系杆拱桥系杆、吊杆设计寿命及相关问题.doc

拱桥吊杆、系杆的使用寿命及相关问题 钟启宾摘 要：吸取以往工程的教训、经验，依据当前科技水平和生产能力，提出对柔性系杆拱桥系杆、吊杆结构、类型的设计、选型原则、养护和防腐的建议。关键词：柔性系杆拱桥 系杆 吊杆 腐蚀 选型原则 可更换 防腐1前 言：1986年以来，由于我国逐步形成了镦头锚、群锚体系的科研与生产能力，柔性系杆拱桥广泛兴建。尤其是近十年来钢管混凝土拱桥的设计与施工技术的迅速发展，使这种桥式更加广泛地被采用。目前，我国的丫髻沙桥是世界最大跨度的中承式钢管混凝土系杆拱桥（76+360+76m），上海卢浦大桥创造了跨度550m中承提篮式钢箱系杆拱的世界纪录。系杆拱桥的系杆、吊杆是平衡拱肋水平推力和把中横梁、桥面系的恒载与活载传递到拱肋的关键受力构件，它的使用寿命关系到拱桥的整体寿命和安全。非常令人不安的是，有些拱桥（含其他拉索体系桥梁）建成仅仅几年、十几年就因拉索体系的破损、腐蚀而被迫换索，甚至发生事故。2以往的教训由于科学技术和工业水平发展的进程制约着人们对金属、非金属材料腐蚀机理（氢脆、应力腐蚀、腐蚀疲劳等）的认识和防腐意识的深化及防腐措施的有效增强。直至今天这些认识、意识和措施还在不断深化、完善和发展；许多材料、工艺技术和方法还有待环境和时间的考验。面对这些问题，业主和设计院起主导作用，直接相关单位是监理、材料生产厂家、施工单位、养护维修单位。多少年来，腐蚀造成桥梁损坏和事故的教训是极其深刻和惨痛的！2.1国外美国 帕斯克.肯涅威科桥仅通车7年即被迫换索；纽约威廉斯堡桥从1903年建成后，在1921、1924、1963年都对488m主缆和锚缆进行过全面修补，到1992年还进行长达两年的更加彻底的防腐维护；德国 汉堡科尔布兰特斜拉桥仅通车几年即因斜缆严重腐蚀而全部更换，其费用相当于建桥总价的一半！韩国 汉城大桥（钢梁）1995年因严重锈蚀而突然倒塌；英国 1985年一座体内预应力桥梁的突然倒塌致使英国运输部在1992年颁布的一份备忘录中指出：在新标准颁布以前，不得再采用管道压浆的后张预应力混凝土桥梁。2.2中国广州 海印大桥(斜拉桥)通车几年后因局部斜拉索断裂导致全部换索；济南黄河公路斜拉桥1982年建成，13年后索的断面锈蚀达20%，用62天更换旧索272根，安装新索248根； 虎门大桥(悬索桥)刚刚建成即发现索有锈蚀；金沙江南门桥在建成11年后, 于2001 年11月7日晨4：30左右南（S）北（N）岸编号为SI、S2、S3、NI共4对8根吊杆在与横梁相连部位突然发生断裂，致使两岸共4片横梁及相连的桥面板、人行道坠落江中：主体拱肋完好，未见破坏痕迹。 （图1） (1) 1 2 3 4 5 6 图片（1）示该桥桥面跨塌的部位，（2）示该桥在修复过程中，发现吊杆内部有锈水，（3）示吊杆外包的PE护套老化后完全裂开，吊杆钢绞线严重锈蚀，（4）、（5）示吊杆外包的PE护套应力开裂，（6）示吊杆钢绞线从中横梁顶面断裂，（7）示较短吊杆在纵向水平力作用下发生局部破损； 7 在修复过程中发现上游N5吊杆也在横梁顶面处断裂， 其余吊杆在横梁顶面处均存在着严重的腐蚀现象。断裂吊杆的断口附近有大量腐蚀物，50%钢绞线发生陈旧性断裂，有明显的腐蚀坑，断裂前的腐蚀已经削弱了断面；属于脆性断裂（一次性加载），大部分锈蚀严重的钢绞线钢丝无明显的塑性变形；断口未见光亮区，不属于反复应力作用下裂纹逐步扩展的疲劳或腐蚀疲劳断口。