斜拉桥拉索主要病害成因与预防措施综述

斜拉桥拉索主要病害成因与预防措施综述

海国权

(华北水利水电大学土木与交通学院，河南郑州450045)

摘要：拉索是斜拉桥结构中重要的构件，在长期运营的过程不可避免存在病害情况。拉索护套破裂导致直接导致病害的产生，在交变荷载作用及各种环境因素影响下，拉索病害程度不断发展，最终可能造成拉索的严重损伤甚至断裂，严重影响斜拉桥结构的安全，为此，本文从拉索病害的机理出发，结合国内外学者的研究情况作出综合评价，并总结出拉索病害预防的措施，以为今后的相关研究和工程应用提供一些参考价值。

关键词：拉索病害；损伤机理；应力腐蚀；疲劳腐蚀；

中图分类号：                      文献标志码：A                           文章编号：

0.引言

斜拉桥跨越能力大、造型宏伟美观，往往成为一地的标志性建筑，但是近些年来，斜拉桥问题多发，甚至出现严重的安全事故，而事故的起因通常源自于拉索病害。拉索作为斜拉桥主要受力构件，负责承载桥梁的重量，因此长期处于高应力状态，在交变荷载作用及各种环境因素影响下，易出现损伤问题，对斜拉桥结构的正常使用和安全运营都有着重大影响。因此对斜拉桥拉索病害及机理进行分析，采取合理的防治措施以保证结构的安全十分必要。

1.斜拉索主要病害及成因

斜拉索通常主要由高强钢丝束（钢绞线）与外部保护体系组成，长期处于跨越江河海湾的地理位置，暴露在潮湿的空气中，极易产生病害严重影响拉索性能。其中腐蚀是拉索病害的主要原因。斜拉索通常是采用 HDPE护套对斜拉索内的预应力钢丝进行防腐，但随着时间推移，拉索依旧出现腐蚀情况，导致钢丝断裂甚至拉索断裂，严重影响桥梁结构的安全。

斜拉索高强钢丝在拉索保护体系被破坏后便开始腐蚀，斜拉索的腐蚀主要是材料中的钢材与周围介质发生化学作用，从而引起钢材腐蚀。拉索的腐蚀主要包括应力腐蚀、疲劳腐蚀，应力腐蚀主要指金属构件在拉应力和腐蚀条件耦合作用下的加速腐蚀，斜拉索高强钢丝在应力腐蚀下，一旦形成微裂纹，裂纹便会迅速发展，断裂前没有明显的预兆，所以应力腐蚀是所有腐蚀类型中破坏最严重的一种。疲劳腐蚀是疲劳荷载作用下发生的腐蚀，疲劳荷载与腐蚀耦合导致拉索的疲劳寿命急剧下降。点蚀是疲劳腐蚀的起始区，加速了疲劳裂纹扩展和疲劳应力集中在断裂带中的疲劳断裂[[1]]。

2.斜拉索病害机理

周健鸿[[2]]认为复杂的外界环境侵蚀下，斜拉索的外层HDPE护套极易发生破损、开裂，导致钢丝直接暴露在大气环境中，在腐蚀介质和紫外线的耦合作用下，而且索体的高应力也会加剧HDPE护套的破损，从而导致腐蚀介质进入索体与内部钢丝接触发生电化反应，使得钢丝腐蚀并造成钢丝力学性能损伤将会加剧钢丝的腐蚀。

王宇[[3]]总结分析了影响斜拉桥拉索长期性能的服役环境与荷载因素，认为桥梁拉索的长期性能影响因素主要分为大气环境腐蚀以及荷载作用。拉索防护系统在环境和荷载耦合作用下出现病害后,其防护性能会下降甚至失效,大气腐蚀环境中的硫酸根离子、氯离子、灰尘颗粒等作为腐蚀因子侵入扩散进拉索索体内,导致拉索在荷载和腐蚀环境耦合作用下发生腐蚀损伤。大气环境中的空气相对湿度、腐蚀因子浓度、PH值、温度都是影响拉索腐蚀损伤速率的重要因素。此时由于斜拉桥拉索处于高应力状态和疲劳应力状态，点腐蚀、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳等对缆索系统往往产生致命的影响，从而影响桥梁结构的耐久性，降低桥梁结构的使用寿命。

