幾乎所有的服役橋梁，其拉索都存在不同程度的病害。眾多橋梁由於管養不善，導致拉索病害日益發展。相當一部分建成後短時間內出現嚴重的問題，不得不提前大修，甚至提前換索，浪費極大。此類結構隱患，致使結構垮塌也屢見不鮮，嚴重威脅著工程及人民生命財產的安全[1]。
橋梁拉索常見的病害有：下端預埋管水患與拉索（索體與錨頭）腐蝕、HDPE護套老化與應力開裂、拱橋短吊杆問題、拉索風雨激振、懸索橋主纜系統腐蝕等。
腐蝕是影響拉索壽命的主因
下端預埋管水患
下端預埋管水患是指斜拉橋、拱橋、懸索橋等梁端預埋管，因水或水汽造成拉索索體與錨頭腐蝕的病害。一般來說，預埋管水患是雨水直接流入預埋管內浸泡拉索與錨頭，或因預埋管處的密封性缺陷，大氣中的潮溼空氣進入預埋管內後，造成預埋管內潮溼度升高，或冷凝積水。下端預埋管水患是最為普遍存在的現象，也是影響橋梁拉索使用壽命與安全的最大威脅。
下端預埋管水患的形成主要原因有：
下端防水罩存在質量問題，或因未及時維修、未按要求施工導致其喪失防水功能，雨水直接流入預埋管內，浸泡拉索與錨頭。以往的設計理念認為，下端預埋管應設置排水構造。然而，實踐經驗告訴我們，排水孔長期使用後，堵塞嚴重，無法排水。例如福州青州閩江大橋80%以上的下錨頭發現下雨後都有積水[1]；柳州文惠橋自建成後，水長期浸泡下端錨頭，梁底長期滴水，不到10年時間形成35cm長的鐘乳石狀結石[1]；泉南高速公路南寧六景大橋積水充滿整個預埋管；瑞典烏德瓦拉橋（UddevalaBridge）也是不斷有雨水進入下端錨頭[4]；南昌八一大橋因防水罩失效，下端預埋管內長期潮溼度高，造成斜拉索下端錨頭銹蝕嚴重，2009年全面換索；杭瑞高速公路九景段鄱陽湖大橋也因防水罩失效，下端預埋管長期積水，後經系統、專業技術養護，拉索得到有效保護。其中，鄱陽湖大橋通過專業技術養護有效延長拉索的使用壽命，保證橋梁的使用安全，對結構管養啟示頗多。
a 柳州文惠橋下端積水
b 瑞典烏德瓦拉橋下端錨頭進水
圖1 拉索下端預埋管水患
HDPE護套老化與應力開裂
HDPE（高密度聚乙烯）護套主要功能是防護拉索。上世紀80年代，自廣州海印大橋斜拉索採用HDPE護套後，我國開始在平行鋼絲類拉索上大量應用。之後幾年，業內人士發現，拉索HDPE護套與電纜的護套完全不同，拉索的HDPE護套在使用後的短短幾年內就出現嚴重的老化和開裂。雨水進入拉索內部，造成拉索鋼絲鏽蝕。橋梁拉索HDPE護套之所以較電纜護套更容易老化與應力開裂，排除材料、加工工藝等等因素外，最根本的原因就是橋梁平行鋼絲拉索的結構特點。當拉索掛索張拉後，HDPE護套隨索體受力伸長，HDPE護套長期處在3～5Mpa以上的應力狀態下工作（如果HDPE護套加工冷卻不當可達9Mpa）。平行鋼絲拉索的構造及HDPE護套的受力狀態如圖2所示。
圖2 平行鋼絲拉索構造
HDPE護套老化的特徵是護套表面出現不規則的網狀裂紋，HDPE材料延性、機械強度等力學性能指標大大降低。影響HDPE護套老化的因素一般與材料的性能、擠塑成型工藝（加熱溫度、 加熱時間、冷卻方式與冷卻時間）、使用環境（紫外線強度、雨水衝淋、腐蝕、內應力）等有關。
