悬索桥具有跨越能力大、受力性能良好、桥型美观等特点，成为特大跨径桥梁的首选。主缆是悬索桥最为重要的受力和传力构件，受到动荷载和复杂环境的耦合作用，长期处于高应力状态，在运营几年甚至十几年时间后往往出现钢丝疲劳和腐蚀等病害，导致主缆承载能力退化，使用寿命降低。目前在美国、欧洲的一些大跨悬索桥上已经有所体现。如：美国的威廉姆斯堡大桥（Williamsburg Bridge）和英国福斯公路大桥（Forth Road Bridge）等早期修建的悬索桥主缆已经出现锈蚀，并进行了大量更换和修复；运营了31年的法国阿坤廷桥（Aquitaine Bridge），经检查发现主缆严重锈蚀与断裂，更换了主缆；运营6年的瑞典高海岸大桥（Hogakusten bridge），经检查发现跨中部位的主缆钢丝以及外部缠丝也大部分已经锈蚀。在我国国内，类似问题也逐步暴露，如汕头海湾大桥及江阴长江大桥均已开展过主缆维修。
据统计，目前已建成的世界十大悬索桥中有五座在中国。我国的在役大跨悬索桥与欧美等国相比较新，大都处于建成后的性能较佳状态。大量研究显示，大规模建设期的20-30年之后，桥梁结构的病害将进入集中暴露期。随着服役年限的增加，我国的悬索桥、特别是主缆系统也将或陆续出现各类病害。此外，我国悬索桥主缆的结构设计、施工方法、钢丝性能与国外有一定差异，桥梁的服役环境也具有自己的特点，不能照搬国外经验。主缆造价昂贵、更换难度极大。对悬索桥主缆的日常维护，定期检测，以及承载力评估尤为重要。主缆系统的技术状况对于悬索桥的运营安全至关重要，但目前悬索桥主缆钢丝腐蚀规律的研究，大都基于室内试验或者国外实体悬索桥，国内几乎没有对实桥主缆腐蚀规律方面的研究。因此，研究我国在役悬索桥平行钢丝主缆的腐蚀原因及分布规律，梳理主缆检测频率与方法，对于了解主缆的服役状况和预测剩余使用寿命是十分重要且迫切的工作，并将为悬索桥的养护、维修决策提供科学依据。
美国的经验介绍与
我国的规定相比较
美国悬索桥的历史较长，其大部分悬索桥桥龄超过40年。桥梁管养经验促使美国于2004年出台了针对悬索桥主缆的专项检测标准——《悬索桥平行钢丝主缆检查及强度评估指南（Guidelines for InspectionandStrength Evaluation of SuspensionBridge Parallel Wire Cables）》（以下简称“534号报告”）），该标准由美国交通研究委员会（TRB）主导、美国国家合作公路研究计划（NCHRP）编制，现已被欧美等国的多座大跨悬索桥主缆检测所引用和参考。此外，美国联邦公路局（FHWA）还同步编制了一本手册作为534号报告的补充，题为《悬索桥缆索检测及强度评估手册（Primer for the InspectionandStrength Evaluationof Suspension Bridge Cables）》（以下简称“手册”）。这两本材料，系统规定了悬索桥主缆的基本检测准则。
