斜拉索是传递斜拉桥主梁、桥面系恒載及活载至桥塔的关键受力构件，其服役情况直接关系到桥梁结构安全。鉴于目前大多数斜拉索使用寿命短(仅为桥梁设计基准期的110左右，普遍不足20年)，服役期间易出现病害，斜拉索的专项检测和日常维护至关重要。
沈阳市公和桥主桥是我国第1座双层独塔单索面斜拉桥，至今已运营15年，主桥跨径布置为(114+120)m。该桥主梁采用单箱5室预应力混凝土箱梁，桥塔采用混凝土结构，桥塔有索区采用工字形截面下部结构采用桩基础。该桥斜拉索为32对平行钢丝索，双排单索面竖琴式布置，斜拉索梁端苗固在箱梁中室靠横隔梁处，梁上索距6.66m塔端锚固在桥塔外表面，塔上索距3.92m。斜拉索采用极限强度为1670MPa的二5mm被锌低松弛高强钢丝，钢丝数分别为283和301，采用冷铸锚锚固。斜拉索设置双层热挤PE护套防护，梁端防护罩填充发泡剂，锚头端设置防水罩。公和桥主桥立面布置如图1所示。为评估该桥斜拉索的服役情况，确保结构的安全、稳定，需对其斜拉索进行检测，并对病害处进行修复。
2斜拉索检测评估
根据斜拉索的常见病害特点，重点检测该桥斜拉索的腐蚀情况(外观与内部缺陷检测)、索力安全性及减振效果(力学性能检测)。
图1 公和桥主桥立面布置
2.1外观与内部缺陷检测评估
斜拉索在运输、储存及施工过程中操作不当4，斜拉索外观存在缺陷均可产生斜拉索索体积水，进而导致斜拉索腐蚀。通过查阅桥梁建设及管养资料，未发现斜拉索在桥梁建设过程中存在积水的现象。根据该桥斜拉索的构造恃点，重点检测斜拉索上、下锚头，将军帽，PE护套等易致索体进水的部位5，同时需对斜拉索内部缺陷进行无损检，以评估斜拉索索体钢丝的锈蚀程度。
2.11上、下锚头外观检查
通常斜拉桥的斜拉索塔端锚固在桥塔箱室内部，上锚头处于密封环境，雨水通过上锚头进入索体的概率较小，而该桥上锚头锚固在桥塔外表面，长年受雨水侵蚀，可能导致雨水进入索体。通过对全桥64个上锚头进行外观检查，得出上锚头存在的主要病害为:(1)全桥上头均未见积水现象，34个斜拉索上锚头油脂缺少，锚头防护罩处有黄油渗出，占上锚头总数的53.1％(2)3根斜拉索上描头(E12北侧索和W2南、北侧索)锚固区存在混凝士开裂现象，裂缝宽度在0.14～0.21mm之间，占上锚头总数的4.7％。
公和桥下锚头罐固在箱梁中室内部，均安装了防护罩，检测时需打开防护罩及锚杯盖。检查得出下头的主要病害为:(1)下锚头锚杯内均未发现钢丝墩头回缩或积水现象，有7根斜拉索下锚头防护罩内有积水现象, 占总数量的10.9%, 7根斜拉索的索号分别为W10南侧索、W15南侧索、W16南侧索和W5北侧索、W6北侧索、W15北侧索、W16北侧索; (2) 下锚头锚杯处缺少黄油防护, 防护罩内(见图2)的斜拉索下描头腐蚀情较为严重，链杯内壁也存在锈性现象(见图3)，其它斜拉索下罐头及杯内外观情況较好，只是锚头外侧存在轻度锈蚀现象。
图2 下锚头防护罩内积水
图3 下锚头锚杯内壁锈蚀
2.1.2 防护罩检查
