本帖最后由 Nino 于 2022-4-8 15:31 编辑
1、桥梁垮塌惨痛教训分析
1.1 南方澳大桥垮塌概况
南方澳大桥位于我国台湾省宜兰县苏澳港辖区內，桥梁全长 896.92米，主桥长 140米，桥宽 15 米，双向 2 车道，设有中央分向岛及人行步道，并设置 4 处半圆形景观平台。主桥为双叉式单拱设计，主桥结构包含拱架、吊杆、端锚系统、桥面大梁及其他结构。
南方澳大桥垮塌前照片
2019年10月1日，南方澳大桥发生吊杆断裂并导致桥梁垮塌。
南方澳大桥垮塌瞬间
相关部门开展了深入的调查分析，距桥梁垮塌事件发生1年多后，事故调查报告终于完成。
1.2 吊索系统断裂过程及破坏模式
吊索连锁破坏分析结果显示，油罐车在通过10号吊索时，桥梁因11号吊索断裂产生连锁破坏，破坏顺序为：11号吊索断裂→10、12号吊索断裂→9、13号吊索断裂→8号锚头破裂→6号锚头破裂及7号吊索断裂→4、5号锚头破裂→3号锚头破裂→2号锚头破裂→1号锚头破裂，而当连锁破坏至所剩下1至5号吊索时，桥梁钢构部分开始降伏，而剩下1至2号吊索时，桥梁钢构部分区域达到极限强度，开始产生破坏，当吊索全部破坏时，钢构桥面大梁将产生大区域的破坏。
南方澳大桥吊杆断裂顺序
检视大桥13组吊索系统的破坏模式，1号吊索系统下锚头破裂；2、3、4、5、6、8号吊索系统上锚头破裂；9、10、11、12号吊索系统下锚头附近生锈钢绞线断裂；13号上锚头微裂，下锚头附近生锈钢绞线断裂；7号吊索系统锚头未破裂，下锚头附近9束钢绞线末端脱离锚头，有夹持压痕但无破坏特征，其余4束钢绞线有颈缩断裂现象，分析9束钢绞线并无夹持受力，4束钢绞线于大桥断裂坍塌时破坏。吊索系统破坏模式示意见下图。
13组吊索系统中，钢绞线发生断裂的7、9、10、11、12、13号吊索系统锚头均完好正常，而钢绞线大部分均完好的其余7组吊索系统，锚头却发生破裂现象，显示大桥断裂时，该7组吊索系统锚头强度小于钢绞线强度。 和多数出问题的吊杆拱桥一样，该桥垮塌的直接原因是下锚头及附近吊杆锈蚀。 调查发现，该桥所有下锚头附近吊杆都存在不同程度锈蚀，锈蚀最严重的 10、11、12、13 号吊杆下锚头附近钢绞线有效残余截面积仅剩余约 22% ～ 31%。
吊杆锈断3D模拟（来源：南方澳大桥事故调查官方视频） 钢绞线严重锈蚀后，导致承载力不足，这是桥梁垮塌的直接原因。
1.3.2 钢绞线锈蚀原因—锚头区域积水
大桥的下锚头采用金属短套箱，套箱下端安装在桥面上，埋在桥面中央分隔岛的混凝土中，埋置深度只有1～2厘米，没有伸进钢箱梁内部。
而且套箱与吊杆之间没有设置减振体，吊杆与桥面的振动等可能导致套箱与桥面连接开裂松脱。
调查发现套箱与吊杆的接缝采用树脂类填缝胶，填缝胶存在老化、开裂、松脱等病害，封水失效，水顺着吊杆往下渗流。
下锚固区构造
下锚头的锚固设计是采用开口向上的锚箱，然而这锚箱并没有设置泄水孔，顺着吊杆下渗的雨水积聚在锚箱中，导致锚头及吊杆长期浸泡在水中，大大加剧了锚头及吊杆的锈蚀。
1.4 以史为鉴 1.4.1 桥梁检测不应流于形式，应特别重视索体系专项检测 南方澳大桥例行检查制度并没有执行到位，台湾省的桥梁定期检查周期为2年，但桥梁建成后21年间总共只进行了7次定期检查，定期检查周期明显不满足规范要求，大桥垮塌前距离最近一次定期检查时间间隔为3年7个月。
另外南方澳大桥检查流于形式，深度不足。所进行的7次定期检查中，仅2009年进入过箱梁内部检查，但没有下锚头的检查内容及记录。其余6次都没有进入箱内检查，根本没有发现下锚头积水及锈蚀的严重安全隐患及病害。
南方澳大桥最后一次定期检查中，在没对箱梁内的下锚头及附近吊杆进行检查、根本不掌握其状况的情况下，吊杆的等级还评定为1类，即良好。
1.4.2 对存在的病害或设计缺陷应重点关注和及时维修改造
尽管检测人员现场没有看到直接的积水、锈蚀病害，但本应从桥梁设计等方面意识到可能存在的问题。
