r a s m u s 桥的部 分斜拉索均发牛过不同程度的风雨振【3 】：i 宁波招宅i f 人桥、湖l i 大桥、韩国的新 海州桥在建设过程叶1 发生倒塌或裂缝事故。种种病害和事故的发生提醒我们， 虽然斜拉桥与其它桥型相比具有很强的竞争力，f h - 是由于其结构体系弓所处环 境的复杂性使我们对斜拉桥的真实结构特性、运营特点、结构构件的老化、病 害、损伤等的研究非常嗣难，迄今为止，这些方面理论与实际的研究还很缺乏。 ! _ 斜拉桥的某些构件的实际结构特性仍存在f 我们意识的灰色区域的时候，为 了确保这种桥型运营的安全性，在缺乏斜拉桥的实际病害资料的情况下，如何 更好的r 解各种类型斜拉桥的运营特性以及在运营巾会冈何种原冈产牛何种损 伤，即斜托桥结构损伤模式的研究对更有针对性的养护、管理和运营监测具有 f 分重要的意义。 1 1 3 桥梁健康监测技术的发展概况 结构承载能力的降低通常是由于结构的损伤引起的【4j 。由于材料缺陷、设计 施【：的原冈，桥梁从其建成之始就可能存在初始损伤，在温度、年辆等外部环 境的作川下，从服役期起就存在个损伤1 i l 累的问题。初始损伤和 期损伤会 降低结构的强度和刚度从而引发更大的结构损伤移5 累，损伤秋累到定程度将 导致结构的突发性失效。为了能使桥梁管理和养护部fj 有针对性的埘桥梁进行 符理、养护，以保证结构的安全运行，就需要个有效的结构健康监测和损伤 检测方法，枉损伤彩5 累尚未达到成胁结构安全的程度之前就能够被榆测出来。 为厂对人型重要的桥梁结构性能进行在线监测和实时评价分析，国内外许 多大桥都已经安装或正准备安装健康监测系统。例如，英国在总长5 2 2m 的i 跨变高度连续钢箱梁桥f o y l e 桥上确j 设传感器，监测大桥运营阶段的振动、挠 度和应变等响应以及环境风和结构温度场。另外如口本卡跨为1 9 9 0 m 的明海 峡大桥和丰跨1 1 0 0m 的南备赞濑户大侨、丹麦丰跨1 6 2 4 m 的g r e a tb e l te a s t 悬 索桥等也都安装了健康临测系统。， t i 词自2 0 世纪9 0 年代起也赴些大型重要 桥梁上建立了不同规模的长期监测系统如香港的青马大桥、 j 九大桥、泼水 门大桥、内地的虎门大桥、徐浦大桥、江阴长江大桥【5 i 。最近修建 ，的东海人桥、 杭州湾大桥、苏通大桥等也正在进行监测系统的设计或安装，对桥梁结构整体 行为进行实时监控和智能化评估，可以为斜拉桥设汁理论和计算与法的完善提 供参考，并为斜托桥在各种环境f 的结构特性及耐久性等多片面的研究提供数 第1 章引言 据，对桥梁结构异常行为发出预警，诊断桥梁损伤的发生，科学的指导管理部 门和养护部门对大桥进行管坪和维护。 桥梁健康监测的核心是桥梁结构损伤识别技术，损伤识别技术可分为局部 损伤识别( l o c a ld a m a g el d e n t i f i c a t i o n ) 技术和全局损伤识别( g l o b a ld a m a g e i d e n t i f i c a t i o n ) 技术1 6 l 。基于振动的损伤检测方法是利i 重要的全局损伤识别技 术j ，这种方法按照识别区域可以分为时域法、频域法和时频法j 种，从研究 和应用的角度可以分为模型修正法和动力指纹法1 8 i 。