534号报告和手册主要包含六个章节的内容，分别是：综述、检查、室内试验、现场评估及实验数据、主缆索力评估、检测报告。第一章综述，对悬索桥的健康与安全提出明确要求、介绍了主缆的材料性能和结构组成、分析了腐蚀产生原因、介绍了无损检测和监测技术；第二章检查，规定了检测时间间隔、位置区域选定、外观目视检查、内部打开检测及钢丝取样方法的原则与方法；第三章室内试验，对钢丝物理力学性能、镀锌层、化学成分分析和腐蚀分析等一系列针对钢丝性能的室内实验方法做了一一阐述；第四章现场评估及实验数据，介绍了对主缆钢丝进行现场检测和室内试验结果的制表，用于估算主缆强度。给出了确定每个腐蚀等级的钢丝数量、有效扩展长度和相邻节段中断裂钢丝数量的计算方法；第五章主缆索力评估，一方面通过介绍和筛选简化强度模型、脆性钢丝模型及有限韧性模型三种计算模型，获得未断裂钢丝产生的主缆强度，另一方面，介绍了相邻节段中断裂钢丝产生的主缆强度计算方法，从而整体评估主缆强度的成套计算方法；最后第六章，阐述了与主缆检测的各类相关报告的编制要求和核心参数。
鉴于篇幅限制，本文选取“主缆钢丝腐蚀等级”和“打开主缆后的深入检查”两个关键内容规定做一点展开介绍，并与我国标准中的相关规定做对比。
534号报告和手册将钢丝腐蚀按严重程度分为五个不同的阶段，如表1和图1所示：
表1 NCHRP534号报告的主缆钢丝腐蚀等级
图1 NCHRP534号报告对主缆钢丝腐蚀等级的图例
我国的《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21-2011）（以下简称“标准”）将悬索桥主缆腐蚀或索股损坏划分为五级，如表2所示：
表2《公路桥梁技术状况评定标准》
（JTG/T H21-2011）的钢丝腐蚀分级
对比534号报告、手册和《标准》对主缆钢丝的腐蚀分级规定可以看出，两者虽然均通过对钢丝锈蚀的现象和状态严重程度来区分腐蚀等级，但前者部分使用了定量化指标，并且配有参考图例，而后者仅提出了定性的文字描述。这会因检测人员个体理解的差异，导致对定性文字的理解有很大偏差，使得使用《标准》划分主缆钢丝腐蚀等级时候的结果具有很大的主观不确定性。而定量指标和图例的使用有助于提高判断结果的精确程度和科学性。因此，在这一方面，我国的相关标准还有进一步完善的空间。
534号报告和手册基于对美国31座悬索桥的检测数据，提出对主缆的索夹、吊索、索鞍、索套、索股以及锚固区相关部件都要开展例行的目视检测。数据显示，从桥梁建成到主缆开始劣化大约有10年的宽限期。在此基础上，根据主缆钢丝的腐蚀情况应不定期打开主缆开展“内部检查”。一旦主缆钢丝出现4级腐蚀，所有桥梁的内部检查间隔时间应该是10年。当发现有断丝时，检查间隔应该缩短到5年。出现大比例的4级腐蚀钢丝时，也应该在5年时间内进行另一次内部检查。
基于目视检测结果，选择合适的区域剖开主缆进行深入检查，内部检查应定位于外部检查时发现劣化状况的位置。外部迹象表明可能存在的内部劣化包括：缠丝松散、主缆内部滴水、锈斑、索夹嵌缝损坏、缆套下预示缠丝交叉的表面凸起，或者是用锤子“敲击”时的空洞声。如果没有内部劣化的迹象，应根据以下条件来选择内部检查的位置。每根主缆至少选择4 个位置进行剖开检查，原则如下：
· 主跨最低点
· 边跨最低点或附近
· 一根主缆的主跨，低点上方距主跨半跨30%到70%的位置
· 另一根主缆的边跨，低点上方距边跨30%到70%的位置
在主缆技术状况较好的情况下，第一次开缆检查可以选择在较少的区域进行，之后每隔5 年增加检查区域的主缆检测方式。在美国，很多在役的悬索桥主缆检测都是选择这种策略。
