錨頭大跨徑斜拉橋斜拉索錨頭的綜合防護(hù)

錨頭研究背景

斜拉橋由于其跨度較大、造型美觀、施工方便等特點而成為應(yīng)用較多的一種橋型。如果橋位處大氣環(huán)境惡劣，例如處于跨海灣區(qū)域，鹽分較高，而斜拉索一般都布置在梁體外部，直接與大氣接觸，因而極易產(chǎn)生腐蝕。如今，由于保護(hù)措施的逐漸完善，斜拉橋斜拉索索體已經(jīng)得到了很好的保護(hù)，而斜拉索與錨具結(jié)合部位由于保護(hù)措施較少從而成為斜拉索防腐蝕的薄弱環(huán)節(jié)，國內(nèi)已有多座斜拉橋由于斜拉索腐蝕破壞尤其是斜拉索與錨具結(jié)合部位的腐蝕而導(dǎo)致?lián)Q索，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良社會影響。本文特以舟山桃夭門大橋斜拉索上下錨頭的綜合防護(hù)方案為例，介紹斜拉索在上下錨頭部位的防腐蝕保護(hù)技術(shù)。

錨頭工程概況

桃夭門大橋是舟山大陸連島工程的第三座特大橋，橫跨桃夭門水道，為七跨連續(xù)半漂浮體系混合式斜拉橋，橋跨布置見圖4。

（1）主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

公路等級：4車道一級公路；設(shè)計行車速度：60 km/h；設(shè)計荷載：汽車-超20級，掛車-120；橋梁寬度：橋面凈寬22.5 m；通航標(biāo)準(zhǔn)：通航凈高按設(shè)計最高通航水位以上32 m，通航凈寬為280 m；設(shè)計風(fēng)速：橋址區(qū)離地面20 m 高度處百年一遇10 min平均最大風(fēng)速為42.8 m/s，計入海島地形系數(shù)后設(shè)計風(fēng)速為55 m/s；地震基本烈度：6度。

（2）橋位區(qū)氣候條件

舟山群島氣候上表現(xiàn)為大陸性氣候向海洋性氣候轉(zhuǎn)換的過渡性氣候。氣象要素的經(jīng)向梯度大，季節(jié)滯后，溫暖濕潤，雨熱同季，災(zāi)害性天氣類型多、頻次高。大橋工程區(qū)累計年平均氣溫在16℃左右，一年中日最高氣溫不小于35℃的平均天數(shù)為2.4～8.4 d，日最高氣溫不小于30℃的平均天數(shù)為53～58 d，日最低氣溫不大于0℃的平均天數(shù)為14～16 d；年平均相對濕度在80%左右，年平均日照時數(shù)在1880～2258 h之間；地區(qū)年平均降水量在900～1400 mm，全年平均降水日數(shù)（日雨量不小于0.1 mm）為130～160 d，最長連續(xù)降水日數(shù)在16～22 d之間，主要表現(xiàn)為3～4月的春季連陰雨天氣；常年盛行風(fēng)向以西北風(fēng)和東南偏南風(fēng)為主，臺風(fēng)一般在每年的5~11月，其中大部分發(fā)生在7～9月，約占全年的86%。

錨頭實施方案

斜拉索通過索塔錨固區(qū)將索力傳遞給混凝土索塔，錨固區(qū)必須在保證恒載、活載作用下的自身合力受力外，構(gòu)造上還要滿足施工的要求，同時要考慮方便養(yǎng)護(hù)和維修。索塔錨固方式多采用拉索在錨固區(qū)斷開（相對于鞍座錨固結(jié)構(gòu)）非交錯式錨固結(jié)構(gòu)，主要包括：環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固、 錨固鋼橫梁、鋼錨箱三種錨固方式，桃夭門大橋則采用了環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固的錨固方式（見圖5）。

桃夭門大橋是一座混合式斜拉橋，在鋼箱梁段采用了耳板式連接，在混凝土梁段采用了錨管式連接。

（1）上錨頭防護(hù)