南方澳大桥下锚头采用少见的短套箱而非深入桥面钢梁的套管，也没有减振设计，套箱与桥面钢梁连接处容易松脱；金属短套箱与吊杆之间仅用密封胶封缝，容易老化脱落。本可以预见的上述两防水部位封水措施一旦失效，桥面雨水都就会下渗，带来耐久性与安全性问题，但并没有引起相关人员的重视。
同时南方澳大桥下锚头锚箱没有设置泄水孔，雨水下渗后无法排出而变为集水箱，下锚头与钢绞线长时间处于含有氯盐成分的积水环境中，从而造成积水线附近钢绞线严重锈蚀，并最终锈断。
新光大桥于2004 年1 月开始施工，2006年9月底主桥完工。主桥为（177＋428＋177）m 三跨连续刚构-钢桁架拱桥，全长1083.20m。主桥拱肋为平行拱，全桥共设置114 根吊杆，边跨吊杆间距为8.0m，主跨吊杆间距为12.0m。大桥主跨由钢横梁、钢纵梁、钢筋混凝土桥面板组成，为半漂浮式桥面结构体系。边跨桥面横梁为预应力混凝土结构，纵梁为钢筋混凝土结构。
2.2 专项检测及评估情况
2.2.1 索杆系统外观情况
全桥共114根吊杆，其中主跨54根，每个边跨30根。吊杆存在大量PE老化、破损及渗油现象。
吊杆PE护套管老化、破损
全桥共228个锚头，其中主跨108个，每个边跨60个。全桥多数锚头存在防护罩渗油、涂层剥落以及锈蚀。 根据现场检测情况推断，造成吊杆锚头渗油为吊杆索导管内积水所致，索导管密封防水装置损坏导致雨水渗入，积水携带防锈油从锚头渗漏，从而形成了吊杆锚头渗水现象。 为进一步判断新光大桥钢丝是否存在损伤，对其进行了索体内部钢丝锈蚀断丝导波无损探伤检测。 新光大桥共有114根吊索，采用磁致伸缩导波无损检测，结果显示所有吊索反射波幅度均在I区，评定为I类。但I类吊索中，仍有部分吊索回波能量存在衰减异常。 导波衰减较强，可能是由于索体构造差异及材料性能退化造成，但索体进水，索内钢丝劣化、锈蚀也是导致锚头回波能量较小的原因之一，因此对出现衰减较强的吊索通过开窗检测综合判断。经开窗初步判断主要为内部黄油导致了导波信号衰减较强。 索内钢丝状态良好
大桥经过10余年时间的运营，定检报告显示大桥各个部位均出现了一定程度的病害，为了防止这些病害继续发展，影响大桥结构，新光大桥管理单位决定对大桥吊杆体系进行专项维修及延寿处置。 具体工作内容包括：吊杆上下锚头检查，除锈和防腐，锚头保护罩的除锈及防腐；HDPE护套检查及破损部位热熔修补；吊杆HDPE护套表面缠包PVF防护带；索导管积水清除及防护材料重新填充，减震橡胶块拆除及更换等。 新光大桥吊杆导波无损检测结果及开窗检查结果显示，吊杆钢丝回波正常，钢丝外观正常，镀锌层保持较好，未发现镀锌层氧化迹象，钢丝腐蚀等级评级为0级，表明钢丝状态良好，暂不需要采取特殊措施处理。
新光大桥PE防护层损伤原因主要由于PE护套长期暴露在空气中，经受着紫外线的照射、雨水冲淋甚至冰冻、有害气体的腐蚀以及吊杆安装施工和增加灯带施工过程中对索体保护措施不够，造成索体PE护套的损伤。 PE护套损伤维修前需认真清洗伤口，准备同颜色的PE条，采用专用工具进行热熔修补，修补完后进行打磨处理，使PE层恢复到原有厚度。 索杆PE护套管维修前后对比
吊杆受力时外层HDPE护套也会受到相应的拉伸应力，HDPE护套在受力情况下，长时间日晒雨淋容易加速老化，表现为吊杆护套表面大面积的龟裂，龟裂继续发展会导致护套开裂进水，失去保护功能，影响大桥结构安全。 为了减缓HDPE护套的持续老化，需要对HDPE护套表面进行必要的遮蔽。通过缠绕PVF防老化缠包带可以防止太阳紫外线的直接照射以及酸雨的侵蚀，从而延缓护套老化速度，提高保护年限，延长换索时间。 索杆耐老化防护带缠包前后对比
