桥梁缆索、拉索病害成因及对策分析

随着大跨度斜拉桥的日渐兴起，斜拉桥、缆索桥已经成为大跨度桥梁设计选择的主要形式。因此，斜拉桥、缆索桥的养护与维修已经成为当下研究的主要课题。

缆索、斜拉索的主要病害及成因

1 化学腐蚀

腐蚀是造成斜拉索、缆索损坏的主要原因，斜拉索、缆索的腐蚀伴随着斜拉桥的整个使用寿命。当拉索的使用时间增加，由于磨损、外界腐蚀介质的侵蚀、物体的碰撞、拉索振动引起保护套的疲劳等原因，PE橡胶护套不可避免的会出现大量的微孔和裂纹，从而不能有效地隔绝空气、雨水等。这些物质进入护套，容易在钢丝表面形成水汽，对斜拉索、缆索造成长期的电化学腐蚀。

2 拉索疲劳

在动力荷载、风荷载、温度荷载、温度梯度荷载以及地基沉降等因素的影响，拉索的应力处在不断变化的状态当中。活荷载引发振动、桥面线型的短期变化更加剧了斜拉索应力的变化幅度。在长期不断反复变化的应力作用下，斜拉索因疲劳而强度下降。对于拉索这种高强材料，强度越高、疲劳造成的影响越大。遭腐蚀后的斜拉索其抗疲劳性能也会显著降低。

3 钢丝断裂

    拉索索杆内部锈蚀

钢丝断裂是斜拉索、缆索腐蚀、疲劳后的直接后果。对于斜拉桥拉索，一定数量的钢丝出现了断裂，该斜拉索即判为失效。斜拉索失效会影响斜拉桥整体结构受力，对于斜拉桥主梁的线型有很大影响，更会引发索力的重新分布，导致索力不均。部分斜拉索应力超过了其设计强度，严重威胁着斜拉桥的安全性。

4 施工及养护不当

施工质量直接影响到斜拉桥、悬索桥的使用寿命，材料克扣、强度不达标严重影响了斜拉索的质量。施工安装过程中，切口、刻痕、套筒搭接不良、钢丝对接失败、滑丝等都直接缩短了斜拉索的使用寿命，导致不得不更换斜拉索。

5 索力松弛退化

通过ansys对斜拉桥索力进行非线性有限元分析，单根索力的退化会直接影响到其他斜拉索索力的分布，对斜拉桥整体结构的内力产生影响。其主要原因有腐蚀疲劳造成的钢丝强度下降、断丝；温度造成的不均匀变形引发的损伤，致使斜拉索发生不同程度的退化；斜拉索锚固系统的松动；施工过程中高程控制出现偏差，使结构受力偏离设计值；以及地基沉降、地震、暴雨、台风等的影响。

6 斜拉索风振失效

大跨度斜拉桥结构的刚度相对较低，在风力作用下变形较大，容易产生振动。如果在设计时对结构阻力的抗力或者刚度考虑不足，则结构在风的作用下会产生抗风滑动或者较大的变形。此外，结构需要考虑足够的上升力。不然则会在支点附近产生负反力，使结构破坏。

斜拉索作为柔索构件是斜拉桥构件中最易产生风振的构件。其中，涡振、尾流干扰驰振以及当前最被重视的风雨振是斜拉索风振的主要形式。大跨度斜拉桥斜拉索在风力的动态效应作用下，有时会由于斜拉索的大幅振动导致斜拉索失效，这会产生致命后果。目前，斜拉索的风振病害处理已经成为重要的科研课题。

针对斜拉桥、悬索桥拉索病害的对策

1 加强日常的检查与养护

严格按照规程对斜拉索、缆索进行日常的检查，包括索套、减震系统、锚具和钢索。定期对斜拉索、缆索使用设备进行数据的采集以及分析，确定其各项指标控制在安全线以内。发现问题应及时按照规范，采取适当的措施进行处理。常见的检测设备如PG-17-30型爬索检测机器人，可以对索杆、拉索护套和外观锈蚀进行检测。

PG-17-30型斜拉索、缆索检测机器人

近年来，我国对光纤应变监测传感技术进行了大量的研究。在未来的桥梁建设中，光纤传感技术的应用将会做到斜拉索、缆索索力的实时监控。不仅为维修保养提供了可靠的数据，更能及时处理可能出现的故障，保证了斜拉桥的安全运营。

2 对于斜拉索、缆索外形的研究

对于风力、风速、降水等不可变的因素，研究更为合理的斜拉索、缆索外形，减少因风荷载、雨水流动引起的斜拉索震动。在使用过程中，因风力作用引起的漩涡共振、雨水沿拉索下流引发的振动是不可避免的。因而，可以研发更为合理的拉索外形。将表面光滑的防护套管做成带矩形凸起或者V型凹槽，以防止拉索下空气涡流的形成，设计出更为合理的雨水下流水道，将风荷载、雨水下流引起振动的影响降到最低。

3 对于斜拉索、缆索以及防护套管新型材料的研究

现今的材料发展对于桥梁发展的影响是巨大的，高强、轻型材料的研发使用直接增加了桥梁的承载力和跨径的大小。斜拉索、缆索的腐蚀直接影响着斜拉桥的耐久性和安全性，直接关系到桥梁的运营安全。目前，采用的以工业化热挤高密度聚乙烯防护套为核心的斜拉索、缆索防腐技术还需不断改进和完善。相信随着材料技术的不断发展，符合更高要求的斜拉索防腐材料将会开发运用。同时，拉索复合材料的研究也将研发出强度更强、更耐久、更耐腐蚀的新型材料。

4 改变斜拉索、缆索的整体空间结构

随着世界的发展，独塔无背索斜拉桥、不规则索面的研究建设已经成为了未来发展的主题。其独特的造型、合理的结构受力已经得到广大桥梁设计者的青睐，可通过改变拉索的空间结构以达到抑制拉索震动的目的。单根拉索索力的退化致使索力的重分布依然均匀，相信通过不断地研究，优化拉索的空间结构可以做到这点。

5 研究设计增加斜拉索、缆索的抗风措施

拉索发生风振的风速相对较低，完全避免很难做到 但是在大跨度斜拉桥、悬索桥的设计中，必须充分考虑拉索抗风设计。常见的是在拉索与主梁或塔柱接触处安装阻尼器及在斜拉索面内增加减振索。为了防止拉索发生严重的风雨振，我们可以在拉索护套表面设置导流纹路，改善其在雨中的空气动力效应。随着高阻尼材料的进一步发展，可以在拉索的护套上采用高阻尼材料(如低弹模高阻尼橡胶、粘性剪切型阻尼减震器等)，这样可以大大减小风的动力特性。

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