桥梁索缆结构安全性耐久性评价体系与维护技术-交通科技管理中心.DOC

桥梁索缆结构安全性、耐久性评价体系与维护技术 报告简本 研究目的 近年，我国建造了大量的斜拉桥及悬索桥。斜拉桥的拉索和悬索桥的吊索（杆）作为主要的传力构件，其自身的安全性和耐久性对桥梁的整体性能有很大影响。已有数座使用中的桥梁发生过断索事故，造成惨重的经济损失和人员伤亡。如何正确评价斜拉桥索缆与悬索桥吊索（杆）及其锚固体系的安全性、耐久性，以对其进行及时的维护和更换，已成为桥梁管理部门和工程技术人员十分关注的问题。同时，在新桥的设计中考虑保证其耐久性的相应的措施并兼顾养护管理的需求也十分必要。西部地区气候多雨高寒、地质状况复杂，索缆体系的安全性、耐久性问题更为突出并有其特殊性，因此，有必要对危及安全性、耐久性病害的成因机理、评估方法、检测养护和维修技术、设计理念的进行研究。 本项目的主要研究目的在于：建立桥梁索缆评价体系、养护管理技术和设计理论方法，研究保证桥梁结构安全性与耐久性的对策，开发可检查式索缆及锚固体系，编写相关的技术指南，直接为桥梁工程服务，并为西部培养桥梁工程建设和维护管理的专业人才。 项目研究分为以下8个专题：(1) 已建桥梁缆索及锚固体系安全性和耐久性存在问题调研；(2) 桥梁索缆结构安全性与耐久性评价体系研究；(3) 缆索及锚固体系检测技术研究；(4) 提高桥梁索缆结构安全性与耐久性的对策研究；(5) 提高桥梁索缆结构安全性与耐久性的设计方法研究；(6) 缆索体系的养护、更换与管理技术研究；(7) 可检查缆索及锚固体系的研制开发；(8) 研究成果的工程应用。 研究成果 桥梁缆索及锚固体系安全性和耐久性病害调研及分析 本专题报告详细介绍了国内外斜拉桥索缆体系的结构，对其中防腐体系进行了深入的调查和研究。在对诸多斜拉索的病害调研过程中，尽可能全面地汇总了每座桥的设计信息、使用寿命、病害现象和病因分析，建立了详细的图表资料。对可能引起拉索病害的每一个环节都进行了分门别类的详细讨论。将在实际工程中已经发生过的一些病害影响因素和可能发生的影响因素都一一列出，并进行了病因分析。 研究发现拉索的安全性和耐久性涉及诸多因素的共同影响，不能简单地用单一因素来一概而论。本研究本着铺开成面、深入一点的原则，对现行使用较多的高密度聚乙烯（HDPE）护套进行了深入的研究（图1-3）。 图1 拉索病害－索丝锈蚀、PE保护套开裂 图2 拉索打盘储运、损伤 高密度聚乙烯属于高聚物，不同于土木工程专业内其他的一些材料，它属于粘弹性体。它的力学行为不仅依赖于应力－应变关系，也依赖于时间和温度，并且和环境等有着密切的联系。本研究从最根本的应力－应变关系出发，逐步将时间和温度的影响纳入到计算模型中，最终建立了关于时间、温度、应力和 图3 不良施工方法对拉索PE护套的损害 应变的力学模型。在此基础上，对贮运阶段拉索必不可少的打盘、开盘的过程进行了详细的粘弹性力学分析，对不同层次的贮运环境进行了类比。还对施工环节中可能出现的对拉索的短促施力过程进行了模拟，用该模型算出了在气温变化的情况下，HDPE的表观弹模的变化，并通过国外类似的试验进行了验证。最后得到了以下结论。 （1）拉索在打盘和开盘时的速率是影响拉索在开盘后上桥张拉时HDPE初始应力的主要因素。单圈打盘和开盘速度与拉索安装到位后的初始PE应力之间存在着正比关系。即打盘速度和开盘速度越快，初始PE应力越高。 （2）拉索的贮运时间和最后拉索安装到位后的初始应力关系不大，在正常温度下，一般贮藏十天以后拉索的PE层已经把应力松弛干净，后续的时间长短对初始应力并无多大关系。但是如果贮藏温度过低，加上在贮运过程中发生了磕磕碰碰，导致拉索护套发生了初始损伤的话，那么这段时间很可能会发生持续低应力开裂现象。即使在几个月的时间内，低应力开裂现象并没有发生到宏观开裂的地步，也会造成银纹的出现，这对于拉索护套的耐久性极为不利。很有可能在拉索正常工作的1、2年内，初始损伤和疲劳应力的共同作用即会造成HDPE的宏观脆性开裂。 （3）计算结果显示拉索的PE层并非处于无应力状态，而现行对拉索的评估都是以PE无应力假设为前提，这显然与实际情况不符。由于应力是老化的重要影响因素，所以仅用试验室中得到的PE材料老化寿命来作为实际拉索PE的寿命期会使对老化寿命的评估偏高。本研究还进行了HDPE材料的疲劳老化试验。 （4）施工过程中的拉拽牵引，经常使拉索护套PE层承受很大的应力，这些应力可能在弹性范围以内，也可能超过了弹性极限但是持续的时间较短。如果综合考虑温度对PE的影响，那么PE材料所受的应力很有可能会达到常温下的2倍左右，对应于常温的时间也大大增加。所以若是在天气寒冷的地方施工，建议把拉索的施工速度放慢，并且最好对拉索进行包裹保护，等到该施工工序结束，拉索最终受力稳定后再把临时包裹PE的保护层除去