南京长江二桥南汊大桥斜拉索撞击后损伤检测分析研究
南京长江二桥南汊大桥
斜拉索撞击后损伤检测分析研究
DOI编码：10.13646/jki.42-1395/u.2019.02.028
魏海伟1，吴忠振2，霍翔1
（1.中交公路规划设计院有限公司，北京  100088；2.中国公路工程咨询集团有限公司，北京  100097）摘　要：对南京长江第二大桥南汊大桥被撞击的NAX16斜拉索进行损伤检测研究。利用目测和专业检测仪器，对斜拉索进行外观检查、索力检测、索体钢丝锈蚀断丝检测，结果表明：索体钢丝完好，索力正常，但外观破损严重，需要及时进行表观修复，防止后期侵蚀对其耐久性产生影响。本次检测研究方法和结论可为类似缆索桥梁索体损伤后检测提供重要参考。
关键词：斜拉桥；斜拉索；车辆撞击；损伤检测
中图分类号：U44            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）02-0077-03
斜拉索是斜拉桥的关键构件，车辆或船只撞击斜拉索很有可能导致斜拉索护套破损、阻尼器脱离、底座锚固松动和斜拉索断丝等，这将极大程度上威胁桥梁结构安全[1, 2]。2013年一辆渣土车撞向天兴洲大桥斜
拉索，8号斜拉索受损严重；2014年一辆空载挂车撞击杭州湾大桥斜拉索，北塔下游侧B11号斜拉索表面护套剐蹭严重[3]；2010年受1号台风影响, 越南平桥被3艘因维修停留在海防港造船厂的货船撞击，有1艘货船甲板上层建筑(船尾楼)撞上该桥主梁，两根斜拉索受到严重撞击[4, 5]。随着交通量的增加，斜拉索受到撞击的风险概率也会越来越大，有必要针对撞击事故进行系统化程序化的检测研究总结。
1 概况
南京长江第二大桥（以下简称南京二桥）是国家 “九五”重点建设项目之一，位于现南京长江下游11公里处，全长21.197公里，由南、北汊大桥和南岸、八卦洲及北岸引线组成。设计速度100公里/小时；设计荷载：汽-超20，挂-120。南京二桥的主桥南汊大桥是一座双塔双索面五跨连续的钢箱梁斜拉桥，主跨为628m，跨径布置为（58.5+246.5+628+246.5+58.5）m。南汊大桥斜拉索采用空间双索面扇形索布置，每个索面20对斜拉索，全桥共80对（160根）索。斜拉索在塔柱上的锚固间距为1.75～2.5m；斜拉索在梁上的锚固间距，在标准梁段为15m，塔下无索区为2×21.5m，辅助跨锚索间距12m。斜拉索与钢箱梁采用套筒锚固，在塔上张拉。斜拉索采用直径φ7mm高强度平行钢丝外挤包高密度聚乙烯（即PE护套）形成拉索，最大索长333.8m，重26.7吨。斜拉索按拉索直径分类共有φ112mm，φ120mm，φ130mm，φ141mm，φ150mm五种规格。为方便描述斜拉索位置，根据南京长江第二大桥南汊大桥施工图的编号规则，对每根斜拉索进行编号，斜拉索编号格式如下所示：（索塔）-（塔侧）-（上下游）-（编号），其中：索塔N表示北塔，S表示南塔；塔侧A表示岸侧，J表示江侧；上下游S表示上游，X表示下游；编
号面向塔侧为小编号，背向塔侧为大编号，依次为1~20。示例：NAX16表示北塔岸侧下游侧16号斜拉索。2016年1月，南京二桥南汊大桥发生多起车辆撞击事故，其中一辆货车偏离行车路线撞击到编号为NAX16斜拉索，为全面反映该斜拉索损伤情况，南京长江第二大桥有限责任公司委托中交公路规划设计院有限公司进
行了斜拉索撞击后损伤检测分析研究。
图1  南京长江二桥南汊大桥桥跨布置图（单位：mm）
2 检测方法
为全面客观反映车撞事故对斜拉索基本性能的影响，斜拉索检测采用多索交叉验证对比和多方法交叉验证对比。本次主要检测项目为外观检查、索力检测和索体钢丝锈蚀断丝检测。外观检查主要针对受损NAX16斜拉索；索力检测利用斜拉桥对称结构特性，现场对同一塔侧的具有相同受力形式对称及邻近斜拉索进行索力检测，同时与历年检测结果进行对比；索体钢丝锈蚀断丝检测主要利用磁致伸缩导波传感器对受损斜拉索及邻近斜拉索进行检测。
（1）外观检查，用以判断撞击对斜拉索外观的损伤，这是检查的基本项目，通过目测来检查索身护套是否有鼓包、锈包、开裂、断裂、膨胀及变形等现象，目测检查减震阻尼器的防腐涂装、连接螺栓、支架和底座外观情况。
（2）索力检测利用索力检测仪在环境随机振动激励条件下测定斜拉索的索力。采用专用夹具将加速度计固定在斜拉索上，以测定拉索的横向振动，加速度计将索的随机振动信
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号转变成电信号经放大器放大后送到FFT信号分析仪中进行
频谱分析，得到拉索的横向振动频率，再经分析得到索力。
（3）索体钢丝锈蚀断丝检测可借助磁致伸缩导波传感器，由于该传感器的提离距离可达几厘米，在检测过程不需要拆除PE，因此它尤其适用于带PE保护层拉吊杆的在役检测。平行钢丝斜拉索缺陷预警门限设定为直通波幅值的5%，用以判断斜拉索的局部腐蚀和断丝缺陷，如缺陷回波高于红线，则判断该斜拉索可能存在明显缺陷；锚固段腐蚀状态评估门限设定为锚固端部回波小于直通波幅值的10%，用以判断斜拉索锚固段的腐蚀状态，如锚固端部回波信号小于该信号，则判定该斜拉索锚固段可能存在大面积腐蚀。
3 检测结果
