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[原创] 【技术】拉索桥缆索的检测与评估 [复制链接]

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yaqin 发表于 2018-1-15 11:39:26 |显示全部楼层 |          |
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拉索桥包括悬索桥和斜拉桥。为了保证这些大桥的安全性和耐久性,在大桥服役过程中,定期检测和维护是十分重要的。

对于悬索桥和斜拉桥的检测、维护是十分复杂的,因为缆索和多层钢丝可达数千米,其中大多并不容易被看到和接触到。缆索和缆索支撑系统性能的整体情况,只能通过有限的检测数据得出。对检测数据进行彻底的评估,并增补足够的钢丝抽验试验,对于结构安全决策十分重要。

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纽约威廉姆斯堡大桥在检测中曾被发现钢丝的最外侧锈蚀非常严重,评估结论是缆索安全系数非常低,建议对缆索进行更换。路易斯安那州庐陵斜拉桥也曾发现钢丝大量锈蚀及其他部件损坏,导致缆索更换,当时这座大桥仅仅服役24年。如今,我们有了更好的检测技术、评估方法、取样程序和测试设备,能够更彻底地确定服役缆索的安全承载力。本文将讨论定期检测、评估、抽样试验和及时养护,对拉索桥保持“良好养护状态”的重要性。


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美国的悬索桥

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纽约的悬索桥


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美国纽约拥有大量的悬索桥,其中许多大桥在竣工时都创造了主跨最长的纪录。这些大桥都经历了长时间的侵蚀和磨损。为了保证公共安全,多年以来,这些大桥也都经历了检测、评估、维护、维修和复原。为了提高运营和维护规划,这些大桥也都经历了无数的研究、调查和试验。下面的表1将展示纽约10大悬索桥的一些重要数据。


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表1 纽约10大悬索桥

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深入检测包含,在选定区域通过嵌入法打开缆索,对内部的钢丝状况进行检测和评估。现行的检测实践存在一些局限性,日常的检测只能做到缆索外部的可视化检测。美国联邦公路局出资赞助了一个旨在提高曼哈顿大桥腐蚀监测系统的研究,该系统通过实验室测试和实地仪器,对悬索桥主缆进行腐蚀监测。

研究项目在大学进行,由RaimondoBetti教授领导,Parsons交通集团和美国物理声学公司共同合作完成。该研究项目的结论和建议刊发在了美国联邦公路局出版的名为“纽约大桥的腐蚀监测研究”的刊物上。我们可以通过学习,在检测、评估和养护方面实践的研究报告得到一些宝贵的教训,来确保纽约悬索桥的安全并延长其使用寿命。

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金门大桥和奥克兰海湾大桥

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旧金山-金门大桥

跨越金门海峡的一座桥梁最初是在1872年提出的,但建造工程直到1933年才开始建设。用了四年的时间来修建这座桥梁,项目总成本达3500万美元。来到旧金山的国际游客都知道这座橙色的金门悬索桥。


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旧金山-奥克兰海湾大桥西段

旧金山-奥克兰海湾大桥在当地称之为“海湾大桥”。海湾大桥是高架桥,是80号州际公路的一部分,全长7.2公里,连接旧金山、耶尔巴·布埃纳岛和奥克兰。该高架桥由悬索桥、隧道(经过耶尔巴·布埃纳岛)、悬臂结构和桁架构成。旧金山到耶尔巴·布埃纳岛一段被称为“西段”。

西段的悬索桥被称为“西湾吊桥”。“西湾吊桥”是双层结构,由两个独立的悬索桥组成,连接于一个中心锚固。设计者选择了两座悬索桥和一座整体式混凝土桥墩作为中心锚固,以解决深水和软土地基的问题。2004年,通过增加新钢板的形式,用近100万根高强度螺栓替换了原先的50万根铆钉,使桥身得以加固,也改善了其抗震性能。并对桥墩进行了混凝土防护套浇筑,塔脚和基座之间也通过安装额外锚固螺栓进行了连接。

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旧金山-奥克兰海湾大桥东段海湾大桥从耶尔巴·布纳岛到奥克兰的这一部分被称为东段。东段的悬索桥一般称为新东跨自锚式悬索桥或简称SAS。1989年发生的洛马-普雷塔大地震,损坏了东段的部分桥梁。加州运输部(Caltrans)决定,采用最安全、最具成本效益的解决方案,全面更换海湾大桥东段。替代结构将最先进的科技融入到了抗震设计中,使桥能够抵御8.5级地震。

为了建造一座标志性的单塔悬索桥,设计师们提出了单塔自锚式悬索桥(SAS),它是世界上最长和最宽的自锚式悬索桥。但这并不是最具成本效益的结构,因为在结构完成之前自锚式悬索桥不能自我支撑,必须建立一个支撑自锚式悬索桥的临时结构。自锚式悬索桥完工以后,临时桥梁将会被拆除。但是,人们愿意为此接受较高的造价。