李涛[[4]]等人通过开展室内盐雾加速腐蚀实验，研究分析了各种应力状态下腐蚀钢丝的腐蚀失重量及弹性模量、抗拉强度等力学性能的变化，拉索的腐蚀疲劳损伤主要是由于钢丝腐蚀在钢丝表面形成蚀坑，进而导致应力集中现象，加之氢致开裂，导致裂纹的出现并不断萌生、发展，最终导致钢丝疲劳断裂。

王芊凌[[5]]对斜拉桥拉索锚固系统组成构件的病害和内部镀锌钢丝的腐蚀损伤机理进行了总结分析，由于拉索锚固区通常承受着较大的集中荷载和移动荷载，且应力分布不均匀，在服役环境的长期影响下,斜拉索防护系统存在锚固罩开裂和密封胶圈老化等病害,从而导致外界侵蚀性腐蚀因子渗入拉索锚固系统,导致内部钢丝腐蚀、锈蚀、断丝,加之斜拉索在服役期间承受环境腐蚀与疲劳荷载的耦合作用,从而加剧了锚固系统腐蚀损伤过程,降低了锚固系统的可靠性。

3.斜拉索病害防治措施

斜拉索病害防治主要从拉索保护体系出发，罗会来[[6]]等针对彩虹大桥系杆PE护套的典型病害提出了针对性的修复方法。在动荷载作用下系杆反复出现拉( 压) 应力变化，HDPE护套也应具备一定的抗拉( 抗压)强度，才能不至于在应力作用下破坏，选用HM106聚硫密封剂系杆PE护套裂缝修补材料，能够有效的对PE护套裂缝进行修复，延长拉索使用寿命。

刘山洪[[7]]认为设置HDPE外层护套的遮阳系统，从而避免了阳光的直接照射，减少温差引起HDPE管的温度应力。将遮阳网支撑在 HDPE 外层护套上，确保遮阳网与遮阳薄膜之间留有一定的空隙，就能使热量有效地散发出去，让遮阳网发挥更好效果。由于遮阳系统成本低，耗费更换工时少，采用每年定期更换遮阳系统的方法，极大地降低了拉索的维护成本。

常彬彬[[8]]认为拉索振动引起的弯曲应力会明显降低钢丝的预期疲劳寿命。索振达到一定的次数后，锚固区的钢丝就会由于疲劳和损伤而断裂。因此，拉索的振动控制是预防拉索病害的关键，采用适当的机械阻尼器对抑制拉索的风致振动有较好的效果，同时结合橡胶阻尼器的使用，可以有效抑制斜拉索的风雨振现象，同时还可获得较好的美观效果。

4.结论

斜拉索的病害原因复杂多样，主要包括环境因素与疲劳荷载作用。斜拉索运营期受雨水、空气等自然环境因素发生锈蚀而损伤，在高应力状态下发生应力腐蚀，减小拉索的有效面积，同时在交通荷载、风载的作用下发生疲劳腐蚀，产生疲劳裂纹并逐渐发展最终导致钢丝断裂甚至断索。此外斜拉索在设计使用初期也可能已经存在一定的损伤，如护套存在裂纹、拉索张拉损伤等都会造成拉索初始病害的出现。

斜拉索病害的防治主要从拉索护套的材料的优化与修补为主，通过改变拉索护套的材料和修补护套可以减少拉索与腐蚀因子的接触，也可以采用外部遮阳系统减缓护套的老化，同时可以通过采用减震装置减少拉索结构的振动，从而减少疲劳荷载作用，延长拉索疲劳寿命。

参考文献（Reference）

[1]徐俊. 拉索损伤演化机理与剩余使用寿命评估[D].同济大学,2006.

[2]周健鸿,杨清梅.斜拉索单根钢丝锈蚀机理及有限元分析[J].低温建筑技术,2016,38(05):69-72.

[3]王宇. 桥梁拉索电化学腐蚀损伤机理与空间损伤演化模型研究[D].重庆交通大学,2023.

[4]李涛. 交变应力与环境耦合作用下拉索腐蚀疲劳损伤机理研究[D].重庆交通大学,2015.

[5]王芊凌. 服役环境下桥梁拉索锚固系统腐蚀损伤机理试验研究[D].重庆交通大学,2023.

[6]吕大勇,宋博琪,罗会来.下承式钢管混凝土系杆拱桥PE护套病害修复方法探索[J].天津建设科技,2011,21(04):47-48.

[7]刘山洪.斜拉索HDPE防护套的损伤机理及预防对策研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2013,32(S1):888-893.

[8]常彬彬. 斜拉桥拉索损伤机理及预防构造措施研究[D].重庆交通大学,2008.