HDPE護套開裂的特徵是護套環向應力開裂，HDPE材料延性、機械強度等力學性能指標沒有明顯下降。影響HDPE護套環向應力開裂的因素與影響老化的因素基本相同，但最主要的因素是材料的耐環境應力開裂性能、內應力的大小和紫外線的強度。HDPE護套的老化與應力開裂一般從迎光面開始。
提高拉索HDPE護套使用壽命可採取以下方法與措施：
1.不同的HDPE材料，其耐環境應力開裂性能指標迥異。一般來說，HDPE材料應力開裂性與其環境應力開裂性能指標正相關。然而，由於認識不足，我國早期的橋梁拉索標準要求HDPE材料耐環境應力開裂性能僅為1500h。工程經驗證明，橋梁拉索用HDPE材料耐環境應力開裂性能應達到5000h以上。
2.HDPE護套在熱擠塑成型冷卻時有殘餘的內應力，正常使用時受到拉應力。高分子材料在長期連續拉應力及環境因素的作用下，聚合物分子的結合能力下降，分子結合鍵斷裂，應力開裂。環境應力開裂試驗證明[1]，當應力水平降到一定程度時，高分子材料開裂時間理論上趨向持久極限、永不開裂。天津永和公路大橋，其斜拉索PE護套在無張拉應力狀態下使用20年也未開裂和老化。實際工程已證明，單元式鋼絞線類型的拉索，大、小HDPE護套在無粘結和半無粘結狀態下工作，服役30年以後，也未發現HDPE護套環境應力開裂。因此，如果條件允許，橋梁拉索使用的HDPE材料應避免與結構參與共同受力。
3.HDPE護套損傷就是一個潛在的開裂源。所以，應做好應有的防護措施，避免在生產、運輸、安裝等過程中損傷HDPE護套。目前，大多數的HDPE護套損傷後都採用二次熱熔修補。我們已經知道，HDPE材料二次熱熔其性能有較大的下降，所以，修補後的HDPE護套更易老化，更易開裂，開裂時間會更短。如果條件允許，建議採用纏包方法修復HDPE護套。
4.紫外線的照射會加速HDPE護套的老化與應力開裂。採用纏包方法不僅可以修復受損的HDPE護套，更可以隔離紫外線、雨水和腐蝕性氣體對HDPE護套的浸蝕作用，實現HDPE護套與索體同等壽命。現役橋梁，如果HDPE護套出現老化與應力開裂的問題，在未產生開創性裂紋時，纏包修復是行之有效的辦法。
拱橋短吊杆問題
對於中（下）承式拱橋來說，橋面系及荷載是通過吊杆承受的。當溫度變化時，橋面系將產生縱橋向的縱向位移，吊杆擺動。一般來說，拱圈端吊杆是固定不動的，吊杆擺動量與橋面系的縱向位移、吊杆的長度有關。橋面系的縱向位移量越大，吊杆的長度越短，吊杆的擺動角度就越大。此時，吊杆的附加應力就越大。宜賓小南門金沙江橋2001年部分橋面垮塌就是因短吊杆斷裂造成。吊杆斷裂時為凌晨溫度最低點，橋面縱向位移量大，短吊杆的附加應力也大。邕寧邕江大橋短吊杆擺動明顯，可以看到，短吊杆的擺動已造成吊杆破損、拱圈混凝土迸裂。拱橋設計規範沒有明確規定短吊杆的設計要求，目前也沒有更多的實驗數據。一般原則是：
1.短吊杆極限擺動造成吊杆的總應力水平不應超過0.5σb。
2.結構條件允許的前提下，短吊杆應儘量設置長一點。短吊杆宜長不宜短。
3.短吊杆宜採用柔性吊杆，避免用剛性吊杆。