其h 动力指纹法就是寻找 结构动力特性相关的动力指纹通过这些指纹的变化米判断结构的真实状况。 经常i j 到的动力指纹有：频率、振型、模态麻变、功率谱、m a c 、c o m a c 等。 丰要的动力指纹法，如模态置信度判据法m a c ( m o d a la s s u r a n c ec r i t e r i o n ) 、模态 正交法、曲率振型( c u r v a t u r em o d es h a p e ) 、振型变化图形法、摹于柔度变化的 损伤识别方法、基于刚度变化的损伤识别方法、旌于能量变化的损伤识别方法、 基于传递函数( 频响函数) ，叟化的损伤识别方法、基于统计信息的结构损伤识 别技术。最近几年，人们开始注重于萆于小波变换、h i l b e r t h u a n g 变换等现代 信号处理技术的损伤识别的特征参数牛成。另外还有利川神经网络、遗传算法、 及几种算法相结合进行损伤识别的算法m i 1 1 1 _ 1 3 1 。 1 i 4 理论研究现状 对于座运营、小的桥梁上所布置的监测系统米说，由十桥梁所处环境很 复杂，、。1 前传感器技术还不是特别先进，再利r 监测设备的测量分辨率相”1 低， 传感器数豪有限和布置乃式的不正确，损伤识别方法的通川性的限制等等力面 的原冈，实际l ，振动、噪音、温度等环境条件对监测系统所获取数据如：位 移、挠度、应j 、应变、频率变化等j 。：牛的影响要比结构十员伤对数据变化的影 响人得多i i o 。想从监测系统安装十结构上的传感器得到的数据tr 分析 h 哪些特 性的变化是由环境h 素引起的，哪些是由于结构损伤引起的，即由监测数据来 判断损伤的发牛是非常州难的。冈此，要想使健康监测系统完仝无遗漏的获取 有效的损伤信息，作m 上e 确的诊断，自- 效的发挥其损伤识别功能，就必须改进 传感器的分j 9 f 率、进行传感器的优化布置、找出个或多个能够对复杂运营环 境下大型桥梁的早期损伤、多处损伤进行有效识别的损伤识别算法等等，这些 对桥梁的安全运营意义重大。 有事先透彻的了解桥梁可能往哪止匕部位产牛哪些损伤，才可能将不吲类 第1 章引言 型的传感器布置在合适的位置上，以尽量使损伤在传感器位置所激起的信号矸i 被淹没而能够被有效识别。只有对桥梁的损伤有_ r 比较正确的了解才能更好 的模拟桥梁的各利r 损伤，从而找出一种能够席川r 实际的桥梁损伤识别算法。 冈此，透彻的了解各种桥型的损伤模式，建立1 个涵盖各种不同桥型的损伤模 式库是必要的，但是f = | 前还没有1 个这样的数据库。各种桥梁损伤模式的研究 是比较复杂和州难的，这是一个探索的过程。 日前对斜拉桥的损伤模式缺乏邢论上的研究，而斜托桥的病害分析也只限 于表面病害状况，没有在理论上通过斜拉桥的结构特性对其产牛病害的原冈进 行分析找出它的关键部位和易损部位，也没有对斜拉桥损伤形态和损伤模式进 行系统的分析。因此，如果能够根据斜拉桥的病害资料通过理论分析找出由于 各种原冈产生损伤的彤态和损伤模式，建立斜拉桥的损伤模式库，对于斜拉桥 的损伤识别和健康监测系统的完善将是非常有意义的。 