广东佛陈大桥主桥是跨径112.5米的下承式钢管混凝土系杆拱，矢跨比1/5，桥宽 26米。1994年4月建成。系杆为裸露的钢绞线外涂黄油后包裹化学纤维布，外浇钢筋混凝土防撞墙。经5年多的营运后发现主桥出现多种病害，如系杆锈蚀严重并有部分钢绞线整根断裂，危及桥梁安全，不得不全面加固。加固时打开下游侧系杆外的混凝土保护层，发现系杆钢绞线严重锈蚀，索本身非常潮湿，底部有积水。表明雨水从混凝土保护层渗进系杆区域形成了强腐蚀环境。在钢绞线上涂抹的黄油，久之，或挥发、或干涸，防腐效果极差，仅外层可见部位就发现9根钢绞线断裂。逐根轻敲每根钢绞线，手指触感颤振有明显差异，表明各根钢绞线张拉力很不均匀。在上游的水平系杆两端分别发现各一根钢绞线断裂。 3国外缆索防腐的经验美国 纽约市威廉斯堡桥采用生亚麻子油、红色铅质涂料加氯丁橡胶外包裹使主缆安全系数达到3.5。加拿大 安拿西斯桥采用石蜡填充钢绞线，外加PE管。原西德 曼海姆斜拉桥采用锌铬酸聚安脂混合液涂料加UV塑料管防护斜拉索。日本 采用热挤PE防护。英国 利文河斜拉桥，索为28-55根平行75钢绞线，防腐措施为：钢绞线涂油，外加厚度为1mm的HDPE（High Density Polyethlene） 高密度聚乙烯管；编束后外加厚壁HDPE；管内压注聚安脂填充钢绞线间的空隙。澳大利亚 悉尼格莱贝岛桥（140+345+140m），奥斯特雷斯.弗莱西奈公司对招标文件中规定的在PE管内灌注水泥浆这一经典的防腐措施提出了一种全面高效的防腐系统，并为业主采纳：弗莱西奈索的主要优点是耐疲劳强度高，锚固系统可在以后调整，可事后安装张拉单根钢绞线：15.7钢绞线镀锌、填蜡；单根钢绞线外包1.5mm厚的PE套管即无粘结筋；穿入HDPE管成束。4系杆、吊杆的设计寿命及其对桥梁整体寿命的影响从上述有限资料可见，新建和在建的系杆拱桥建设者，必须以对所建桥梁终生负责的精神，无论新的设计、施工规范何时制定和实施，都要比以往更加慎重地对待系杆、吊杆的结构类型及防腐措施的设计、选择、安装和养护维修。桥梁结构的整体寿命可以估算，但桥梁各个部件不可能同时都达到设计期限。由于系杆、吊杆受设计水平、材料、制造工艺技术、产品装运、安装质量、活载控制、桥址环境、养护监控、国家整体科技水平等诸多因素制约，设计者和生产厂家不可能给出系杆、吊杆准确的设计和使用寿命。而且，系杆、吊杆在承载条件、断面刚度、疲劳极限、抗腐蚀能力等各方面都远远不如拱肋、横梁和墩台基础。至于生产厂家，要求其具有相当资质并由具备资质的检测单位提供产品的机械性能、抗疲劳、抗老化等试验合格报告固然重要，但指望厂家作出产品使用寿命的法律保证显然是不现实的。生产厂的吊杆、系杆产品已经系列化，不同规格和防腐工艺的产品有不同的价格。当然，加工工艺相对复杂、先进而防腐性能较好的产品价格高。系杆、吊杆体系就其耐久与防腐和可更换性而言,应该与悬索桥和斜拉桥的拉索体系处于同等重要的地位。业主在选择系杆、吊杆类型和规格的原则问题上应起主导作用，甚至在设计招标、审查设计方案和工程招标中将对此问题的处理方案列为重要项目。系杆、吊杆一旦出现破坏征兆，大桥的继续使用将被迫中止。局部或全部更换系杆、吊杆的问题将立即提到议事日程。这是人们不愿面对而迟早必然面对的问题！5系杆、吊杆的设计现状和产品生产水平目前，建成和在建的系杆拱桥，几乎都把系杆、吊杆设计为永久结构的一部分，即不可更换（笔者认为，虽然有的吊杆是可拆卸的，但只要拱肋、横梁没有预留吊杆备用孔道均视为不可更换）。