4.短吊杆儘量設置可擺動的球形鉸，減小橋面系縱橋向位移時，吊杆的附加應力和安裝時消除施工誤差。
拉索風雨激振
橋梁拉索由於質量、剛度和阻尼都較小，易發生振動。尤其是在風雨共同作用下拉索發生大幅度風雨激振的概率較高。我國南京長江二橋、湖南洞庭湖大橋的斜拉索曾經發生過較大的風雨激振。
由于振幅大、破壞性大，斜拉索風雨激振嚴重威脅斜拉橋的安全，已經成為大跨度斜拉橋設計中最為關注的問題之一。然而，橋梁拉索風雨激振的機理目前尚未能完全解釋，有水線馳振、渦激振動、軸向流等理論。有學者歸納了斜拉索發生風雨激振的研究成果[5]：
1.大中小雨的情況都可能發生索振；
2.索振主要發生在外包包裹為聚乙烯套管的索上；
3.振動頻率為0.6～3.0Hz之間，一般為單階振動；
4.風速範圍約6～18m.s-1;
5.索振動主要是面內振動；
6.風雨激振中，索的運動呈現出「拍」的現象；
7.發生風雨激振的斜拉橋一般位於紊流不太大的地方:
8.索的運動引起水線在索表面的周圍振蕩，水線運動與索運動的方向相反。
抑制橋梁拉索風雨激振的基本方法與措施是：
1.改變拉索的表面形狀，來改善拉索空氣動力學特性。最有效的辦法是在拉索表面設置雙螺旋線或凹坑，阻止水線形成:
2.增加拉索減振阻尼裝置；
3.可將拉索之間用輔助索相互連接。
鋼絞線拉索,因每一根絞線的固有頻率不同,絞線與絞線之間的空隙形成相互的阻尼作用，發生大幅振動的概率很低。
懸索橋主纜系統腐蝕
主纜系統是懸索橋最重要的承載構件，由於它的不可更換性，必須與橋梁結構同壽命。然而，懸索橋主纜系統的使用現狀不容樂觀。據了解，我國幾乎所有的懸索橋主纜系統都存在腐蝕病害。國外懸索橋主纜也普遍存在主纜鋼絲腐蝕的問題[2]。美國紐約市運輸局的一份關於懸索橋纜索狀況的報告得出結論：由於腐蝕，紐約市區幾乎所有的大型懸索橋都存在強度損失的問題，主纜強度損失的範圍從微乎其微到35%[6]。
懸索橋主纜系統的基本構造如圖3所示。它由主纜段、散索段與錨碇段三大部分組成。
主纜段是由Φ5.2的多股高強鋼絲組成(PWS法)，塔頂處跨過索鞍，主纜裝有索夾通過吊杆（索）連接橋面系。主纜一般採用強度1670MPa以上級別的φ5高強鍍鋅鋼絲組成，緊纜後安裝索夾，塗防腐膩子，纏絲後塗外防護層。緊纜後鋼絲與鋼絲之間仍存在縫隙，按規定空隙率在索夾處不大於18%，在索夾外不大於20%。
散索段經過散索鞍（套）後分成單元索股，與錨碇連接件連接。
錨碇段已普遍採用新型的預應力式錨碇系統，一般由多股預應力束組成，張拉後通過連接板與主纜索股連接，可調可換。
圖3 懸索橋主纜基本構造
1.主纜段的主要病害：
①由於主纜鋼絲縫隙、索夾縫隙、索鞍縫隙的實際存在，懸索橋主纜已經是實際意義上的開放式主纜。水和氧氣可通過這些縫隙以及散索段處的鋼絲縫隙，暢通無阻地進入主纜鋼絲內部，實現交換，造成鋼絲生鏽。日本的因島橋、美國的多座懸索橋，均發現主纜內部有積水或潮溼度高，主纜鋼絲發生不同程度鏽蝕；
②懸索橋的主纜由於施工積水也會造成主纜鋼絲生鏽:
③外層防護膩子易於老化，開裂，脆化失效[7]。水和氧氣也可進入主纜鋼絲內部，造成主纜鋼絲生鏽。香港青馬大橋也出現過類似問題，塗層開裂，主纜進水[8]；
