从鹅公岩轨道大桥吊杆断裂浅谈吊杆的安全隐患与预防措施

从鹅公岩轨道大桥吊杆断裂浅谈吊杆的安全隐患与预防措施

张鸿鹄

重庆交通大学  重庆 400074

摘要：本文以重庆市鹅公岩轨道大桥为例，探讨了吊杆断裂的原因和安全隐患。通过对桥梁结构和施工过程的详细分析，发现吊杆断裂可能与初始缺陷、制造、安装误差等因素有关。同时，吊杆的腐蚀也是导致其破坏的重要原因之一。本文提出了相应的预防措施，以确保桥梁的安全运行。

关键词：重庆市鹅公岩轨道大桥； 吊杆断裂； 疲劳破坏；

引言

重庆市鹅公岩轨道大桥位于既有鹅公岩大桥上游 （２座桥中心距70ｍ，净距小于45ｍ，见图１）。由于原鹅公岩大桥的存在，因环境美观等因素故新桥造型与原鹅公岩大桥相同。同时采用悬索桥结构而常规地锚式悬索桥需设置锚碇，锚碇基础的开挖施工以及运营阶段的受力，都不可避免地会对原鹅公岩大桥的东岸隧道式锚碇产生非常不利的影响[1]。

图１ 重庆鹅公岩轨道大桥桥位平面

为了避免地锚结构对原鹅公岩大桥东侧隧道锚的影响，新桥采用自锚结构。主桥采用五跨连续钢箱梁（50＋210＋600＋210＋50）ｍ 半飘浮体系自锚式悬索桥（图2）。其跨度在世界轨道交通专用悬索大桥中位居前列，同时也是世界上主跨跨度最大的自锚式悬索桥。

图２ 鹅公岩轨道大桥桥式立面布置

其加劲梁采用钢箱－混凝土混合梁，中跨及边跨为钢箱梁，锚跨及锚固段为混凝土箱梁。该桥进行“先斜拉、后悬索”的体系转换施工才能最终成桥，因此施工工艺复杂、技术含量高[2]。该桥由上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司设计，中国铁建大桥工程局集团有限公司承建。

1  事故概况及分析

鹅公岩轨道大桥于2019年10月16日试运营。2022年1月18日上午8：48分，重庆市鹅公岩轨道大桥上游LM2吊索叉耳螺杆突发断裂。从运营到事故发生才两年多。其吊杆断裂截面如图3所示。断裂后吊杆侧面如图4所示。吊索构造，如图5所示。

图3 LM2吊杆断裂截面

2022年1月18-19日，重庆市轨道交通(集团)有限公司组织专家召开鹅公岩轨道桥上游LM2吊索叉耳螺杆断裂应急处治专家咨询会。与会专家察看了现场，听取了桥梁运维、叉耳制造、桥梁设计、桥梁监测等单位的汇报及其他参会单位的发言，经讨论形成咨询意见如下:

一、鹅公岩轨道桥上游LM2吊索叉耳螺杆在2022年1月18日上午8:48分突发断裂，导致LM2吊索退出工作，发现后及时停止了桥梁运营。从初步分析看，LM2吊索叉耳螺杆断裂可能与初始缺陷、制造、安装误差等因素有关。

二、根据设计单位检算,现状桥梁技术状态仍满足列车有条件的运行要求。桥梁健康监测单位采集的吊索叉耳螺杆断裂前后相关数据也在理论检算结果范围内。

三、在对上下游MO、LM、LM3吊索系统进行检测评估无异常的情况下，且在LM2处设置临时吊杆，并采取限速及单列车过桥的措施同意开放交通。

四、在处治完成之前加大监测频率并增加必要的监测点。

五、在恢复开通的同时对其他吊索系统的状态进行全面检查评估。

图4 吊杆断裂后侧面视图

图5 鹅公岩轨道大桥吊杆侧面图

2  桥梁吊杆的破损现状

桥梁吊杆是桥梁结构中的重要组成部分，其安全性直接关系到桥梁的运行安全。由于受当前设计理论，科学技术和工业水平发展进程的制约，桥梁吊杆吊具的设计、制造、防护、安装、服役、维护、健康诊断、拆换乃至设计寿命的确定、使用一段时间后剩余寿命的预测等等，皆无明确、统一的规范。在大量的中、下承式拱桥和斜拉桥的吊杆设计、营运、维护、拆换、修复过程中，主要依据设计者的主观判断，缺乏公认的准则，以致吊杆失效造成的桥梁损坏和事故时有发生。

1903年，纽约威廉斯堡桥建成后，分别于1921、1924、1963年对主缆和吊杆进行过全面修补; 美国 PascoKennewick桥，建成仅3-5年，拉索失效拆换，原计划寿命为25年;德国汉堡 KohlbrandEstuary桥通车几年即被迫全部更换斜缆，其费用相当于建桥总费用的一半， 造成相当大的经济损失。

美国西佛吉利亚州的波音特普莱森特大桥于1967年12月15日倒塌，造成多人伤亡。事故原因是眼杆上的孔眼部位发生腐蚀疲劳和应力腐蚀，导致断裂[3]。孔眼位置隐蔽，难以检测裂纹。

韩国汉城的圣水桥于1994年10月21日突然断裂。事故原因是吊杆对接焊工艺不严，未开坡口，裂缝难以检查。该桥仅使用15年后便发生事故[4]。

著名的委内瑞拉Maracaibo桥，使用16年后，斜缆失效，全部换索，耗资达5000万美元。中国广州海印大桥建成6年后，斜拉索断裂导致全部换索; 济南黄河公路桥使用13年后，20%索面严重锈蚀，不得不换掉272根旧索，安装248根新索，历时62天; 虎门大桥刚刚建成便发现索有锈蚀; 红水河铁路桥使用 2 0 年后，因锈蚀严重，不得不全部换索。