由于環(huán)境惡劣，為防止潮濕環(huán)境對上端斜拉索錨具的腐蝕，必須對上錨頭進(jìn)行密封，并且孔端密封后表面平整，增加了大橋的美觀。

首先對錨孔金屬管內(nèi)表面的雜質(zhì)進(jìn)行徹底清理并做除銹處理，在金屬管內(nèi)表面刷涂兩道環(huán)氧底漆，然后對管口做臨時封堵，并分2~3次對管內(nèi)進(jìn)行發(fā)泡密封，待發(fā)泡完畢后，對發(fā)泡表面進(jìn)行修整，調(diào)用HM106密封膠對管口進(jìn)行密封，最后刷涂兩道塔用聚氨酯面漆。

（2）下錨頭防護(hù)

桃夭門大橋下錨頭采用了在混凝土梁段用錨管連接，在鋼箱梁段采用銷鉸連接兩種連接方式，鋼套管上口的密封處理考慮到實用性和美觀性的結(jié)合，采用了不同規(guī)格的不銹鋼將軍帽，這些部位都成為防護(hù)的重點。

鋼套管在進(jìn)行徹底的清理后，采用聚氨酯發(fā)泡材料填充。聚氨酯發(fā)泡材料是由聚醚與多次甲基多苯基、多異氰酸酯發(fā)生聚合反應(yīng)后而成，具有質(zhì)量輕、不吸水、低導(dǎo)熱性、隔氣性好、韌性好等特點，從而能夠有效地使錨具與雨水、潮氣以及其他腐蝕介質(zhì)相隔離聚氨酯發(fā)泡施工采用專用氣泵提供壓縮空氣，使混合料在導(dǎo)管口處呈霧狀高壓噴出得以充分混合反應(yīng)，直接噴入錨管進(jìn)行發(fā)泡，噴射量由計算所得的實際體積控制。發(fā)泡完畢24 h后，對管口的發(fā)泡材料進(jìn)行修整，然后填充聚氨酯防水密封膠。

由于桃夭門大橋位于海峽地區(qū)，且在橋位兩側(cè)有兩個很大的油庫，空氣中鹽分、油霧及水氣的含量都非常高，環(huán)境十分惡劣，即使是不銹鋼也會產(chǎn)生一定程度的銹蝕，因此，對斜拉索錨具的防護(hù)不僅僅只限于內(nèi)部的防護(hù)，外部的防護(hù)從美觀和實用的角度來說都需要重視。經(jīng)過對現(xiàn)場情況的研究和分析，最終決定采用在錨管及將軍帽外部涂刷防銹漆的方法來進(jìn)行防護(hù)，具體的涂裝體系為：二道環(huán)氧鍶黃底漆（80 μm），一道環(huán)氧云鐵中間漆（40 μm），二道氟碳面漆（80 μm），顏色與防撞護(hù)欄一致。在施工中，由于空氣中油霧含量極高，附著在表面影響粘結(jié)力，所以要求每一層防銹漆涂刷之前都要對工作面用特定的溶劑進(jìn)行徹底清洗，并且進(jìn)行打磨粗糙，增加層間的結(jié)合力，涂刷時要均勻涂刷保證美觀。經(jīng)過以上步驟，桃夭門大橋形成了一套完整且行之有效的錨頭防護(hù)系統(tǒng)。

錨頭研究背景

從理論上講采用激振器或人工激振等，測試錨桿的橫向固有振動特性(主要是分析振動階數(shù)的自振頻率)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的自由振動微分方程可方便地測出其張力狀況，本研究利用無損檢測方法對錨桿采用自動激振裝置和直徑分別為6、10和17的激振錘進(jìn)行激勵得到計算頻率(主要是頻率、重心頻率以及基礎(chǔ)頻率)，利用弦振動理論并結(jié)合錨桿張力與系統(tǒng)彈簧系數(shù)的關(guān)系來分析測試預(yù)應(yīng)力錨桿張力，研究表明其方法是有效的可行的。但是利用其測試分析得到的計算頻率 ( 主要是頻率 、重心頻率以及基礎(chǔ)頻率 ) 來推定張力的大小 。在實驗室或工程實踐中測試精度并不十分理想，其原因在于預(yù)應(yīng)力錨桿工程屬于隱蔽工程，受錨固介質(zhì)、傳感器固定位置、預(yù)應(yīng)力索或錨桿露出長度、測試對象和不同預(yù)應(yīng)力等多因素的影響，振動特性變得相當(dāng)復(fù)雜，研究試圖探討在不同預(yù)應(yīng)力下錨頭的振動特性進(jìn)而得到在瞬間激勵下系統(tǒng)計算頻率與作用系統(tǒng)的張力之間的關(guān)系。