④索夾滑移而產生的不可恢復的縫隙，水進入主纜內部，造成主纜鋼絲生鏽。
2.散索段的主要病害：
目前，所有的主纜散索段索股只有簡單的防腐措施，索股鋼絲長期與水汽直接接觸。雖然有些橋設有除溼系統，但大部分懸索橋，尤其是早期的懸索橋和自錨式懸索橋，沒有設置除溼系統，主纜鋼絲長期在潮溼環境中使用。
①大型橋梁錨室空間龐大，除溼效果不盡如人意，很多錨室內溼度達不到預定指標，特別是索股內部的潮溼氣體難於排出。因此，應完善除溼系統的設計與配置，以期達到預期的除溼效果。
②隧道式錨碇，溼度大，水患嚴重。現役工程已證明，很難滿足溼度要求。
③除溼設備還須日常維修、維護與更新。要保持周圍環境相對溼度在60%以下，除溼設備須長期24小時不間斷運行，運行成本很高。筆者調查發現，很多橋梁，甚至是特大型橋梁，除溼系統形同虛設。
3.錨碇段的主要病害是水患：
①抽水系統未運行，或沒有抽水系統，導致錨碇積水或增大錨室潮溼度。
②沒有排水措施。尤其是隧道式錨碇，水量大，水浸泡錨碇。筆者認為如有需要，錨碇應設置排水系統。
③大多數現役橋梁，其錨碇前後錨面，都未設置有方便操作的檢修通道或構造，給日常維護和檢查帶來諸多不便。
新型的預應力錨碇系統，由於採用全防腐可更換式結構，其防腐性能、安全性能有了本質性的變化。
a 錨碇前錨面積水
b 沒有檢修通道檢查不便
圖4 錨室積水
橋梁斜拉索工程病害案例
廣州海印大橋斜拉索斷裂事故
1.概況
廣州海印大橋為鋼筋混凝土雙塔單索麵斜拉橋，主橋跨徑175m，橋面寬35m，共有斜拉索186根，如圖5所示。1988年建成通車，斜拉索灌注水泥砂漿防腐。
1995年5月15日7時15分許，該橋南塔邊跨西側15號索突然斷裂墜落。幸未傷及車輛與行人。1995年12月14日已全面換索。
圖5 海印大橋
2.斜拉索斷裂事故原因及分析
斜拉索塔端錨頭處含FDN高效減水劑的較大水灰比漿體長時間不凝固，導致對拉索產生以電化學腐蝕為主的多種強腐蝕，使拉索鏽蝕[3]。
拉索是一個柔性系統，隨荷載、溫度的變化，與結構協同變形。水泥砂漿這類脆性材料不適合拉索防腐，因其在拉索受力變形時會產生開裂。此外，灌注時也很難保證漿體密實和因漿體收縮影響頂端漿體飽滿。廣州海印橋漿體長時間不凝固，使得拉索鋼絲長期處於腐蝕環境中發生應力腐蝕。除此之外，管養缺失也是一個最大的遺憾。
建於1978年的美國Pasco—Kennewick橋，其拉索鋼絲置於PE套管中，並注入水泥漿。設計中考慮到黑色聚乙烯管升溫高，為控制溫度的作用並照顧美觀，在聚乙烯管外再纏繞了聚乙烯條帶(1989年廣州海印大橋的防護措施與之類似)。原估計使用壽命為25年 ，但僅5年時間就發現防護失效，不得不進行換索[3]。
南昌八一大橋拉索病害
1.概況
南昌八一大橋為獨塔雙索麵混凝土斜拉橋，主橋跨徑160m，橋面寬26m，共有平行鋼絲斜拉索144根。1997年9月29日建成通車。
2005年12月，江西省交通工程質量檢測中心對南昌八一大橋主橋進行病害檢測，並對結構健康狀況進行評定。發現拉索腐蝕嚴重。2009年全面換索，拉索實際使用年限11年。