柔性系杆拱桥设计中，大多采用平行钢绞线束外裹PE护套、拱脚部分剥离PE、普通群锚张锚、拱脚管道压浆的永久预应力系杆体系。吊杆则是平行镀锌钢丝束外裹PE护套，而与拱肋和横梁相关的镦头锚部分则压浆固结。例如天津彩虹桥、北京潮白河桥、广西梧州鸳江桥，嵊州曹娥江主桥和钱江四桥主桥的系杆是全部压浆固结于系梁或拱脚预埋管的普通钢绞线束群锚永久预应力体系，其吊杆设计形式与其他已建拱桥类似，这是无法更换系杆、吊杆的永久结构形式。虽然刚性系梁是通过压浆把钢绞线束同拱脚或边拱混凝土黏结成整体的，但是，由于混凝土开裂，水从裂缝浸入而造成钢绞线束腐蚀，甚至破断。已有铁路运营线上的预应力混凝土简支梁因此而换梁；也有的系杆拱桥刚性系梁因钢绞线束锈断而不得不进行体外预应力加固。钱江四桥在扩初设计中，采用了可更换式双吊杆体系，东莞和苏州在建的钢管混凝土拱桥也把系杆、吊杆设计为可更换的，有的桥甚至在设计图中明确规定了采用目前防腐性能最好的系杆产品，这是系杆拱桥设计工作可喜的进步。柳州市建筑机械总厂(以下简称柳州厂)生产的可更换式系杆为：（图2）这种系杆的钢绞线束是没有经过防腐处理的普通编束外包PE，即使是单根无粘结钢绞线编束外加PE护套，也远远不如OVM-C斜拉索的防腐处理程度。同时，由于整束钢绞线重量大，装运、安装都非常困难，对设计尺寸要求较高，例如多孔系杆拱桥墩上拱端间必须有安装、张拉钢绞线束的操作空间。同样，为了使系杆钢绞线束是可更换的，这一操作空间必须长期保留。柳州厂生产的OVM C型环氧全涂装拉索具有单根钢绞线穿入管道的优点，也便于换索拆装。 吊杆结构见下图： 柳州厂生产的拉索体系见下图： 6归纳的建议6.1 提高系杆、吊杆的防腐处理等级，尽可能地延长系杆、吊杆的设计寿命和使用寿命。6.1.1采用环氧树脂全涂无粘结筋(OVM-C) 拉索体系作系杆。在两端护罩设不锈钢注油管。自由段增设数个通向PE护套内的不锈钢注油管，外包不锈钢防护管。6.1.2吊杆 采用OVMLZM型平行热镀锌钢丝外裹PE冷铸镦头锚体系。端护罩加设不锈钢注油管。在自由段上下增设通向PE护套内的不锈钢注油管。为防止紫外线辐射造成PE护套破坏，在吊杆自由段增设外装式不锈钢或HDPE护套。经柳州厂研究测试，不加防紫外线护套的吊杆PE一般五年即出现环状应力开裂，1520年出现网状老化开裂。增设护套后，内部温度比外部温度底50度，且可以防水，对延长吊杆使用寿命较为有利。6.1.3 位于拱桥端部的吊杆长度较短,其相对刚度大(EF/L)，在桥面系的温度、车辆制动力、冲击力等荷载作用下，其下端处于反复弯剪状态，久之导致吊杆护筒断裂，进水，钢绞线（钢丝）锈蚀以致破坏。今后设计吊杆时，应加强和改善短吊杆的结构和防护。6.2把系杆、吊杆均设计为可更换的形式：6.2.1对于柔性系杆，下承式拱桥的拱脚部分、中承式拱桥的边拱混凝土内预埋钢管，系杆拉索分束穿入预埋钢管，其间隙压注防腐油。对于刚性系梁，拉索全部外包钢管,钢管内不再压浆而压注防腐油，两端采用不锈钢护罩且不再封锚。换索时，逐根抽换。6.2.2吊杆 采用可更换式双吊杆，拱肋和横梁的吊杆预埋钢管与吊杆（PE）之间压注防锈油脂而不压注水泥浆，增设不锈钢养护注油管。上下护罩采用不锈钢材料制造，且不再封锚。 6.3为养护单位设计吊杆上下端检查梯和吊篮。6.4 施工单位主动对已建桥梁进行回访，会同业主和养