1 2 本文的研究内容 斜托桥损伤模式研究不但是斜拉桥健康监测技术t t 的损伤敏感特征与损伤 识别研究的个组成部分，而且斜抟桥损伤模式序将成为斜抟桥健康监测系统 数据席的1 个关键组成部分，这项研究关系到能否建立+ 个运行良好、具有准 确的损伤警报和诊断功能的斜拉桥健康监测系统。本文的研究几的就是通过对 斜拉桥病害情况的综台分析，找出斜拧桥的关键部位和易损部位，研究斜拉桥 的损伤模式，为斜十t 桥病害知识库的建立打下基础，为斜拉桥健康监测系统巾 传感器的巾j 置提供依据，为损伤识别技术。f j 对斜拉桥实桥损伤模拟提供参考。 本文所要丌展的研究t 作包括以下几方面： ( 1 ) 、谢鱼斜扣桥病。等资料，分析斜拉矫损伤原冈，对损伤进行分类。 ( 2 ) 、以东海大桥卞航道斜拉侨为背景，建立宵f l i j i , 模型，进行斜拉桥特性 分析，包括：各种t 况下，斜拉桥的静力特性分析、斜拉桥的动j 特性分析。 ( 3 ) 、通过斜拉桥的病害资料与斜拉桥有限冗模型柏结合，分析斜拉桥的易 损部位和关键鄙位，为斜抟桥健康监测系统的发展提供指导。 第1 章引言 参考文献 严同敏，劳远昌。现代斜拉桥，两南变通人学出版社，1 9 9 5 2 】陈明宪，斜拉桥建造技术，人民交通出版社，2 0 0 3 f 3 】何向东等，抑制斜拉索雨振气动措施的风洞试验研究，第十m 全国结构风丁椰 术会议 论文集，7 0 7 4 f 4 1 孙宗光浙江大学，人跨度斜拉桥结构的动力损伤检测( 博1 论文) 2 0 0 l ：1 2 5 】张启伟，大型桥粱健康监测概念与监测系统设计，同济人学学报2 0 0 1 t 2 9 ( 1 ) ：6 5 - 8 0 6 】z o n gz h o u - h o n g ，s t a t e o f t h e a r tr e p o r to f b 6 d g eh e a l t hm o n i t o r i n g ，福州夫学学报( 自 然科学版) ，2 0 0 2 ，3 0 ( 2 ) ：1 2 7 - 1 5 2 【7 】韩人篷，基十振动的结构损伤识别方法的近期研究进展，o # 南理t 犬学学报2 0 0 3 3 0 ( 1 ) ：9 1 9 6 1 8 1 张启伟，袁万诚范, 2 i f i i ，人犁桥梁结构健康监测的研究现状与发展，同济夫学学报t 1 9 9 7 ，2 5 ( 增刊) ：7 6 8 l 9 1 宗用红十小t 程结构损伤诊断研究进展，2 0 0 3 ，3 6 ( 5 ) ：1 0 5 1 1 0 【1 0 z h a n g q w ，z h o u v i n v e s t i g a t i o no f t h e a p p l i c a b i l i t yo f c u r r e n t b r i d g e h e a l t h m o n i t o r i n g t e c h n o l o g y p r o c e e d i n g so f t h ei n t e r n a t i o n a lw o r k s h o p o ni n t e g r a t e dl i f e c y c l em a n a g e m e n to f i n f r a s t r u c t u r e s m o esc h e u n ga n dc h i h c h e nc h a n g ( e d s ) t h eh o n gk o n gu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yh o n gk o n g ，c h i n a d e c e m b e r9 - l l 。