斜拉索护罩内均填充有发泡剂, 打开全桥64根斜拉索的将军帽进行检查, 发现W10南侧索、W15南侧索、W16南侧索、W5北侧索、W6北侧索、W15北侧索和W16北侧索的套筒内发泡剂被水浸泡, 在斜拉索套筒上钻孔进行检查, 有水从开孔处流出, 其它斜拉索的套筒内发泡剂干燥 (见图4、图5) 。被水浸泡的斜拉索索号与下锚头防护罩内存在积水的斜拉索索号一致, 说明雨水通过将军帽进入斜拉索护罩是下锚头防护罩积水的主要原因。
图4 套筒内发泡剂干燥
图5 套筒内发泡剂被水浸泡
2.13PE护套外观检查及索体内部缺陷检查
斜拉索索体外观检查采用索体检机器人(可对自由段索体外观进行360°全方位摄像)检测并依据漏磁检测原理对索体内部高强钢丝的锈蚀和断丝情况进行无损检测6。外观检测结果表明:(1)8根斜拉索PE套管表面局部存在蜂窝，索号分別为E10南侧索、W10南側索、W15南侧索、E5北侧索、W5北側索、W6北侧索、W8北侧索及W15北侧索，占斜拉索总数的12.5％；(2)有16根斜拉索PE护套表面存在开裂现象，占斜拉索总数的25.0％；(3)局部存在蜂和裂缝均为PE护套表面损伤，尚未贯穿PE护套。PE护套病害产生的原因可能是因为建设期运输、施工工艺不当、PE护套材料老化或活载反复疲劳作用。
无损检测结果表明下锚头防护罩内有积水的7根斜拉索内部钢丝均未出现断丝，斜拉索钢丝的最大截面锈蚀率在153％～527％之间。依照《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG「H21-2011）的规定，该斜拉索钢丝的锈蚀标度为3，推断钢丝表面存在锈蚀，部分氧化皮已经剥落。《城市桥梁养护技术规范》(CJJ99-2017)中规定，钢丝锈蚀造成该斜拉索总面积损失超过10％时，必须进行换索，该桥的斜拉索尚未达到必须换索的条件。
下头防护罩内积水的斜拉索的PE护套表面不一定存在缺陷，部分PE护套受损的斜拉索下锚头未发现明显病害，考虑到PE护套仅为表层受损，各斜拉索钢丝的最大截面锈蚀率较低，推断雨水通过PE护套进入索体的概率较小。
2.1.4检测注意事项
斜拉索外观与内部检测时，应注意以下内容：(1)打开上、下头检查时，应及时排出防护罩内的积水，检查完成后将防护罩复原，避免因检测造成斜拉索体系构件丢失；(2)检查斜拉索防护罩钻孔时，钻孔位置应选择在护套下方避雨处，开孔后尽快组织检查，检查完成后尽快修复，(3)采用斜拉索机器人进行检测时应控制机器人的握紧力，握紧力过大可能导致PE护套受提;(4)上锚头和防护罩暴露在自然环境中，检测时应避开雨水天气，防止雨水进入索体。
2.2力学性能检测评估
2.2.1索力测试结果分析
斜拉索索力超限是影响斜拉索寿命的主要因素之一，桥梁自竣工以来历次索力测试综合结果表明，恒載状況下公和桥斜拉索索力稳定，2016年实测索力与成桥索力偏差在5％以内的斜拉索有53根，占总数量的82.8％，共有11根索的实测索力与成桥索力偏差超过了5％。下锚头防护罩积水严重的7根斜拉索索力测试结果如表1所示。
表1 下锚头防护罩积水严重的7根斜拉索索力测试结果
综合考虑恒载作用下的实测索力、最不利荷载组合引起的索力增量及斜拉索的钢丝锈蚀率折减等因素, 计算得出全桥斜拉索的安全系数最小值为2.63, 其中下锚头防护罩积水严重的7根斜拉索的安全系数最小值为2.77, 满足斜拉索在服役期间索力安全系数不得低于2.5的要求。表1中索力增量为扣除恒载后的最不利荷载组合作用下的索力增量理论值。