2001年11月7日，宜宾金沙江桥在建成通车11年半后，桥面两端的短吊杆发生断裂，导致局部桥面坠入江中。事故原因是短吊杆反复发生剪切变形，产生较大的应力幅值，导致其疲劳断裂。设计缺陷使得裂纹不易被发现，且封闭设计不合理导致积水加速腐蚀

[5]。

台湾省宜兰县的南方澳跨港大桥于2019年10月1日发生吊杆断裂并导致桥梁垮塌。事故原因是下锚头及附近吊杆锈蚀，导致承载力不足。调查发现锚头区域积水，填缝胶老化失效，没有设置泄水孔等问题加剧了锈蚀。

3  吊杆断裂分析

重庆鹅公岩轨道大桥吊杆断裂是典型的先疲劳后断裂现象。将图3和图6[6]进行对比发现，LM2吊杆断裂截面为高应力下尖锐缺口，受单向弯曲荷载而破坏。

图6 应力对圆形构件疲劳断裂的影响

从图片4看，吊杆轴线和上索夹耳板中心线存在横桥向的偏差，在荷载作用下将导致吊杆受弯拉组合作用，这与断裂截面光滑区的表现是一致的。此外刚性吊杆通过螺纹与上耳板连接，螺纹处存在较大的应力集中，因此疲劳裂纹可能从吊杆的横桥向一侧萌生和扩展。疲劳裂纹扩展的特征是裂纹面的反复张开闭合。裂纹面闭合接触导致该裂纹面反复摩擦，因而图3断口的光滑面显然是疲劳形成的。而后疲劳裂纹扩展到临界尺寸，裂纹尖端的应力强度因子达到钢材的断裂韧性，断裂瞬间发生。由于断裂面是一次性撕裂形成，因此非常粗糙，图3断口看到的粗糙面就是断裂。

4  桥梁吊杆的疲劳破坏机理

桥梁吊杆的疲劳破坏机理是交变荷载的反复作用导致结构在低于名义应力的情况下断裂破坏的现象。这个过程非常复杂，一般包括裂纹的形成、裂纹的缓慢发展和最后的迅速断裂。

疲劳破坏的产生需要满足三个条件：应力反复、拉应力及塑性应变三者同时存在。满足这三个条件，应力平均值即使在抗拉强度或屈服点以下也可能产生疲劳破坏[7]。

腐蚀介质与循环应力的交互作用会大大降低材料和构件的疲劳强度。腐蚀介质和静应力共同作用产生的腐蚀破坏称为应力腐蚀，而腐蚀介质与循环应力先后作用产生的疲劳破坏称为预腐蚀疲劳，腐蚀介质与循环应力同时作用产生的腐蚀破坏现象称为腐蚀疲劳。

对于腐蚀疲劳，按照腐蚀介质的状态和性质，又可分为气相疲劳和水介质疲劳。在腐蚀疲劳时，循环应力增强介质的腐蚀作用，而腐蚀介质又加快了循环应力下的疲劳破坏，二者共同作用更加有害。

吊杆破损是疲劳和腐蚀共同作用的结果，在反复高应力的作用下，吊杆的疲劳为腐蚀创造条件，加速腐蚀的进行；反过来，腐蚀会降低吊杆的抗疲劳能力，使得吊杆更加容易发生疲劳破损。因此，在桥梁设计时，不仅仅要使吊杆满足强度要求，而且要使吊杆具有足够的抗疲劳能力。

5  对桥梁吊杆的保护

由断裂力学结论可知，边裂纹比内部裂纹更危险。故对于吊杆的保护，可以采取此种思想，即将边裂纹变成内部裂纹，在吊杆外围增加保护层。从专家会诊结果来看，该桥梁有桥梁健康监测系统，但吊杆检测方法未提及。但以后可以采用声发射技术[8]，材料受外力或内力作用产生变形或断裂时，以弹性波的形式释放出应变能的现象。声发射也指固体内部的缺陷或潜在缺陷，在外部条件作用下改变状态而自动发声。声发射检验的基本原理就是由外部条件（如力、温度等）的作用而使物体发声，根据物体的发声推断物体的状态或内部结构变化。这样就可以同时实现断裂事前和事后的预警，检测吊杆裂纹发展，及时更换。

6总　　结

通过对重庆市鹅公岩轨道大桥吊杆断裂事故的介绍分析，引出桥梁吊杆损伤现状介绍，同时对轨道桥吊杆断裂截面分析发现是疲劳断裂。对于其断裂机理进行简要介绍分析，给出适当建议。

参考文献

[1]  臧瑜,戴建国,邵长宇.重庆鹅公岩轨道大桥设计关键技术[J].桥梁建设,2020,50(04):82-87.

[2]  臧瑜，戴建国，邵长宇．重庆市鹅公岩轨道专用桥科研项目的规划与实施 ［Ｊ］．中 国 市 政 工 程，2022（１）：33-37.

[3]  冉旭. 在役公轨两用钢桥疲劳应力幅分析研究[D].重庆交通大学,2017.

[4]  吴骏. 公轨两用特大桥吊杆疲劳分析[D].中南大学,2008.

[5]  赵丽颖,兰敬军.桥梁吊杆疲劳问题及分析方法研究综述[J].今日科苑,2009(06):119-120.

[6]  金属的缺陷、载荷与疲劳[M]. 中国铁道出版社 , 林吉忠等编著, 1993

[7]  王栓柱. 金属疲劳(王栓柱 编)[M]. 福建科学技术出版社, 1986.

[8]  马俊.声发射技术在金属材料检测中的应用[J].中国金属通报,2019(10):290-291.