2 0 0 4 p p 2 0 0 - 2 0 7 f 1 1 】张启伟，桥梁健康监测。p 的损伤特a e 提取与异常诊断，同济人学学报，2 0 0 3 ，3 i ( 3 ) ： 2 5 8 2 6 2 1 2 】郑栋梁李中付华宏星，结构甲明损伤识别技术的现状和发展趋势振动与冲击，2 0 0 2 t 2 l ( 2 ) ：l 1 0 | 1 3 1 高赞明孙宗光倪清，基于振动方法的汲水门人桥损伤检测研究，地震t 氍与1 2 _ f l 】 振动2 0 0 1 ，2j ( 4 ) ：1 1 8 】2 4 第2 章斜拉轿病害及机理分析 第2 章斜拉桥的病害及机理分析 2 1 实桥病害资料 近年米，正在使川- f t 的桥梁坍塌事故时宵所闻，影响较大。令人们记忆犹 新的就有：1 9 9 9 年重庆綦江彩虹桥及2 0 0 1 年四川宜宾南门大桥倒塌事故。坍桥 事故不仪给人民群众幸命财产造成巨大损失，同时也在社会上造成极其不良的 影响。由：桥梁特别是结构复杂、特殊桥型的桥梁，其技术含量高，检查和检 测人员、设备、手段不到位，造成相当比例的桥梁存在的隐患和危险未被发现。 自八l 年代以米，我国相继建造了批高水准的斜拉桥，桥龄长的已2 0 年芹右， 如何检测、维修及养护管坪，还缺乏成熟的经验。现将一些具有代表性的斜托 桥病害情况介绍女表2 1 。 表2 1 斜杞桥病鲁资料表 建成年份 桥 桥名躺j ；情况 检测年份 型 箱梁顺板斜裂缝；托索氧化：钢丝锈蚀：伸缩缝损 坏；附跨籀梁端部自叛板斜裂缝；箱柒横隔板端部 济南故河火桥1 9 8 2 1 9 9 4 斜裂缝；人孔上方裂缝：索奁上的钢护全振裂：索 力增人 拉力支庳锈蚀：桥而铺装裂缝；索塔混凝十胀裂： 拉索锚头锚垫板锈蚀；箱粱项扳有收缩裂缝；p 跨 上海泖港人桥1 9 8 2 1 9 9 4 桥而线抓高r 移；半数刺拉索外防护层渗“f l ：附属 设施功能退化“。 上海杨浦人桥 1 9 9 3 1 9 9 5 索食护罩被震期：i i l 。 索食护罩被震坏：_ f 多块扳有横i 目裂缝，其- l ，十 上海南浦人桥1 9 9 1 1 9 9 5 八块板的裂缝宽度为0i m m i “。 钢索断裂；桥面及伸缩缝损上 、比较严重：仝桥换索 _ r 尔海目j 人桥1 9 8 8 一1 9 9 5 1 3 1 。 第2 章斜拉桥病害及机理分析 德国汉堡的k o h l b r a n d 1 9 7 4 1 9 7 7 斜拉索腐蚀严重+ 牟部换索【4 i 。 e s t r u a r y 桥 委| = | 瑞拉的m a r a c i b o 桥1 9 6 2 1 9 7 9拉索锈蚀；一根拉索断裂：全部换索i ”。 1 9 8 0 2 0 0 2该桥盐亭岸桥台的四根连卡支艟已经有3 根被拉断 = 台涪江桥 或脱落，桥塔也发生了1 4 厘米偏移，斜拉索钢丝 定程度锈蚀。该桥已爆破1 6 i 。 