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表2 金门大桥和旧金山-奥克兰海湾大桥关键信息

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SAS的设计寿命为150年,特别注意耐久性、可检测性和可维护性。为方便对易磨损部件进行更换,大桥也预备了备件。该设计的抗震特点,能够使桥梁承受大地震而不倒塌。该塔由4条通过剪切连接梁连接的腿组成,用以吸收地震中受到的冲击,并防止其对主体结构的灾难性损坏。如果需要,在大地震之后,连接梁可以拆除并用新的连接梁替代。

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塔科马海峡大桥的经验教训

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位于华盛顿州塔科马市的塔科马海峡( T a c o m aNarrows),从南北隔开塔科马市(Tacoma)和奥林匹克半岛。海峡流急水深,是建造大桥的绝佳位置。风、潮汐和水深成为建造跨海峡大桥所需面对的挑战。1938年,华盛顿州高速公路管理局(WSHD)代表收费桥梁管理局(TBA)设计了一座横跨塔科马海峡的悬索桥,其主跨和边跨分别为793m和392m。上部结构由11.9m宽的桥面板和6.7m高的加劲桁架组成。

在征得公共工程管理局(PWA)的同意后,TBA对WSHD的设计进行了独立审查。评审委员建议对设计进行重大修改:主跨延长至853m,侧跨缩短至225m,并弃用加劲桁架,改用仅为2.4m高的实心板梁。TBA接受了这些建议并做出相应的修改。大桥始建于1938年11月,历经19个月完工,于1940年7月16日通车。

在施工过程中,桥梁会因风而上下摆动。建筑工人因此戏称此桥为“舞动的格蒂”。为控制垂直位移,大桥安装了减震器和紧固装置,但效果并不明显。大桥通车后,振荡持续发生。0.5m到1.5m的上下移动非常常见。为此,工程人员采取了几项措施,均没有效果。1940年11月7日清晨,一阵强风以每小时68千米的速度袭向大桥,造成大桥产生剧烈的上下晃动和左右摇摆。上午11时许,大桥发生坍塌。


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表3 塔科马海峡大桥关键信息


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经过10年的调查、研究、规划和延迟,1950塔科马海峡大桥利用原来的桥墩和锚固进行了重建,并于1950年10月14日通车。为了满足日益增加的车辆交通需求,在1950塔科马海峡大桥旁边修建了一座2007塔科马海峡大桥,该桥于2007年7月16日建成通车。

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经验教训:在规划建造一座新的、具有创新性的桥梁时,要谨慎而彻底地进行勘测、研究、调查、分析、计算机运算和物理模型测试。在进行最终设计和施工之前,必须进行空气动力学和流体动力学测试,以验证和(或)保证桥的稳定性、耐久性和长期性能。

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主缆检测与评估指南

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以下三本出版物将提供对拉索桥缆索的检测、评估和养护方面的指导和建议。指导意见通过记录检测和举例的形式,对书中的基本原则进行补充。

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1. 国家公路研究项目报告534《悬索桥平行缆索检测与强度评估指南》
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为了满足发展缆索检测、抽样、测试指南和开发预测腐蚀缆索强度的模型的迫切需要,这篇报告在国家公路合作研究项目下进行研究。不可靠的检测和评估方法会导致不必要的缆索更换或意外的损害。悬索桥业主和主缆检测师将对报告中提到的材料产生兴趣并加以使用。


% U+ n5 E$ f3 c! ~$ }2 I/ c' g2.美国联邦公路局刊物《悬索桥索缆的检测与强度评估入门》
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这本入门是国家公路合作研究项目534的实用性补充。作为一本资料源为从事悬索桥索缆检测、冶金试验和强度评估的从业者服务。这本入门为检测员、技术人员和工程师提供了一些必备的表格和信息,这些表格和信息是他们在实施和准备检测、评估和强度测试时所需要的。实地检测员、技术人员、实验室人员、桥梁工程师和大桥业主,应该对该入门感兴趣并加以采用。


% P; p% l$ ]! A$ R; g2 @; y  K7 g- i2 s2 t3.国家公路合作研究项目353《斜拉索体系的检测与养护》7 ]8 t9 k; }. {. w2 H

这篇综合报告确定并阐述了多种检测和养护技术,涵盖了检测和评定方法、无损探伤和评估规程、加固与维修、由风雨引起的缆索震动控制方法、斜拉索疲劳与裂缝以及多种检测与维护方法的有效性分析。检测员、技术人员、工程师和大桥业主,应该对该报告感兴趣并加以采用。

拉索桥的最大问题是主缆钢丝锈蚀。造成锈蚀的原因是因为缆索内部水或者是潮湿的空气造成的。水分通过包装材料、附着层、管道、接缝破损以及涂层、防护套或密封件裂缝进入缆索内部。

在施工过程中,潮湿的空气可能被困在缆索的孔隙中,冷凝在钢丝上造成锈蚀。冷凝问题最好的解决办法,是通过安装除湿系统把干燥的空气压进缆索内,并把潮湿的空气排出。定期检测、勤评估和及时的维护,对于保证索缆系统的结构完整性和水密性,以及保持拉索桥的安全性、耐久性和高效性,是最划算的方式。

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