斜拉索退化规律剖析和损伤状态评定

同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会斜拉索退化规律剖析和损伤状态评定同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会报告内容介绍♨斜拉索使用现状♨斜拉索退化的影响因素和规律护套的退化钢丝锈蚀机理钢丝沿长锈蚀规律钢丝径向锈蚀规律下锚头及锚固区的退化♨斜拉索检测与评定检测方法计算模型♨研究展望同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会斜拉桥结构雄伟据不完全统计，国外建成和在建的斜拉桥达到270座国内建成和在建的斜拉桥达到90余座同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会现有拉索系统防护方法镀锌（galvanizing）灌水泥浆（cementitiousgrout）灌环氧材料（epoxygrout）包环氧外套（epoxycoating）采用防锈油脂和蜡（corrosioninhibitinggreasesandwaxes）在单根钢丝外包塑料皮（plasticsheathingaroundindividualwires）护套（sheathing）缠包带（tedlartapes）同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会斜拉索使用现状♨国内广州海印桥发生断索事故，三台涪江桥拆除，新五桥跨塌♨红水河桥、海印桥、济南黄河桥、恒丰路桥、石门桥，犍为桥，广州九江桥，南昌八一桥等已换索♨国内斜拉索的实际使用寿命一般不超过20年同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会斜拉索养护面临的困境♨由于缺乏理论指导，忽视拉索检测，管理部门未能及时发现拉索中存在的病害，导致断索事故发生；♨管理单位一旦发现拉索病害，由于心理恐惧，为确保结构的绝对安全，在拉索远未达到实际使用寿命时就开始换索，造成大量浪费；♨在决定换索后，由于拉索退化程度及结构体系状态不明，设计单位制订的换索方案使斜拉桥结构的可靠度指标在换索过程中大幅降低，甚至可能酿成事故。同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会某桥拉索检测的工程背景♨1997年发现拉索表面破损79处，最长裂口达500mm；♨下锚头套管积水♨在2001年实施封水处理后，发现下锚头依然渗水同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会斜拉索的退化类型♨索体的退化：护套破损，钢丝锈蚀，钢丝断裂♨锚头的病害：锚头锈蚀，锚杯变形，锚板开裂♨锚固区的病害：锚箱渗水，锚箱开裂，锚箱锈蚀，锚固区混凝土开裂同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会拉索护套病害护套表面刮痕。可能是在施工时拖拉留下的，也可能是检测车造成的护套表面凹坑，有的边缘破损翘皮，下方橡胶通常完好护套开裂，包括横向，纵向，半圆形开裂，间断性开裂等开裂露丝，多处钢丝出现严重锈蚀甚至锈断同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会在新索上发现的护套破损同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会护套破损原因分析♨在拉索制造过程中，护套受到初始损伤；♨工厂制造的拉索需通过卷盘的方式运往工地，在卷盘运输过程中护套由于应变过大而开裂；♨在施工过程中，施工方由于操作失误或重视程度不足，在成品索搬运及安装过程中未采取相应保护措施，导致拉索护套表面磨损，甚至被尖锐物体划破；♨在运营过程中，环境、温度、交通荷载等作用甚至是车辆意外撞击导致护套开裂；♨在拉索检测过程中，沿拉索移动的检测小车摩擦挤压拉索，导致拉索护套损伤；♨由于拉索护套HDPE老化，导致护套延伸率降低，最终护套开裂；♨采用PE+PU双层护套的拉索，由于两层护套的热膨胀系数不同，且两种材料间的粘结也不牢固，这使护套容易从两种材料的交界位置开裂。同时由于PU护套不可能太厚，因此PU层很容易破裂。同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会护套破损规律051015202530353－13－24－14－25－15－26－16－27－17－28－18－29－19－210－110－211－111－212－112－213－113－214－114－215－115－216－116－217－117－218－118－219－119－220－120－221－121－222－122－223－123－224－124－225－125－225－325－4拉索编号护套破损数量050100150200250拉索长度（m）护套破损数量拉索长度纵向开裂55%环向开裂21%孔洞11%其它形式开裂13%护套破损数量与拉索长度线性相关地纵向开裂数量多于其它形式开裂同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会钢丝锈蚀♨在腐蚀性介质中，钢丝会与腐蚀性介质发生广义氧化还原反应，导致钢丝表面的镀锌和钢材变成离子形式，并进而与其它物质结合成锈蚀产物，最终改变钢丝的表面形态和力学性能，这一过程就是钢丝的锈蚀。♨位于拉索中的钢丝可能出现以下几种类型的锈蚀：均匀锈蚀、点蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳。同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会钢丝锈蚀机理与描述♨镀锌的锈蚀：Zn→Zn2＋＋2e♨镀锌的锈蚀程度可以表示成：D=AT♨碳钢的锈蚀：Fe→Fe2＋＋2e♨碳钢的锈蚀程度可以表示成：D=ATnFe2＋+2OH－→FeOH24FeOH2＋O2+4H+→4FeOH2＋＋2H2O式中：T——钢丝使用年份A——金属第一年的锈蚀程度n——常数同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会钢丝锈蚀现象钢丝孔蚀钢丝裂纹钢丝锈蚀同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会钢丝锈蚀现象同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会沿长锈蚀分布同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会下锚头附近钢丝并未锈蚀同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会拉索径向锈蚀检查0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%表层-2层2层-3层3层-4层4层-5层5层-6层6层-7层7层-内层锈蚀程度递增锈蚀程度不变锈蚀程度递减钢丝锈蚀变化趋势钢丝径向锈蚀规律钢丝径向检测钢丝径向锈蚀规律同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会拉索灌墨水试验将红墨水灌入拉索后检查，结果发现红墨水仅附着于表层钢丝，此外，在扎丝附近，红墨水也聚积较多同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会斜拉索截面锈蚀规律分析概率P1.00.0雨说明：越接近拉索截面外圈，钢丝与雨水接触到的机会就越大，故外圈钢丝锈蚀的程度最高，内圈最低。