浅谈大跨度钢箱梁悬索桥典型病害及研究

浅谈大跨度钢箱梁悬索桥典型病害及研究

钟华栋

(重庆交通大学土木工程学院，重庆400074)

摘要：近年来，由于交通量的不断增大以及环境污染日益

严重等原因，部分桥梁出现了不同程度的病害。钢箱梁、主 缆和吊杆是悬索桥的重要受力构件，关系着全桥的安全，本 U肋开裂

文总结了大跨度悬索桥钢箱梁、主缆、吊杆的典型病害，并对 病害的成因进行了分析，为处理大跨径钢箱梁悬索桥病害提 供参考依据。

关键词：悬索桥;病害;钢箱梁;主缆；吊杆

中图分类号:U

448. 25

文献标志码

:A

文章编号：1672 - 4011 (2017) 07 - 0138 - 02

DOI ： 10. 3969/j. issn. 1672 - 4011. 2017. 07. 066

1钢箱梁主要病害

1.1钢箱梁疲劳开裂

钢箱梁大多采用正交异性钢桥面板，正交异性钢桥面板 构造复杂，若加工或焊接不合理，则很容易产生应力集中，应 力集中、拉应力等因素对结构的疲劳强度都会产生不利的影 响。因此，钢箱梁中的薄弱部位，容易在交变荷载下出现疲 劳裂纹。钢桥面板容易产生裂缝的部位主要是各部件连接 处的焊缝以及应力集中导致开裂的部位。钢箱梁钢桥面板 有6处易出现疲劳裂纹:U肋对接焊缝、U肋与横隔板焊接 处、U肋与顶板焊接处、横隔板与顶板的焊接处、纵隔板与顶 板的焊接处、顶板的对接焊缝。而裂缝最集中的部位主要 是:U肋对接焊缝、11肋与横隔板焊接处、11助与顶板焊接处。

1) U肋对接焊缝。U肋受到弯曲和扭转作用，受力比较 复杂。出现裂缝的U肋一般集中在桥面车行区域，钢箱梁顶 板和U肋相当于支承于弹性支座上的多跨梁，较大局部轮压 荷载反复作用于U肋和顶板，在顶板中部顶板和U肋共同 发生挠曲变形，进而在焊接裂缝处出现疲劳裂纹，发展直至 贯通。端部桥面板和U肋的焊接处将产生较大的固端弯矩， 并带有高度的应力集中，从而导致焊缝开裂（见图1)8 U肋 对接焊缝大多呈U型，垂直于焊缝方向s

2) U肋与横隔板焊接处。U肋过焊孔横隔板开裂（见图 2)是最常见的一种病害,一般发生在焊缝根部，通过目测能 明显看出。主要原因是正交异性钢桥面板在承受重型活载 时，局部应力较大引起疲劳开裂，所以通常在车流量较大的 一侧横隔板裂缝数量更多。横隔板开裂区域的应力主要由 两部分组成:一部分是轮荷载直接作用下的局部应力，另

一

部分是由横隔板上各U肋穿孔之间的齿形板形成的悬臂

梁效虚引起的局部应力。U肋过焊孔处横隔板容易出现应 力集中，在活载的反复作用下，最终导致疲劳破坏D

收稿日期=2017 -03 -21

作者简介:钟华栋（1992 -)，男，重庆人，在读硕士研究生，研究方向：

桥梁养护与加固。

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图1

U肋开裂

图2横隔板开裂

3)U助与顶板焊接处。U肋与顶板焊接处的裂缝一般 发生在焊缝的根部，也有部分裂缝出现在焊缝趾部穿过U肋 腹板或顶板。U肋与顶板焊接处的应力状态比较复杂，在午: 辆荷载作用下，桥面板和U肋产生较大的局部挠曲变形，由 于变形的连续性，会引起相邻部件的变形。由于U肋的挠曲 变形，引起了桥面板的变形，从而在桥面板与U肋角焊缝的 焊趾、焊跟处产生次弯矩。在次弯矩的作用下肋的焊趾 处产生较大的弯曲应力和应力集中，造成U肋焊趾、焊缝处 产生焊缝开裂。刚度越大，次弯曲应力越大，U肋在横隔板 附近的变形约束刚度要相对大于中间部位，因此，疲劳裂纹 通常会在此位置首先开裂。