重庆打门桥 l9 8 8 2 0 0 2 出现轻微倾斜、桥身裂缝等现象， 7 0 的拉索p e 护套百不同稃度昀损坏，严莲的已有 1 9 8 8 一1 9 9 9 剥落现象，钢丝严重锈蚀，并有人麓钢丝锈渣，个 ，；l j p e 护食内甚至有水流出，最严重的拉索断丝数节 广东九江人桥 已达i 3 ，两端锚头锈蚀严苇，部分换索索力与 设计索力有较人偏离。主粱线形p 挠：上桥边跨箱 粱内部有少量细微裂缝”j 。 1 9 9 2 浚桥旖t 刨大约8 5 时倒塌；塔根折断；箱梁被挤 韩国祈海卅i 桥 压1 8 i 。 1 9 8 1 1 9 9 7 横隔板进入桐处有裂纹；奉边跨跨中合拢段腹板l 】 部处形成纵向水平裂纹：人部分缆索锚同横粱进八 i ：水河铁路斜挣桥 洞处发现裂纹：缆索防护奁有深度裂纹，锚食内积 有人节的锈水等，该桥丁- 1 9 9 7 年6 月换索1 “。 潮广| 人桥2 0 0 0 * 1 9 9 9 该矫靠施1 _ 中发现桥面底板、横粱裂缝1 1 2 1 l ， 1 9 9 0 2 0 0 0 斜拉索p e 防护层较严重丌裂、损伤，部份钢妇锈 犍为岷汀人桥 蚀、断髓，f 锚头锈蚀等，线掣改变，上塔两 丰略 有内弯。更换全桥拉索3 i 。 法幽s t n a z a i r e 桥 出于安装的问题，斜拉索仔在自断缝或永久变形 i 。 荧国的p a s c o k e n n e w i e k 桥1 9 7 8 一1 9 8 l 拉索仅3 5 年就全部火效川。 荧囤的东亭j 颂桥 1 9 8 5 - 1 9 8 7拉索2 年就失效”i 。 1 9 6 6 1 9 8 5 钢索断丝；在原桥的些关键的焊接构什中发现了 英国的伍埃桥 裂缝和错位1 5 l 茺国路易斯安那卅i 东特桥 在5 根拉索r 存在【3 条裂缝，有止匕裂缝长达4 5 m 。 第2 章斜拉桥病害及机理分析 由十施t 不当造成拉索切口、刻痕、套简搭接失败 美国l u l l i n g 桥 1 9 8 2 和铜丝刈接失败”i 。 巾r 养护不善及n 】苛涡卜灌浆爪力过人，聚乙烯管 m 根廷的科林特斯桥 1 9 7 6 - 1 9 7 8 出现巨人裂缝”i 。 由十养护不善及在高温f 灌浆爪力过人，策乙烯管 阿根廷的巴拉那桥 1 9 7 7 一1 9 7 9 出j ! 1 5 l 巨人裂缝i5 i 。 日本某桥拉索松弛【5 i 。 i 幺桥豹封削式铜绞线抟索锈蚀严重，特别是在锚川 德国s e v e r i n 桥1 9 6 5 1 9 8 8 医附近【“i 。 法国的s t f l o r e n t 桥 外层钢丝有与锈蚀严甭的拉索表面分离的迹象i 。 新不伦瑞克州弗苦德里克风振剧烈及活倚载引起的振动导致钢丝破上1 、【“i 。 顿l o n g c r e e k 桥 加拿人蒙特利尔的l l l e d e风枘拔引起较人振动仅2 0 年镀锌保护层就全部风 p o n t 桥化4 i 。 j j 口拿人蒙特利尔的 1 9 6 9 一1 9 8 7 拉索相互撞击。 p a p i n e a u - l e b l a n c 桥 拉索食管出现了褐色的腐蚀斑点，焊接处发生腐蚀， 法圈的b r o n o n 桥 1 9 7 7 1 9 8 4 桥梁跨l | 披面f 沉了15 3 c m i 。 