美国纽约地区悬索桥主缆内部检查

纽约地区悬索桥主缆系统的检查结果显示:在主缆和锚碇上有许多损坏的钢丝束,表现出脆性裂纹,某些情况下有显著的截面损失。

这种情况不能归因于应力过大,因为在桥梁建设时期,安全系数系数为4. 0，应力水平相对低。

近期的悬索桥主缆的安全系数按极限破坏强度的标准分类,通常大致取2. 5 ,并有进一步减少到2. 0的趋势。

在有害(腐蚀)环境和持续循环荷载的累积疲劳影响下,这种低安全系数的取值对钢丝束强度的残余应力和破坏强度的影响变得更加重要。

在悬索桥主缆中出现的破坏钢丝束和钢丝束延性的丧失尤其受到关注。

它们表明:主缆的强度损失率远远大于仅由钢丝束横截面面积损失推出的破坏率。

它们也表明假设钢丝束材料为完全延性,通过累加所有钢丝束的强度来计算主缆强度的通常计算方法过高地估计了桥梁的安全度。

短期强度对于钢丝束长期的耐久性是不够的。

对于使用期限为67～115年的6座悬索桥可以通过查看各种检查资料和维修报告来分析主缆系统的状态(主缆,锚碇,吊索和锚杆) 。

建造时的实际平均钢丝束强度高于指定的最小强度,因此主缆实际强度要高于设计强度。

在主缆破坏率的实际研究中,钢丝束强度和延性要用实际的原始数据,而不是指定的数据。

检查中最主要的发现是在主缆中心有钢丝破断。

通常主缆损伤模式是外层钢丝束损伤严重、损伤钢丝数多,越往里层损伤程度越轻。

追究原因是制造和施工的影响,主缆内部受到挤压损伤没有更换。

目前,主缆的实用检查方法包括打开主缆,用工具插入,暴露主缆的深层,然后记录下损伤的钢丝束数和各种腐蚀等级(1 ,2 ,3 ,4) 。

FHWA指导章程(FHWA - IP- 86 - 26)将钢丝的腐蚀等级分为4级。

可以确切地说钢丝束实际的损坏数目和腐蚀等级X(1 ,2 ,3 ,4)的数目,要大于钢丝束检查时实际观察所得到的。

在给定主缆的固定位置所定义的损坏数目,将用于计算主缆的残余强度。

腐蚀和损坏的钢丝束是主缆破坏的前兆。

如果检查出现钢丝断裂,为了确定主缆的残余强度,工程师必须作如下估计: ①沿主缆给定的固定处(如前所述)每单元长度的平均断裂钢丝束数目nb; ②破断钢丝的箍紧长度Lc,即从断裂点到破坏钢丝束重新产生的最大强度点之间的距离。

这依赖于几个因素,最重要的是主缆的挤压和钢丝束缠绕产生的摩擦力及索夹的质量和螺杆的张力水平。

已经对加速循环腐蚀作了一些研究,哥伦比亚大学仍然在进行这项研究,以便得到高强度钢桥钢丝束材料破坏时一般性腐蚀、裂纹腐蚀和氢脆性对高强钢丝强度的有关影响。

从有关文献中可以发现氢的确吸蚀腐蚀过的钢丝束,而且对人工破坏的镀锌钢丝束的腐蚀远大于未镀锌的钢丝束。

极限应变测量表明腐蚀导致脆性增加,延性迅速降低(从6. 5 %～7 %降到2 %～2. 5 %) 。

以上结论已被断裂形态所证实。

既有悬索桥受腐蚀后的钢丝束常幅疲劳强度远低于新建悬索桥钢丝束的疲劳强度。

在本次研究桥梁中所抽取钢丝束的各种疲劳实验似乎与此正好相反。

因此可以表明在同一主缆上,表面的腐蚀程度对疲劳强度的影响很小,可以用以下推测来解释:疲劳强度受钢丝束腐蚀程度的影响不大,而主要是受从表面观测不到的氢脆性现象影响。

在锚碇处,腐蚀问题更易出现。

由于锚碇处的丝股和锚杆是悬索桥主缆系统的最低部分,很易积水,因此是悬索桥最薄弱的部分。

而且,由于它低于行车道,常常受到从路面上渗漏的污水侵蚀。

在历史上,这曾成为锚碇处丝股破坏的重要原因。

从纽约地区悬索桥主缆的调查研究中,这些悬索桥主缆结构已经开始损坏。

如果不采取措施,主缆损坏率将会随时间继续增加。

建议对每一座悬索桥建立一个养护维修系统。

应注意的是,目标应放在积极的预防,而不是消极的弥补。

由于悬索桥具有以下2个特点,有必要制订悬索桥的养护维修计划:
①悬索桥结构损伤变化不能由临时观测得到,必须长期跟踪观测; ②这种结构的连续失效有极大的危险性。