水位中到大雨大雨同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会采用水泥灌浆拉索的病害♨水泥灌浆压力以及施工温度使护套开裂♨水泥硬化后的开裂降低了防护效果，且形成了渗水通道♨水泥浆离析泌水，使拉索上部形成存水空腔，甚至水泥浆可能长期不结硬，直接锈蚀钢丝♨压浆时水泥浆沿空袭较大处灌满，象索中心没有水泥浆,因而锈蚀同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会水泥浆防护拉索的病害同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会下锚头病害同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会下锚箱渗水同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会剖索调查渗水途径剖开6根拉索检查，发现：在BD21-2和RD25-1拉索下部剖开位置没有发现积水痕迹，而且位于剖开位置的钢丝较新；在RU25-1、RU25-2与RU25-3和BD25-2发现钢丝严重锈蚀，且可见水从剖开位置流出。由于剖开位置附近没有裂口，剖索发现的积水只可能是由拉索上部渗漏下来。说明雨水可以通过拉索裂缝或破口进入拉索内部并沿拉索钢丝一直达到拉索根部下锚头位置，最后由泄水孔排出。同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会拉索破口与渗水对比根据统计结果，存在渗水问题的下锚头共有84个，这些下锚头中，有59个下锚头的对应拉索存在拉索护套缺陷，其中包括14根锈蚀严重需要更换的拉索。拉索发现缺陷共59根,占渗水拉索总数的70%拉索未发现缺陷共25根,占渗水拉索总数的30%同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会渗水途径I索面破口同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会渗水途径II防水沥青裂口同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会渗水途径III铺装层套管破口同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会锚固区混凝土开裂同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会锚管锈蚀同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会拉索检测方法检测方法原理优点缺点位置目视检测根据钢丝的外观变化判断钢丝的锈蚀程度直观，方便有损检测，只能定性分析现场电化学检测测定腐蚀电流、电位等电化学参量灵敏度高数据缺乏可比性试验室电阻法检测钢丝截面损失增大了钢丝电阻腐蚀数据是累计的，操作简单需要对钢丝表面除锈试验室CT检测利用x光确定钢丝的截面形状精确度高，数据直观时间长，费用高，无法进行整索检测试验室磁性检测钢丝截面变化会引起磁通量变化可无损检测，断丝检测灵敏度高检测精度受外界干扰大现场挂片检测相同材料在相同腐蚀环境下的腐蚀程度相同简便，数据直观不能反映应力作用下的锈蚀现场光纤检测光纤表面镀层受到腐蚀后光纤的折射率改变无损检测，可进行实时检测必须预先在拉索中埋置光纤现场同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会锈蚀进程与等级划分锈蚀等级腐蚀程度标识图例I钢丝完好，没有任何形式的锈蚀II钢丝表面出现由镀锌锈蚀产物构成的白粉，但钢丝基体未锈蚀III钢丝基质开始锈蚀，钢丝表面的白粉泛黄，但无黄色锈斑IV钢丝表面出现黄色锈斑，但较稀疏。V钢丝表面黄色锈斑数量较多。清除钢丝表面锈蚀产物后，可见钢丝表面出现稀疏蚀坑VI钢丝表面出现密集连续黄色锈斑。清除钢丝表面锈蚀产物后，蚀坑占钢丝表面积80%以上VII镀锌耗尽。清除钢丝表面锈蚀产物后，可见钢丝存在明显截面损伤，或蚀坑深度超过1.0mmVIII断丝同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会锈蚀进程与等级的表观分类IIIIIIIV同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会锈蚀进程与等级的表观分类VVIVIIVIII同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会BD25-1表层锈蚀状况`同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会BU25-2表层锈蚀状况同济大学桥梁系陈惟珍教授桥梁钢结构新技术研讨会钢丝编号锈蚀检查242322732120191871701716156811767116161118691191201211227274123124167166165164163203204205206239238237202201162236260261262240168207241208169125757612617020924226426328326524321121017217112777252627781287980129812928130173174131828331303284132175212266213244176133851348634333587368813613517721421517813717989373890138180216245267285284296297286268246269287298302295282160115661413651264114159199200234235259280281293279276277278258233198113232257256255254275292294631110987616211215819711160596581101571561962312301951551095754565532153541071081541942291931531061051041035251102501011501511521921911901491484910014718818922522622722825225122422318714698994847469714518622225027227327425329129028927122118514414318422024928829930030127024824721721821918318218113914014114295964544439493929139404142钢索锈蚀情况分布图锈蚀严重锈蚀中等锈蚀轻微同济大学桥梁系陈惟珍