锚头保护罩及索道管积水同样是新光大桥比较突出的病害表现，由于锚头保护罩及索导管防水套的密封效果不佳，吊杆内部的蒸腾冷凝效应以及螺栓缺失等原因，导致锚头内部及索导管内部出现了大量的积水，锚头锈蚀，严重影响吊杆安全。 通过锚头除锈并涂膜密封蜡，增加防护膜等措施解决了锚头防护问题。通过清除索导管内部积水，并在索导管内部灌注密封蜡，更换密封圈等措施，清除了索导管相关病害。 3拉索及时更换成功案例▪鹤洞大桥 鹤洞大桥位于广州市海珠区和荔湾区之间的珠江后航道上，于1995年5月完成设计，1998年建成通车。全桥总长2440米。主桥长648米，宽30.3米，设双向6车道和人行道，主跨为360米一跨过江的钢梁--钢筋混凝土板叠合结构，两侧副跨为144米的现浇预应力混凝土结构。 鹤洞大桥照片 经过了20多年的运营后，桥梁检查完成144根拉索，发现拉索存在环向开裂、竖向开裂、严重环向开裂、严重竖向开裂等病害。 通过磁致伸缩导波检测斜拉索144根，发现有异常信号的斜拉索。经开窗验证，存在积水和钢丝锈蚀病害。 采用在役桥梁斜拉索绝对索力检测技术张拉法，对桥梁拉索进行了绝对索力的检测和分析，准确把握桥梁的索力情况。 检测结果表明部分斜拉索索力与振动法存在偏差10%以上现象。 综合检测情况可知，鹤洞大桥经过20多年的运营，主桥存在的主要问题是斜拉索，大部分斜拉索PE护套均有开裂现象，导波检测结果显示拉索可能存在锈蚀，经开窗验证，斜拉索钢丝锈蚀，截面出现削弱，部分拉索评定标度为“严重”，且由于开窗位置均存在积水现象，推断索体最差的锈蚀状况应比开窗位置的锈蚀程度更加严重，锈蚀最严重的位置可能在高空干湿交替面或在桥面以下接近下锚头的位置。综合考虑对斜拉索进行更换。 斜拉索更换工程需先拆除原有拉索，再更换安装对应新索，张拉到原有索力。待全桥拉索拆除安装到位后，如有必要，全桥进行索力调整，斜拉索PVF缠包及螺旋线缠绕同步实施。 旧索拆除：先塔端千斤顶硬牵引放索，再梁端拆除退锚，接着从梁端放松拉索，卸塔端千斤顶、张拉杆、撑脚等设备，最后下放拉索，旧索切割并由汽车拖走。 新索安装：采用汽车吊将新索置于卧式放索盘上，利用塔顶吊提升，塔顶卷扬机牵引至塔端挂设，下放硬牵引（张拉杆），再梁端压锚，最后在塔端进行张拉和调索。 （1）由长索到短索的原则：先换长索，然后向主塔方向前进，后换短索。 （2）对称的原则：换索施工按照双塔先后反对称、单塔对称的顺序进行。短索的换索施工按照单塔同步，双塔先后的顺序进行。 （3）病害严重的索先换的原则：病害较为严重的索即使目前工作状态正常，在更换其临近索时会受到应力重分布等因素的影响，索力突然增大或拉索内应力发生较大幅度变化，从而产生对结构安全而言难于预料的问题。考虑优先更换病害严重的斜拉索。 4、结语
通过以上案例及相关分析，可看出要确实有效地保障索体系桥梁的安全运营，主要需要做到以下几点： （1）索体系桥梁检测应特别重视索体系专项检测，不可流于形式，而应达到可分析判断索体系是否安全的深度。 （2）对存在病害或设计缺陷的部位应重点关注并及时维修改造。
（3）辨证分析，判断索体系是存在耐久性病害还是存在较大安全隐患。
（4）对症施治，及时进行专项耐久性维修或换索工作。
桥梁拉索断裂的事故时有发生，原因类似或独特。本文仅是结合《南方澳大桥垮塌事故调查报告》和团队多年的检测维修实践的一点总结，还需要结合每座索桥的不同情况不断完善，欢迎朋友们一起深入交流探讨。
关于作者：
林阳子，哈哈哈博士
本硕博均就读于哈尔滨工业大学
本科3年提前毕业，26岁获工学博士学位
33岁评为正高级工程师，广东省优秀公路工程师
一级注册结构工程师，校外硕士生导师
交通部检测工程师，检验机构国家评审员
十余年磨一剑，专注索桥检修
出版《桥梁索体系特殊检测及维修加固技术》专著；
完成桥索检修省部级科研项目多项，获中国公路学会科学技术奖等多项；
开发出爬索机器人、锈蚀断丝检测系统等先进设备并获相关专利多项；
完成上百座索体系桥梁的特殊检测和维修加固项目。
来源： 公众号索桥检修林博士
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