1.2 涂层劣化

钢箱梁涂层劣化类型有粉化脱落、变形、腐蚀等$粉化 脱落是巾于大跨径悬索桥所处环境较为复杂，长期暴露于空 气之中，使得表面涂层易发生老化或剥落，长时间不加以修 补导致粉化。变形是钢箱梁在车辆活载的反复作用下，发生 变形，|般分为局部变形和整体变形。腐蚀通常发生在钢箱 梁内壁，需要进人钢箱梁内部检查才能得以发现。腐蚀会使 钢箱梁有效面积减小，降低其使用寿命。涂羅劣化和本身材 料也有一定关系，在使用期内，应该对涂U经常进行检验，对 于不均匀或者有缺陷的地方及时进行局部养护或补涂。

2主缆的主要病害

相对于悬索桥的其他受力部件而言，主缆是不可更换构

件，也是悬索桥的生命线，相对于其他构件的病害，主缆出现 的病害更容易影响到悬索桥整体的安全(示意见图3) «

涂料涂装层

图3 主缆示意图

2. 1

漆膜损坏

主缆缠丝外表面的油漆漆膜损坏，主要包括裂缝、粉化、

老化、脱落等，有的还存在漆膜局部起泡现象。主要原因有： ①外部环境较复杂，降低了使用寿命，大跨径悬索桥多跨河 或跨海，环境中的空气湿度较高，日照比较强烈，会使主缆涂

第43卷第7期2017年7月

Sichuan Building Materials

划痕、裂缝等。3.2 索体钢丝病害

^ i»)

July ,2017

V〇1.43，No.7

装老化加快;②漆膜本身材料存在缺陷，涂装层是直接涂抹 在主缆的外层胆丝上面，而匝丝之间并非紧密相连，很多种 类的匣丝之间并无横向联系，在主缆受力变形时，涂装W也 会受拉，当所受拉力超过涂装层所能承受的极限时，涂装层 会破坏;③巾于后期投人使用后，人为作用导致了漆膜表U 不均匀或出现刮痕等。若发现漆膜损坏，应及时采取相应措 施，对损坏处清理后重新漆油漆，防止进一步损坏#

2.2 钢丝腐蚀

主要受制作材料和使用环境的影响e具体表现形式为龟裂、

吊杆索体钢丝的病害主要有腐蚀、松弛及断裂等&其中 钢丝腐蚀在国内外报道的吊杆病害调查中占主要。通常是 由于护套表面出现裂隙后，水分、微生物等外界介质进人索 体内部，与钢丝发生化学反应，腐蚀钢筋。根据腐蚀程度的 不同，吊杆钢筋腐蚀主要包括:均匀锈蚀、孔蚀、应力腐蚀、疲 劳腐蚀。通常最常见的是均匀腐蚀，主要发生在钢丝表面， 然后腐蚀逐渐加剧，在某些局部形成点状蚀坑，进人孔蚀阶 段，此时若不加以防护，或是无预裂纹试件，在电解质溶液的 主缆钢丝常见的病害形式有腐蚀、氢脆、疲劳断丝等3 其中最为常见的是钢丝腐蚀，通常用肉眼是无法观察到的。 钢丝腐蚀严重威胁到主缆的安全，使主缆有效承重面积减 小，从而使主缆的强度降低，大多数悬索桥都存在一定程度 的钢丝腐蚀问题。钢丝锈蚀主要是由于水分进人造成的，桥 梁投人运营后，水分通过间隙或主缆表层裂缝处进人到主缆 中，并逐步渗人内部钢丝，从而发生化学作用形成电解质溶 液，随着温度和电解质溶液浓度的变化，钢丝逐渐被腐蚀a 同时，水分在主缆中由于温度上升发生汽化、气温下降再凝 结，加快了主缆钢丝的锈蚀速度。在腐蚀的初期，主要现象 是主缆表面的镀锌层与空气发生反应，主缆的表面出现白色 蚀孔。但此时，主缆的承载能力并不会下降。_主缆表面出 现黄色的锈斑时，就说明主缆高强钢丝已经被镑蚀。此时， 主缆有效截面面积减小，降低了主缆的承载能力，这时必须 对主缆进行及时维修。3主缆出现严重锈蚀时，应力腐蚀和 疲劳腐蚀可能会导致钢丝断裂，这时，就需要专门对主缆进 行安全和承载力评定，然后采取相应的加固措施。现在工程 中通过注入空气的办法防止主缆钢丝锈蚀，取得了不错的效 果。若主缆钢丝出现锈蚀，应及时采取措施，通常是除锈后 重新缠绕新的钢丝，再在表面涂上油漆，保证主缆工作状态 良好，避免水分再次进人。

