悬索桥主缆的检测与加固技术

总第 3期 悬索桥主缆的检测与加固技术 3 7 悬索桥主缆 的检测与加 固技术 编译刘 海燕 陈开利 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司 湖北 武汉 4 3 0 0 3 4 摘要 介绍悬索桥主缆主要 的劣化 检 测技术及法 国 唐卡维尔悬索桥更换主缆实例 关键词 悬索桥 主缆 劣化 检测 更换 加固 1 前言 使用缆索的桥梁结构有悬索桥 斜拉桥 矮塔斜 拉桥等 随着缆索技术 的进步 近年来这些桥梁也 得到快速的发展 悬索桥和斜拉桥上 的缆索 由于长年使用和所 处环境的影响 发生腐蚀和钢丝破断等损伤 轻度 损伤虽不会影响桥梁 的使用性 能 但若损伤进一步 扩大 发展至最坏的情况 可能会导致桥梁坍塌 目前 日本正在开发缆索体系病害检测技术 并 逐渐在实桥上应用 下面将介绍悬索桥主缆主要 的劣 化 检测技术及法国唐卡维尔悬索桥更换主缆实例 2 悬 索桥主缆主要 的劣化 悬索桥主缆主要的劣化有 电气化学腐蚀导致 截面减小 鼓丝导致的磨损及表面裂纹 或这些劣化 继续导致钢丝破断等 2 1 腐蚀 主缆腐蚀是由于接触水和空气后形成腐蚀电极 导致的 悬索桥易腐蚀的部位有 主缆 的锚 固部位 附近 主缆缆体下侧 排水不通畅的部位 主缆 的内 部 索箍 压力环等 腐蚀导致缆索截面减小 直接导致 主缆强度 降 低 放 任腐蚀的话 最坏 的情况就是 桥梁坍塌 因 此 应该进行定期检测 准确评估健全性 根据需要 进行维修加固 具体 的防腐蚀措施有 在制索 阶段进行适 当的 防腐处理 现场填充主缆 问空隙和表 面防腐蚀的涂 装 本四联络线上的悬索桥实施了更为合理的防腐 蚀措施 采用往主缆 内送入干燥空气 降低湿度的送 气干燥系统 2 2 鼓 丝 鼓丝就是振 幅极小的丝股间的相对滑动 但 由 于反复进行 接触的构件相互摩擦 导致磨损或表面 产生裂纹 进而影响构件的耐久性 悬索桥主缆单根 索股 内的钢丝相对位移 邻接 的索股间接触部位 的相 对位移及缆索 和固定部位 缆索插 口 散索鞍 索鞍 索箍等 问位移造成鼓丝 这些位移是由于活荷载 风荷载等引起的振动 应力 的变化导致 的 3 检 测技术 3 1 索力测量 确认悬索桥主缆有害的劣化是非常重要的 测 量每根索股的索力 通过与理论值进行 比较 可判断 结构整体的安全性 换言之 通过确认使用 中索股 索力的异常 判断结构上产生的变形 支点位移 滑 移 主塔的变形等 和主缆上产生的变形等 测量索力一般采用振动法 振动法是 已知主缆 每单位长的质量 主缆的 自由振动长 通过现场测量 主缆的固有频率使用振动弦理论计算索力 的方法 在实际的测量 中 在主缆上安装加速度 传感 器 图 1 通过外力强制摇动缆索 根据确定的加速度通过 频率分析器 F F T J 量 固有频率 振动法测量索力 示意 见图 2 收稿 日期 2 0 0 9 一l O 1 3 编译者简介 刘海燕 1 9 7 4 一 女 翻译 1 9 9 8年毕业于湖南大学 日语 系 文学学士 图 1 加速度计设置情况 3 8 桥梁检测与加 固 2 0 0 9年第 2 期 斜拉索 强制加振 加速度计 图 2 索力测量 振动法 示意 其他 的测量方 法如 3点 滚筒法 E M 传感 器 等也在 日本得到使用 3 2 腐蚀 破断的检测方法 悬索桥主缆表面产生的劣化现象可通过高空作 业车和主缆检测车等近距离目测检查确认损伤部位 腐蚀或鼓丝导致的变形不仅 发生在主缆表面 内部也存在 主缆内部水滞留等也会促进腐蚀 另 外鼓丝导致的变形是由于相邻钢丝间的相对位移和 邻接索股接触部位的相对位移产生的 检查索箍等接 触主缆表面的部位 以确认主缆内部是否发生损伤 综上所述 为准确评估悬索桥索股的健全度 要 寻求可确认 主缆外部 和内部是否发生损伤 的检测 方法 腐蚀的检测方法有电磁诱导法 全磁通量法等 利用通过钢材截面的磁通量或 电流 的强度改变 确 认截面缺损量的方法 破断的检测通常采用磁化主 缆 测量缺损部位产生磁通量 的变动和泄漏 以检测 钢丝破断 监控变形进展采用 AE法 AE法为通过传感 器和分析器检测钢丝破断产生沿主缆传递的冲击波 的方法 AE法的概念如图 3 所示 C AS