联邦德幽曼街姆的k u r t 在7 6 2 0 m 的拉索中宵2 5 0 0 个胸蚀点，有的l 变 s c h u m a c h e r 桥 1 9 7 2 一1 9 8 7 成褐色，腐蚀非常严重i 。 在该桥建成 i 不久，即发现其钢筋混凝r 箱彤上柒 仔托人景的裂缝，特别是在斜拉桥与连续粱桥相接 机川钱塘江三桥 1 9 9 6 1 9 9 7 处f 箱梁外斜膜板上有宽度较人且约毕4 5 。方mj 的裂缝1 ”i ， 与| | | 页桥方向相艰“的裂缝横! 譬桥面；扣索与桥面 板交接点处与人桥轴线成4 5 度，j 的裂缝；托索 加拿人安娜曲身f 桥 1 9 8 6 一1 9 9 l 锚l 叫点上现浇的混凝i 表而上毕放射形裂缝；与顺 桥方向、f 行的、桥紧纵l m 的裂缝【7 1 1 1 。 第2 章斜拉桥病害及机理分析 宁波招宝山人桥1 9 9 8 该桥在施工中施工缝附近的底板、斜腹板发生了爪 溃破坏事故出现底板、斜腹扳裂缝、横隔梁裂缝、 上粱实体肋内侧裂缝、顶扳裂缝”9 l l i 。 i 海新扎桥1 9 7 5 一1 9 9 l 原有斜拉索保护层多处开裂，丌裂严重处内部钢筋 也有部分锈蚀：车辆活载过桥时桥体振动幅度很大 广东番禺犬桥 l9 9 8 - 2 0 0 3 部分斜拉索锚头锈蚀；拉索断丝；桥塔纵向裂缝： 有主梁斜裂缝等破损现象，钢护食振坏2 “。 武汉自沙洲人桥2 0 0 0 - 2 0 0 3桥面沥青混凝p 滑移：桥面铺装层裂缝；索塔变形。 武汉军山人桥 2 0 0 0 桥面沥青混凝i ：滑移。 泰国湄南河桥1 9 8 7 桥而( 沥青铺装层) 有由扭矩引起的开裂。 湖北荆川i 长江公路人桥施t 过丰i l 中桥塔出现温度裂缝， 美国得克萨州的f r e d1 9 9 5 1 9 9 7 建成通牟历，人幅风雨振使1 0 0 多个桥面端导管焊 缝扦裂，出现疲劳裂纹 2 2 1 。 h a r t m a n 桥 桥梁斜拉索外护食普遍锈蚀铁皮护奁有小同柙度 淮安1 1 j 京杭运河号桥 1 9 9 1 * 2 0 0 l 腐蚀，个圳护套铁j 叟已剥落，庵需奁内凹弧表面有 锈斑且积尘较多。桥面腓耗严重，局部有坑塘，橡 胶扳式仲缩缝损土1 i 。3 射i 索东内侧的冷铸锚箱表面 严重锈蚀。l # 拉压支障锈蚀严重，f 铰底庵表面锈 块剥落层选5 - 8 m m j t ：。 双塔双索面项麻力混凝1 斜拉桥；双塔舣索面结合梁；双塔中索面项府力混凝十斜拉桥； 般塔舣索血钢斜拉桥：独塔单索面颅应力洮凝十斜拉桥；独塔双索面预心力混凝十制拉 桥：双塔学索面钢斜拉桥：双塔双索面组合梁：? i 塔双索面 2 2 斜拉桥病害形态及机理分析 延营t tr 的桥梁不仇受到环境、有害化学物质的侵蚀，还要承受年辆、风、 地震等自然环境和人为冈素的作川，同f l , j 桥梁所采刖材料的自身性能也会不断 退化，导致结构各部分不同程度的损伤和劣化。我同的斜抟桥建造历止4 i 长， f 几由j ：斜挖桥i 殳汁规范和珊论的0 i 完善、膪丁质最问题以发运营交通量剧增等 多方面的原冈，r i 前档”1 数量的斜拉桥已提前发生j ：；i 伤，导致结构退化甚垒 ( j 第2 章斜拉桥病害及机理分析 出现安全性问题。 