534号报告和手册给出了悬索桥主缆检测的全流程建议，从外观目视检查到内部检测频率、位置选取、主缆打开步骤、取丝等，到钢丝物理力学性能室内试验，到现场检测和室内试验的全过程数据记录与计算，以及从钢丝性能推算主缆的整体力学性能的方法。很多先进理念值得学习和借鉴。
对我国某在役悬索桥主缆腐蚀
状况的现场检查和分析
本文作者通过对我国首座服役后、拆除过程中的大跨悬索桥开展主缆目视检查、楔开检查、钢丝取样等工作，分析主缆的腐蚀特征及规律。
某在役悬索桥为双塔单跨钢桁架悬索桥，全桥总长为477.23 m，跨径布置为（104.1+240+82）m。主缆由19股91根Φ5 高强镀锌平行钢丝索股组成，直径为240mm，钢丝标准强度1670MPa。如图2所示。所在区域属于亚热带气候区，年平均气温19.7℃，极端最高气温36.5℃，极端最低气温-4℃。年平均降雨量1 035 mm。该桥所在位置气候特点是冬无严寒，夏季炎热，夏湿春干，雨热同季，并且历年年平均相对湿度为81%。由于设计理念、荷载等级的限制，且经过约18年的服役，对该桥开展了详细的检测评估后决定拆除。检测报告经过分析共形成了五条最终拆除原因，其中有三条与主缆钢丝腐蚀相关。
图2 某在役悬索桥布置图
本文参考534号报告等国外的主缆检查及取样经验，结合现场主缆的检查以及相关检测报告，在该桥主缆拆除过程中，共对该桥主缆的A-H处即共10个位置进行外观目视检查，选取其中8个位置进行钢丝取样，并对其中1个位置的主缆进行楔开检查，同时将整个截面钢丝取样，如图3和4所示。
图3 某悬索桥主缆（南侧）
钢丝检测、取样位置分布图
(a)锚室内部
(b)主塔鞍座
(c)某索夹上部
(d)某索夹下部
图4某悬索桥主缆钢丝检查、取样记录
通过对A—H 等位置的检查，发现沿主缆钢丝锈蚀变化规律可以总结为三类现象：
图5展示了在悬索桥拆除现场观测到的延主缆轴向，索夹各节段间主缆的外层钢丝腐蚀分布情况。所观测和取样的区域覆盖了该桥检测报告和534号报告的主要建议位置。研究和分析发现：
· 在主跨最低点，如大量调研和研究经验所示，主缆钢丝的腐蚀等级为4级，是该桥钢丝腐蚀程度最为严重的区域之一。该现象的产生，多是由于此处往往是雨露水的集中区域，水汽渗透到主缆内部后难以蒸发散失，导致主缆内部局部区域的空气相对湿度高于其他相邻区域。高湿度环境和空气中氧气的耦合作用使得钢丝迅速腐蚀，钢丝表面镀锌层被消耗殆尽后腐蚀深入到钢丝本体；
· 在东岸边跨一侧，由于设计问题未设置安装有温湿度控制系统的主缆锚室，锚室内空气与外界环境空气自然流通。由于锚室区域钢丝处于边跨低点，导致该区域主缆内的积水问题同样严重，也出现了等级达到4级的钢丝腐蚀现象；
· 主缆钢丝锈蚀程度沿轴向发生突变，在两个索夹之间腐蚀比较严重，而索夹固定处腐蚀则一般。这种分段突变的现象在C、D 两处之间尤为明显，究其原因一方面由于该处主缆处于江水河道走向变向的位置，并且长期受到风、光照以及雨水的影响，进而造成钢丝的腐蚀；另一方面是因为索夹的存在，紧缆后使得索夹处的主缆钢丝间的缝隙较小，阻止了雨水等物质的渗入。
图5某悬索桥主缆（南侧）轴向钢丝锈蚀分段情况