3.1外观检查
经现场检查，该拉索主要病害为：拉索下部钢护筒油污，钢护筒划伤与破损，阻尼器被撞坏、缺失，PE护套破损、开裂等，斜拉索外观病害见图2，检查结果汇总见表1。
表1  外观检查结果汇总表
病害种类病害描述天兴洲大桥
划伤下部钢护筒2处划伤，距地面1m处
油污下部钢护筒、锚杯油污
破损钢护筒与PE护套连接套破损
破损上部PE护套3处破损，距地面均约2.4m处
开裂上部PE护套开裂，距地面约2.3m
处，且可见内部钢丝
缺失阻尼器被撞坏、缺失
3.2索力检测
现场检测时对南京二桥南汊大桥被撞击的NAX16斜拉索和其同一塔侧、具有相同受力形式的NAX15、NAX17、NJX15、NJX16、NJX17、NAS15、NAS16、NAS17、NJS15、NJS16、NJS17共计12根斜拉索进行了索力检测分析研究。还将本次索力测试结果分别与14年、15年测试结果进行对比，对比结果详见表2和图3。由图表数据分析我们可以看出：
图3    2014-2016年斜拉索索力图
（1）本次NAX16斜拉索索力测试结果与14年测试结果相对变化为2.37%，与15年的测试结果相对变化为5.09%，索力测试误差均在±10%以内，符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）的要求；
（2）其余斜拉索索力测试结果与14年测试结果最大相对变化-5.07%，与15年的测试结果最大相对变化为5.72%，索力测试误差均在±10%以内，符合《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）的要求；
（3）NAX16斜拉索与同一塔侧、对称斜拉索索力检测结果对比，14年与其他索力比值最大偏差为8%、15年与其他索力比值最大偏差为12%、16年与其他索力比值最大偏差为8%，近三年的比值偏差均在15%以内，相近斜拉索索力变化稳定。
（a）护套破损、开裂（b）阻尼器撞坏、缺失
图2  斜拉索撞击受损照片
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图4  斜拉索导波检测波形
【位置0为电磁脉冲，图形的X 轴为检测距离，Y 轴为信号的幅值】
4 结论
对南京二桥南汊大桥被撞击的NAX16斜拉索进行损伤后检测分析研究，主要结论如下：
（1）NAX16斜拉索被撞击后，导致斜拉索被撞部分出现钢护筒划伤与破损，阻尼器被撞毁缺失，PE 护套破损、开裂等病害；
（2）对NAX16和相邻斜拉索及其它对称部位的斜拉索进行了索力检测对比，测试结果与14年、15年测试结果相对变化测试比较误差均在±10%以内，可认为NAX16斜拉索索力均未出现明显异常；
（3）经过相应的无损检测，NAX16斜拉索被撞击后索体钢丝未出现断丝，索体钢丝也未出现明显锈蚀；相邻的NAX15、NAX17斜拉索通过检测对比，状态均为无锈蚀活动或断丝；
（4）本次检测可为类似缆索桥梁拉索撞击后损伤检测分析提供重要参考。参考文献：
[1] 刘士林，王似舜. 斜拉桥设计[M]. 人民交通出版社, 2006.
[2] 姚超. 斜拉桥斜拉索系统检查与维护[M]. 人民交通出版社, 2014.
[3] 金耀，王金权，刘志强，等. 杭州湾大桥车撞桥梁结
构响应监测与安全评估[C].第十一届全国随机振动理论与应用学术会议北京: 2015.
[4] 赵兴雅. 越南平桥船撞损伤及修复案例分析[A].养护与管理， [C].：中国公路学会养护与管理分会,2016:6.
[5] 刘海燕，陈开利. 越南平桥船撞损伤及修复[J]. 世界桥梁. 2015(1): 83-87.
表3  NAX16与对称斜拉索索力检测结果对比表
索号14年/kN 15年/kN 16年/kN 14年索力比较15年索力比较16年索力比较NJX16
3782
3793
3808
0.98
0.99
0.97
NAS163907386140150.950.970.92
NJS16343633473517  1.08  1.12  1.05
NAX16370937533692  1.00  1.00  1.00
3.3 索体钢丝检测
现场检测时对南京二桥南汊大桥被撞击的NAX16和相临近的NAX15、NAX17斜拉索进行索体钢丝锈蚀断丝检测研究。被撞击的NAX16斜拉索的导波检测信号如图4（a）所示。从检测信号图我们可以看出：
（1）从信号波形看出7.3m 附近存在下锚头回波信号，经计算，其距离传感器7.28m，与现场实测距离较吻合，且回波信号幅值高于红的锚固端部回波门限；
（2）从检测波形看出无超过预警门限的回波信号或其他异常回波信号，通过检测结果可判断该斜拉索无锈蚀活动或断丝，斜拉索状态为无锈蚀活动或断丝。
NAX15 和NAX17斜拉索的导波检测信号如图4（a）和（b）所示。通过信号分析，可以认为NAX15和NAX17斜拉索无锈蚀活动或断丝，斜拉索状态为无锈蚀活动或断丝。
检测距离(米)
幅值
（a）NAX16
检测距离(米)
幅值
（b）NAX15
检测距离(米)
幅值
（c）NAX17

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