2 2 1 斜拉索的病害机理分析 拉索是斜：f 证桥结构的重要组成部分，主要由高强度钢丝( 钢绞线) 束和锚具 组成，长期承受桥梁恒载及车辆活载，又可能处于跨江河、跨海湾地域，暴露 在风雨、潮湿和污染空气的环境中，是斜持桥结构- ，最容易损伤的部位。 本文所搜集的发牛损伤的4 4 座斜拉桥中有3 3 座即2 5 ( 见表2 3 ) 的斜拧 桥的拉索发牛损伤甚至断索，有的被迫全桥换索以维持正常运营。 1 ) 斜拉索使用和防护的历史 历史上，初始的斜扎桥曾采刚铁链、铁连杆米制作拉索，但这利r 做法， 在今已完全不可取。五六i 年代修建的斜掩桥斜托索多采川未镀锌的密上寸 钢丝绳，锚吲方式采川锚杯灌注锌铜合金的热铸锚。托索的防腐方式多为内鄙 填充、j f 麻油和红丹，并以红丹和邻苯二甲酸酯树酯每层厚5 0 9 作为皋层。索进 入锚杯的入口处常因防护措施不利或在灌注4 2 5 热铸合金时被毁坏，水及水汽 侵入导致钢丝普遍腐蚀，使钢丝腐蚀疲劳而断裂1 2 3 l 。七、八十年代修建的斜 拉桥己多川平行钢丝束的冷铸锚，开始由r 担心镀锌氢脆问题以及p e 挤塑t 艺 不成熟，拉索的防腐蚀系统采用了非镀锌钢丝，p e 管内胝注水泥浆和聚合物改 性水泥浆。除r 钢丝进入杯口的密封仍存在缝隙外，胝注水泥浆存在以下问题： 注浆胝力和p e 管降温收缩，使p e 管开裂；水泥浆分段胍注的缺陷和凝吲后水 泥浆体的破碎、水泥浆剩余水的腐蚀造成腐蚀疲劳和摩损疲劳，使索处于极易 发牛疲劳破坏的环境下，本文研究，t ，调奇的斜拉桥大多建于这年代，持索病 害也大多娃十卜述原冈。 现代斜托索全部使川高强度钢筋、铡丝或钢绞线制作。平行钢丝索是将若 干根俐丝平行并拢，同心同向作轻度扭绞，扭绞角2 。4 。，阿川包带扎紧，最 外层直接挤裹p e 护套作防护。丌| j i f 常h 的拉索防护系统卡要有两种( 见表2 2 ) ： 种是川热挤高密度聚乙烯( p e ) 防护的平行俐丝索配以环氧冷铸墩头铺系统 另种是j t j 热挤p e 防护的中股绞线组成平行的绞线索，两端川不酬于1 般预麻 力钏绞线的特殊的灾片锥形成群锚系统。住这两利唏4 拉索- ir ，我国绝大多数斜 t 索采川的是平行俐丝索”。理沦分析和试验表明，斜持索锚具端口处足疲劳破 坏的溥弱环节，容易造成断缝破坏。对于大跨度斜 t 桥的长 口索，由十钢丝长 第2 章斜拉桥病害及机理分析 度增加，在拉索自由长度内的俐丝缺陷也柑麻增加，使其在自由长度内破坏的 可能性也增大了”5 i 。钢丝本身的缺陷和成品索防护不良，是造成斜扣索+ 锈腐蚀、 断丝失效的丰要原因。而拉索从制作到施工、使用的全过程中俐绞线、p e 护套、 锚具等都会产牛损伤。 2 ) 拉索的损伤机理与成因分析 ( 1 ) 腐蚀 拉索本身的腐蚀 早期修建的斜拉桥俐索腐蚀主要是由于拉索防护系统失效，导致空气和水、 污染物的侵入而引起钢丝腐蚀，而钢丝腐蚀是拉索腐蚀损伤的最丰要原冈。从 钢丝本身来说，如果成品钢丝有原始锈蚀，制成的钢索r 1 1 钢丝有接头、机械损 伤、索股变形，在排丝生产过程t f t 有弯丝、短丝、少丝、断丝、刻痕、扭伤等 现象，导致拉索疲劳强度降低，钢丝就容易产牛腐蚀。 从外部冈素来说，氧气、水、氯离子、持续作用于高强钢丝的十t 应力等冈 素都会引起剀材腐蚀，产生麻力腐蚀裂缝和氢化断裂1 5 i i “i 。