针对腐蚀严重的上游主缆C位置打开检查。采用主缆内部环境状况图描述该截面钢丝腐蚀状况，如图6所示。检查发现大量的锈蚀钢丝出现在截面S1和S2部位。S1部位钢丝腐蚀等级为2或者3级，而S2部位的钢丝却大部分为4级，比S1部位腐蚀严重许多。与主缆两侧相比，主缆U和L部位钢丝的锈蚀较弱，腐蚀等级也基本为2级，钢丝表面覆满白色锌粉。这样的腐蚀规律与国外研究人员模拟和总结的主缆截面腐蚀规律基本一致。然而对于主缆侧面的钢丝锈蚀，顺风向（下游）较逆风向（上游）主缆侧面锈蚀更严重，因此建立该悬索桥实际主缆内部环境状况，如图7所示。主要是由于逆风向SL2部位处于背风侧且处于背阴面，相比顺风向SL1、SU1和逆风向SU2部位，SL2部位一直处于潮湿状态，导致该部位腐蚀更严重。
图6主缆内部环境状况
图7某悬索桥主缆内部实际状况
为进一步研究该桥主缆截面的钢丝径向锈蚀分布规律，截取了锈蚀严重的D处长约1.8 m的全截面19股共计1729根主缆钢丝。在实验室内将全截面钢丝束按原桥设计的钢丝束排列位置重新排列、紧缆，参考534号报告和手册，将主缆沿径向分为3层即L1、L2、L3，并沿主缆截面30°、60°方向进行楔开，分为8个楔开区域。记录钢丝锈蚀程度，建立腐蚀截面图，如图8所示。由图8可知该截面处，主缆腐蚀分布在最外层L1比较严重，L2次之，L3最弱。在整个主缆截面，4级钢丝占57%，3级钢丝占17%，2级钢丝占26%。对于主缆Section3—Section6部位的钢丝，与上述建立主缆实际内部环境图所描述一样，该部位长期昼夜潮湿，导致腐蚀程度较其他位置更严重。
图8 腐蚀截面图
伴随着我国大跨悬索桥的大规模建设，对悬索桥主缆的检测，包括外观、钢丝腐蚀状况、主缆力学性能等的需求将会逐步增大。有必要学习国外先进理念和经验，结合对我国大跨悬索桥实桥的检测与分析，建立符合我国大跨悬索桥特点与需求的主缆检测规范。选取具有代表性的某在役悬索桥，对其主缆的外观和钢丝腐蚀情况进行了系统性的观察和分析，得到如下结论：
主缆钢丝腐蚀轴向分布情况，说明结构设计缺陷和环境作用是导致主缆某些位置钢丝腐蚀的主要原因；
对主缆的现场内部检查，发现主缆沿径向由外到内钢丝的腐蚀程度依次降低，沿纵向钢丝腐蚀程度呈分段变化，建立了某位置处主缆内部实际环境状况图；
建立了某位置处主缆钢丝沿径向的腐蚀截面图，4级钢丝占57%，3级钢丝占17%，2 级钢丝占26%。主缆腐蚀钢丝等级L1层大部分为4级，L2层为3级和2级，L3层为2级。
建议统计钢丝锈蚀深度、锈蚀面积并开展钢丝拉伸试验，增加钢丝性能退化的定量评判依据，对已有钢丝腐蚀分级进行优化补充，建立更加详细的腐蚀等级。进一步分析钢丝腐蚀程度和力学性能之间的关系。可进一步模拟环境条件，比较新钢丝加速腐蚀试验下的钢丝力学性能衰退规律与服役后钢丝的情况，深入分析环境因素对钢丝腐蚀规律的影响。
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知识点：在役悬索桥平行钢丝主缆检测的现状分析及思考
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只看楼主 我来说两句 抢板凳建议统计钢丝锈蚀深度、锈蚀面积并开展钢丝拉伸试验，增加钢丝性能退化的定量评判依据，对已有钢丝腐蚀分级进行优化补充，建立更加详细的腐蚀等级。进一步分析钢丝腐蚀程度和力学性能之间的关系。可进一步模拟环境条件，比较新钢丝加速腐蚀试验下的钢丝力学性能衰退规律与服役后钢丝的情况，深入分析环境因素对钢丝腐蚀规律的影响。
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