C声波监控 系统 以下简称 C AS C 就是 AE法的一种 后面介 绍的唐卡维尔悬索桥使用了该检测方法 钢线破断 弹性能量释放 匕 3 塑性变形能量 弹性能 量 一一 I 声波传递 图 3 A E法的概念 4 更换悬索桥主缆的工程实例 国外 已有悬索桥更换主缆实例 法国唐卡维尔 悬索桥通过监控手段 判断桥梁运营存在危险 在不 中断交通的情况下更换腐蚀的主缆 4 1 唐卡维尔悬索桥概况 唐卡维尔悬索桥 图 4 位于法 国诺曼底 是一 座 3 跨连续钢桁加劲梁悬索桥 距法国塞纳河河 口 3 0 k m 1 9 5 9年建成 跨径布置为 1 7 6 6 0 8 1 7 6 m 建成当时是欧洲最大跨径 的悬索桥 主缆 由 6 0 根索股组成 每根索股由 1 6 9丝直径 4 7 mm 的钢 丝编成 1 9 6 5年发现数根钢丝破断 分析破断原因 是索箍部位保护 主缆缠绕 的粗麻 含水导致 主缆腐 蚀 采取去掉粗麻 涂装含锌量高的涂料 在索箍和 主缆问插入锌板使腐蚀 电流的影 响变小等措施后 钢丝破断次数减少 图 4 唐卡维尔悬索桥 4 2 监 控确认 安全 1 9 9 5年该桥 1根索股突然破断 研究更换主 缆的同时 安装 AE传感器 C AS C 图 5 监测 通 过监测破断频率 破断部位确认安全性 研究在不中 断交通的情况下更换主缆的措施 通过 2年以上的 监测 发现钢丝破断规律 破 断频率低 没有加速破 断的现象 确认该桥还不至于突然坍塌 图 5 传感器的设置情 况 e a s el 4 3 更换主缆 4 3 1 主缆 该桥既有主缆有 2 根 各由 6 O 根索股构成 主 缆穿过塔顶壳状索鞍 在锚碇的锚室内通过散索鞍 分散锚固 钢桁梁通过吊索由主缆支承 在解体既有主缆之前 先将主梁等荷载移到新 安装 的主缆上 主梁 的荷载移到新主缆上后 受荷 载影响 新主缆会下垂数米 既有 主缆荷 载减少的 同时向上移动 新 主缆最初位于既有主缆上方 伴 随着荷载的转移 新 旧主缆的位置关系反过来 图 6 通过采用 2 根新主缆置换 1 根既有主缆的施工 总第 3期 悬索桥主缆的检测与加 固技术 3 9 方法 可进行新 旧主缆 的荷载转移 此方法受塔顶 的空间和锚碇内的锚固方法限制 新主缆 荣 新主缆 既有主缆 荷 载 转移 前 衙 载转 移 后 图 6 新 旧主缆荷载转移 的概 念 4 3 2 索鞍 索鞍设计上的问题通常是如何解决塔顶的设置 空间和架设产生的水平力 新索鞍设置在用钢筋混 凝土和预应力钢筋夹持既有索鞍 确保既有 主缆可 自由活动 的台座上 图 7 由于固定新索鞍时 桥 塔和既有主缆上会作用附加 的应力和拉力 因此 新索鞍采用可活动 的构造 同时安装 千斤顶确保安 全 以抑制架设新主缆时产生的水平力 图 7 既有 索鞍两侧设置新 索鞍 的台座 配筋情况 4 3 3吊索 该桥加劲梁每个锚固点处设置 1 根既有吊索 配合新主缆的数量 加劲梁每个锚 固点处设置 2根 新吊索 加劲梁和吊索 的连接装置为可同时安装既 有吊索和新 吊索 有 3个孑 L 的装置 通过调整吊索 的长度 新旧主缆 间的荷载转移顺利进行 吊索 的 更换示意见图 8 施工前 施工 中 施工后 图 8 吊索的更换示意 4 3 4 锚碇 该桥锚碇 内 6 O根 旧索股通过插 口锚 固在锚板 上 锚板由 3 根锚固螺栓 固定在钢筋混凝土基础上 3根新索股 直径 4 0 ram 置换 1根旧索股 直径 7 2 ram 图 9 新索股通过特殊的装置直接用 3根新 锚 固螺栓锚 固 由于新 旧索股相互交错 安装非常 复杂 因此 采用有 限元进行分析 避开 旧索股 合 理地配置新索股 施工 后 图 9 锚碇锚固的施工示意 4 3 5 完成更换 在施工期间 限制 2车道交通 施工 中 继续监 测既有主缆 确认桥梁 的安全性 1 9 9 7年依次安装新主缆 1 9 9 8 年 2月开始转移 旧主缆上 的荷载 荷载转移用时 2个月 此后 拆除 旧主缆 1 9 9 9年j u JJ 完成主缆更换 图 1 0 图 l O 更换 了新主缆的唐 卡维尔悬索桥 5结语 缆索体系由于长年使用发生腐蚀 破断 拉力降 低等劣化 这些劣化受桥梁的维修养护管理和周边 环境等影 响 其发生时问和劣化进度有很大的不同