由十斜托索般布置 于梁体外部，并长期处j 二高应力状态下，其截面j t 寸又小，故对腐蚀作j 1 j 非常 敏感，即使发牛轻微的腐蚀其强度也会有较大的损失故斜拉桥的耐久性在很 大程度上取决于斜托索的抗腐蚀能力。 斜托索的腐蚀丰要是由于钏索j 周同介质发牛电化学作川，造成氧化还原 反麻所致。拉索钢材巾的台金儿素、渗碳体及其它杂质往往构成阴极，铁儿素 构成阳极，“1 挣索表面凝结和吸附水汽而形成水膜时，就构成了尢数微电池， 掩索就会被腐蚀。空气t i 的氧气、二氧化硫及_ 氧化碳等还会不断地溶解到水 膜1 1 i 去促进铁儿素的电离，加速铡索腐蚀速度。肉眼可见的钢丝锈蚀是+ 系 列俐丝表面上许多小腐蚀池作川的外观表征。腐蚀池是以会属和电解质连接阳 极和阴极构成的小回路电池，此腐蚀过程是小可逆的。对于p e 套符内胝注水泥 浆形成的挣索防护系统，水泥浆作为电解质，创筋本身作为电子从阳极流向阴 极所需的金属连接，冈混凝上化学组成的局部差异，不司的允。i 条件、钢筋表 面的不均匀性等都能产牛制筋腐蚀所需的电位差，冈此，这种防护系统为铡筋 的腐蚀过程提供了条件i ”i _ i ”i 。任内部干燥的环境下，水泥浆的离子电导率撇低， 即使碳化深度达到钏丝亦难以发牛钢丝腐蚀，但早期经常采川铡套管、铝套管、 聚乙烯套管内h 注水泥浆法作为防护，由于胍浆套箭内的水泥浆会j 。牛泌水、 第2 章斜拉桥病害及机理分析 湖气，水泥浆。 1 掺加高效减水剂等化学物质，旌t t i 水灰比过大等原冈，常常 使套箭一jr 某段水泥小能很好的凝结为水泥石，术凝结的水泥浆的电导率比f ：燥 硬化的水泥石大得多，腐蚀也就产牛了，而水泥浆体不凝结且不充满，提供足 够的氰，使锈蚀进步加速。另外，自来水本身含有的氯离子，及水泥浆体坐 掺有高效减水剂所含有的氯离子，加上拉索上段水泥浆体水分较多，其氯离子 亦_ 卡 | 应增多。在实际运营r f i ，钢丝是在拉应力与腐蚀介质的同时作川下而产牛 腐蚀的”i i4 i 。 随着斜挣桥建造技术的进步发展，人们逐渐意识到拉索防护系统的重要 性，热镀锌平行钢丝束、钢绞线、冷铸锚、热挤p e 护套作为防护系统越来越成 熟，但是即使这样的防护系统也并不能完全防护拉索免受腐蚀。 热挤p e 护套的腐蚀 热挤p e 护套是斜拉索的第道防护层，直接暴露在自然环境下，除经受高 温、严寒外，还受空气t i 各种有害气体的侵蚀。对于整根拉索来讲，挤出质量 的好坏直接影响着拉索的防护，也直接影响到拉索的使h j 寿命。 热挤p e 护套在制作过程r | l 产牛断裂、裂纹、刻痕、局部厚度不均匀、偏心 等现象，住长期使朋过程- 1 t 产生的老化和表面裂缝扩展现象，使水分和空7 i 渗 入，都将影响持索防护系统的性能。按照日前对高密度聚厶烯材料老化试验来 看，般4m m 厚的高密度聚乙烯包裹层至少使川4 0 年以上。向对于没有加t 好的护套米说，拉索的使 j 寿命将明显减少i ”i 。 锚具的腐蚀 冷铸墩头锚是在锚杯锥彤腔的后部设块例丝定位板，俐索，l t 的钢丝通过 锚杯后，冉符个穿过定位板i ：的对应孔眼，墩头就位，锚杯- 1 的空隙，川特制 的环氧混合料填允，环氧川化后，即和锚杯t i i 的钢丝结合成个整体。环氖混 凝合料f i 必须方