2.2.2 斜拉索减振效果分析
斜拉索对数衰减率达到0.02以上时可有效抑制斜拉索的涡激振动;对数衰减率达到0.03以上时能有效防止斜拉索的风雨振;对数衰减率达到0.05以上时可防止并排斜拉索的尾流驰振。抽检公和桥12根斜拉索进行对数衰减率测试, 斜拉索对数衰减率实测值如表2所示。
由表2可知, 除W16南侧索的对数衰减率为0.04外, 其它11根索的对数衰减率均不小于0.05, 桥梁建成至今也未出现斜拉索的尾流驰振现象, 表明公和桥斜拉索的减振效果较好。
表2 斜拉索对数衰减率实测值
2.2.3 其它测试结果分析
斜拉索索力变化和斜拉桥桥面线形息息相关, 桥面布置永久性观测点的观测结果表明公和桥桥面线形平顺, 南、北侧高差较小, 最大高差为0.016m, 且历年的测试结果稳定, 连续3年桥面高程变化量不超过±1cm, 说明目前斜拉索的病害尚未引起桥面线形变化。
外观检测时发现E12北侧索和W2南、北侧索3根斜拉索塔端锚固区存在混凝土开裂现象, 桥梁荷载加载过程中, 对裂缝进行监测, 裂缝的长度和宽度均未明显扩展, 说明斜拉索塔端锚固区的裂缝为非结构裂缝, 尚不影响桥梁结构安全。
2.3 综合评估
公和桥斜拉索的缺陷检测和力学性能检测结果表明, 目前斜拉索索力和减振效果均满足规范要求;斜拉索的外观虽存在一定的缺陷, 内部钢丝表面存在锈蚀, 但尚不影响结构安全, 因此无需换索。
3 斜拉索修复
3.1 修复措施
斜拉索病害程度严重的需要进行换索处理, 尚不严重的采取修复处理。斜拉索需换索的主要原因可分为以下2种: (1) 斜拉索外观或内部存在重大缺陷 (斜拉索腐蚀、斜拉索遭受车辆撞击及火损等突发事故受损) ; (2) 斜拉索力学性能不足 (斜拉索索力超限或风振强烈) 。公和桥斜拉索布置在桥面中心线处, 有防撞栏杆防护, 建成至今尚未发生车辆撞击、意外火灾等突发事件, 而该桥无需换索, 应对既有病害进行修复。该桥斜拉索的修复措施如下:
(1) 上、下锚头修复。该桥斜拉桥上、下锚头缺少黄油防护, 斜拉索塔端锚固区存在非结构裂缝, 该类病害对斜拉索的安全性影响较小, 但对索结构的耐久性影响较大。对斜拉索上、下锚头进行除锈处理, 再重新添加黄油防护, 并对斜拉索塔端锚固区的裂缝进行灌浆处理。
(2) 防护罩修复。该桥共有7根斜拉索将军帽处密封不严, 导致斜拉索护罩内发泡剂被水浸泡, 防护罩内大量积水, 斜拉索下锚头锈蚀, 该类病害对斜拉索的安全性和耐久性均有较大影响。清除这7根斜拉索防护罩内的发泡剂, 烘干处理后填充新的发泡剂, 再对将军帽处密封处理, 同时对斜拉索下锚头防护罩进行除湿烘干处理。
(3) PE护套修复。部分斜拉索索体PE护套存在蜂窝和开裂现象, 但未贯穿PE护套, PE护套病害目前尚不影响结构安全, 但继续恶化会直接危害斜拉索的安全和耐久性, 应对PE护套受损部位进行修复。
3.2 修复注意事项及修复效果
(1) 上锚头修复和PE护套修复均为高空露天作业, 坠落物可能危及过往车辆安全, 应做好相应的安全防护, 并在施工期间封闭靠近塔区的车道。
(2) PE护套修复应请斜拉索原制造厂家进行修复, 严格把控施工工艺, 确保PE护套的耐久性。