2.拉索病害及原因分析
南昌八一大橋幾乎所有拉索下端錨頭都發生腐蝕，錨杯內外表面金屬腐蝕量達到10%以上，自然剝落鏽塊達25mm長。下端拉索錨頭腐蝕的原因——a.施工時未進行有效防腐。b.橋面端防水罩失效，雨水長期流入下端錨頭，造成下端預埋管內潮溼度大。c.管養缺失。大橋自1997年9月29日建成通車，到2005年12月進行檢測的8年間，從未對拉索進行過日常檢查與維護，腐蝕病害未得到及時發現與治理。
全橋144根拉索中，有15根拉索HDPE護套嚴重損傷，幾乎都是離塔端管口3m處開裂，裂縫寬度達50 mm以上。拉索索體鋼絲表面潮溼、鏽蝕，且有雨水流入索體內部。拉索HDPE護套開裂原因是，施工時未使用吊具，而是用鋼絲繩直接起吊拉索，導致HDPE護套受損。雖然當時採用熱補方法進行修復，但修復後性能下降，導致發生應力開裂。
圖6 下端錨頭鏽蝕
鄱陽湖大橋拉索病害與治理
1.概況
九（江）景（德鎮）高速公路鄱陽湖大橋為雙塔雙索麵混凝土斜拉橋，2000年11月建成通車。主橋跨徑布置為65m+123m+318m+130m，全橋採用熱擠聚乙烯高強鋼絲成品拉索共152根，東塔共有拉索64根，西塔共有拉索88根。索體為Φ7低鬆弛鍍鋅高強鋼絲，鋼絲標準強度Rby=1600MPa。拉索下端採用橡膠防水罩，下端預埋管內填充聚氨酯發泡材料，梁底拉索槽口在斜拉索張拉調索後用高標號素混凝土封錨。
2.拉索病害及分析
2005年南昌新八一大橋斜拉索發現嚴重病害後，鄱陽湖大橋對該橋斜拉索進行全面檢查，發現斜拉索存在諸多病害。
由於下端防水罩採用橡膠材料，使用幾年後發生嚴重變形、開裂，雨水直接流入下端預埋管內。下端預埋管內填充的聚氨酯發泡材料有吸水、儲水的作用，使得預埋管內長期積水（安徽銅陵長江公路大橋在清除下端預埋管內填充的聚氨酯發泡材料時，也發現大量的積水）。從檢測資料可看到，主梁側面的排水孔長期有水流出，錨頭及鋼絲的鏽蝕不太嚴重。
斜拉索索體外層擠裹的橘紅色聚氨脂外護套已經開始老化，迎光面已出現不規則的網狀微裂紋。
塔端錨頭防腐缺失。所有錨頭沒有安裝保護罩，錨頭裸露，且沒有必要的防腐措施，部分錨頭表面已開始生鏽。此外，部分冷鑄錨端蓋缺失。
梁底拉索槽口已用高標號素混凝土封錨，給檢查、維修、換索帶來困難。由於拉索不能實現可檢、可修、可換，拉索的使用情況完全不清楚，存在安全隱患。
部分拉索外減振裝置已失效。
3.拉索病害與治理
經檢查，拉索下端雖然有水長期浸泡，但下端錨頭及鋼絲的鏽蝕不太嚴重，性能影響較小。拉索護套沒有開創性裂紋，索體鋼絲未進水、氣，鋼絲沒有鏽蝕。經修復後，拉索完全具備正常的使用功能。因此，從2006年開始，針對拉索進行有效的病害治理，實現該橋斜拉索總體使用壽命50年的目標。
①引進專業團隊，針對拉索開展專業管養諮詢服務。內容包括，一年一度的拉索專業檢測、評估，指導、培訓管養部門的拉索管養業務。研究、跟蹤拉索病害的原因與發展規律，選擇合理的處理方法和處理時機。例如，針對PE護套出現的微裂紋，經研判，5～8年後才會產生開創性裂口，開裂前採用纏包方法修復。該方案經濟有效。