錨頭不同預(yù)應(yīng)力下錨頭的振動特性

由于預(yù)應(yīng)力錨桿工程屬于隱蔽工程，所以對錨頭的振動特性的研究顯得至關(guān)重要，為了方便試驗，按照圖1所示標(biāo)注并進(jìn)行試驗。

把傳感器固定安裝在不同測試對象的東、西、南和北4個方位，研究傳感器在不同方位下，在不同的打擊力度下以及錨索不露出的情況下，錨桿在不同拉力(拉力在10 MPa以下)作用下，經(jīng)特制激勵裝置瞬間激勵，對系統(tǒng)響應(yīng)的影響。

（1）錨索沒有露出的試驗及測試數(shù)據(jù)分析

分別在對象A和對象B進(jìn)行測試，把傳感器分東、西、南和北四個方向，采用磁鐵安裝固定，而激勵裝置在其相對的方向激勵并采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的分析，主要采用在開發(fā)軟件的頻譜分析功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同算法以計算頻率體現(xiàn) 。測試結(jié)果分析見表1和圖2。

如圖2所示，總體上講，計算頻率伴隨拉力的增強(qiáng)而增加。(I)系列趨勢線優(yōu)于(II)系列趨勢線，也說明了傳感器在南、北方向是有利的，這也符合壓電式傳感器結(jié)構(gòu)特性，在該方向傳感器以及引出電纜不起負(fù)效應(yīng)作用，有利發(fā)揮傳感器的壓電效應(yīng)。

在低拉力情況下，同樣的拉力，測試對象B的計算頻率普遍高于測試對象A的計算頻率；也說明了在拉力不大的情況下，若對測試對象B進(jìn)行測試，容易誘導(dǎo)出高頻。

（2）不同打擊力度的試驗及測試數(shù)據(jù)分析

主要把傳感器安裝在不同方位下，提高激勵打擊力度的倍數(shù)(主要是采用了2倍和3倍)并激勵下，研究不同方位和打擊力度對響應(yīng)的影響。表2和表3是在原來的力度上，分別提高2倍和3倍打擊力度的結(jié)果。

從圖3可知，打擊力度的影響主要在低拉力(≦4 MPa)范圍內(nèi)，力度越大越容易激勵高頻信號；而在高拉力作用下，力度越大趨勢向更好的方向發(fā)展，并且傳感器的固定方向?qū)y試結(jié)果的影響不大。

錨頭研究結(jié)論

綜上所述，可得到以下有意義的結(jié)論：

(1)作用于系統(tǒng)的響應(yīng)頻率(計算頻率)隨系統(tǒng)拉力增加而增大。

(2)傳感器安裝固定位置，最好在測試對象的上下(南北)方向，符合傳感器的壓電效應(yīng)原理；為了操作性更強(qiáng)，建議傳感器安裝在測試對象的下部，激勵在對側(cè)的上部。

(3)測試對象最好選擇在安裝有夾片的錨具上，不僅利于測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，還有利于傳感器的安裝和激勵裝置的發(fā)振。

(4)打擊力度對系統(tǒng)響應(yīng)的影響也主要存在于低拉力范圍內(nèi)，力度越大越容易激勵高頻信號，計算頻率偏高。但是伴隨拉力的增加，這種影響減弱。值得說明的是系統(tǒng)的響應(yīng)需要有一定能量的行為來激勵，只有充分的激勵，系統(tǒng)的響應(yīng)才是不變的、穩(wěn)定的。因此，要求有一定沖擊力度的打擊能量來激勵。

錨頭裝得好，那整體材安裝得美麗得體，結(jié)實耐用，但如果拼接得不好，就會出現(xiàn)裂縫，破爛等現(xiàn)象。在預(yù)應(yīng)力混凝土里，鋼筋錨頭是保證預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力不損失，長期存在的設(shè)施。螺栓錨頭是受拉普通鋼筋末端旋入螺栓；焊端錨板是受拉普通鋼筋末端與厚度d的錨板塞焊。在鋼筋末端配置彎鉤或機(jī)械錨固是減小錨固長度的有效方式，其原理是利用受力鋼筋端部錨頭（彎鉤、貼焊錨筋、焊接錨板或螺栓錨頭）對混凝土的局部擠壓作用加大錨固承載力。