2.3 主缆渗水漏水

对龙量悬索桥主缆内部的调查发现，3去掉缠绕钢丝 后，主缆底部存在积水，锈蚀主要发生^£主缆两侧和下部，以 及锚室也有渗漏水现象。主缆渗漏水处表面涂层一般能明 显观察到存在多针孔渗漏水点，并且主缆渗漏水通常都会 伴有内部钢丝腐蚀。导致主缆生锈的主要原因是表层开裂 或索夹存在密封缺陷等，雨水渗人主缆内部向下动，由于 内部存在间隙以及主缆在外力作用下震动，雨水继续向下流 动最终汇集到主缆跨中处，逐渐积累最终导致主缆积水或漏 水。现在很多工程中主缆采用S形截面缠绕钢丝，防止了水 的进入并减小了表面油漆开裂的可能，

3吊杆的主要病害

3.1护套的损伤

吊杆的护套材料多采用高密度聚乙烯，高密度聚乙烯耐 寒耐热性能较好，具有较高的刚度、韧度和稳定性，所以被用 于制作吊杆外套。但是耐老化性能较震，受热变形能力不 好，所以护套在复杂环境作用下容易发生开裂。护套的损伤

作用下，孔蚀将进一步加剧形成应力腐蚀，座力腐蚀最大的 特点是主裂纹不断扩展的同时，若干支裂缝也扩展。由于钢 丝腐蚀会形成化学产物覆盖在表面，裂纹通常难以检测，由 于钢丝的有效面积减小，索体受力会不均匀或松弛，进而导 致吊杆力学性能改变$

吊杆索体钢丝腐蚀的最主要原因有:①水分、温度、电解 质溶液浓度;②在运输或者现场加工安装过程中人为造成磨 损等也可能会造成局部锈蚀;③所处江面或海面环境情况较 复杂。现在部分悬索桥表面套上充有氮气的不镑钢套管，有 较好的气密性和水密性，以隔绝外部雨水阳光等，对延长吊 杆使用寿命起到了不错的效果，但是成本相对较高。3.3锚头病害

既有悬索桥吊杆的病害调查结果表明，锚头的病害主要 包括锈蚀、渗水^锚头锈蚀是吊杆锚头的主要病害之一P轻 者，锚头外部固定螺栓和孔洞锈蚀;严重的，锚头渗出锈水， 常出现在锚杯等易于积水、积尘的部位。锚头锈蚀的原因可 能是锚头安装之后没有及时地在表面涂抹防锈剂，或吊杆锚 杯未设置保护罩或保护罩的气密性不够。下锚头渗、积水也 是锚头的常见病害之一，很多桥梁运苕后进行检查时，发现 下锚头内部有积水，一般锚头积水都伴随有吊杆护套开裂或 下锚头开裂，从而使得外部水分得以进人，也有可能是巾于 热胀冷缩的原因使得索体与护套之间产生间隙@

4结语

本文总结了大跨径悬索桥钢箱梁、主缆、吊索的病害及

其成因，针对各病害提出了相应的解决措施，对于实际工程 具有一定参考价值。

[ID： 004431]

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