與行業的專業團隊合作是一種全新的管養模式。利用社會專業資源，可快速有效提升工程的管養水平。
②拉索上、下端病害治理。A.下端防水。利用熱收縮PE修復已失效的防水罩，確保雨水不進入下端預埋管內。2008年至2018年，經過10年的使用，防水效果達到預期目的，防水罩修復後沒有一滴水進入預埋管內。此方法也應用於廣州鶴洞大橋斜拉索下端防水罩的防水，效果同樣顯著。B.下端排水與防腐。要確保下端拉索與錨頭不繼續被腐蝕，必須排出預埋管內的水，降低管內潮溼度，並採取必要的防腐措施。首先徹底清除下端預埋管內含有大量水分的聚氨酯發泡材料；管內風乾降溼後，填充專用防腐油脂。後續改造內減振器後，實現上、下端預埋管內水密性、氣密性。C.上端錨頭防腐。安裝保護罩、補充冷鑄錨缺失的端蓋，錨頭塗抹專用防腐油脂防腐，恢復其防腐功能。
③梁底拉索槽口封錨混凝土快速去除工法研究。梁底拉索槽口用混凝土封錨是當時設計上的錯誤理念，使得拉索不可檢、不可修、不可換。通過研究和實橋實驗，水鑽加水刀工法可兩天內去除一個槽口。所有的槽口都應打開，為檢修、維護、緊急換索時，做好管養的技術儲備。
拉索「短命」問題的反思
事故是可以杜絕發生的！拉索病害是可以防患的！然而，拉索病害普遍存在，絕大多數橋梁拉索得不到有效治理，日益惡化。從我國部分斜拉橋換索時間看，斜拉索的平均使用時間僅有十多年。
從目前的技術水平及工程經驗看，橋梁拉索的力學性能可以滿足正常情況下100年甚至更長時間的使用要求。目前，影響橋梁拉索使用壽命的主要因素仍然是腐蝕。如果通過正常維護與更換易損件，橋梁拉索使用壽命完全可以達到設計壽命。
海恩法則告訴我們：每一起嚴重事故的背後，必然有29次輕微事故和300起未遂先兆以及1000起事故隱患。要阻止一起重大事故的發生，就是必須及時發現並消除這1000起的事故隱患。
要杜絕拉索事故的再次發生，要讓拉索實現正常的使用壽命，必須防患於未然。
1.徹底改變重新建、輕管養的做法，建管並重；
2.橋梁管養須專業化；
3.制定管養制度和技術標準；
4.由具有專業資質的企業施工；
5.杜絕工程建造的低價中標；
6.提升專業檢測與專業評估水平。
參考文獻
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［2］龍躍等.基於OTC－PTC技術的懸索橋懸索體系防腐及耐久性探討.廣西工學院學報.2016增刊1
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［5］彭天波等.斜拉橋拉索風雨激振的機理研究.同濟大學學報.第29卷第1期.2001年1月
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［7］葉覺明等.現代懸索橋主纜防護現狀與展望.橋梁建設.2009第6期
［8］彭關中等.懸索橋主纜防腐塗裝的研究現狀及進展.塗料工業.第4l卷第5期.2011年5月
本文刊載 /《大橋養護與運營》雜誌 2019年 第4期 總第8期
作者 / 龍躍 周庠天 鄒易清
作者單位 / 柳州歐維姆機械股份有限公司