自1970年代改革开放伊始，我国经济持续蓬勃发展，伴随而来的是对交通运输日益增长的需求。为应对这一需求，我国大力推进桥梁建设，取得了举世瞩目的成就。在各类桥型中，悬索桥由于其独特的结构优势、视觉美感、卓越的通航和跨越能力，已成为现代大跨度桥梁设计的首选之一。

悬索桥主要由主缆、吊索、主塔、锚碇及加劲梁等组成。吊索连接悬索桥加劲梁与主缆，由柔性的高强钢丝构成。吊索作为悬索桥的重要受力构件，位于桥面上方，桥面上火灾、车辆撞击等突发事件极易造成吊索损伤，对桥梁结构安全构成了直接威胁。吊索一旦发生严重损伤，可能导致主缆失去对桥面的支撑作用，进而引发桥面下沉或垮塌的严重后果。此外，吊索损伤还可能导致桥面线形变化或振动增大，影响桥梁的舒适性和安全性。面对运营中可能出现的吊索突发损伤，桥梁管理单位急需一套完善的应急体系。这要求首先对潜在的吊索损伤进行全面评估。随后基于评估结果制定应急措施，旨在最大程度减少突发状况的不利影响，确保桥梁的安全运营。本文以主跨（2×1080）m的三塔两跨悬索桥——泰州大桥为依托，研究此类桥梁吊索运维应急体系的建立。

吊索主要结构

吊索是悬索桥中起支撑桥面作用的重要组成部分。它通常由多层结构组成。

最内层为锌铝、镀锌或环氧涂层钢丝，是吊索的主要承载部分，负责将荷载从桥面传递到主缆上，具有良好的抗腐蚀性能，能够有效地延长吊索的使用寿命。

为了进一步增加吊索的使用寿命，钢丝通常会被缠绕上缠包带。缠包带是一种具有高强度和耐磨性的带状材料，它将吊索钢丝的各个部分牢固地束缚在一起。

吊索的外层通常采用高强度聚乙烯（High Density Polyethylene，简称HDPE）护套，它具有良好的耐磨、耐腐蚀和抗紫外线性能，能够有效保护内部钢缆不受外界环境和气候条件的侵蚀。HDPE护套一般采用双层热挤技术塑成型，内层PE厚度较大，为黑色；外层PE厚度较薄，为白色或彩色。

图1 吊索断面组成示意图

吊索损伤风险源识别

若要评估吊索损伤，首先需要识别导致吊索发生损伤的风险源。风险源识别过程包括以下几个步骤——

工程资料的收集整理：收集和整理设计资料、施工资料、桥梁检测资料以及加固、维修和养护资料。这些资料可以帮助判断影响吊索安全的因素。

桥梁区位环境资料调研整理：调查和整理桥梁所处的区位环境资料，包括地质、气象、水文和交通状况等。这些信息可以帮助判断外界环境对吊索安全的影响。

同类桥梁风险事件调查：查阅桥梁运营安全风险事件数据库，收集与目标桥梁具有相似环境、设计、施工或运营条件的桥梁的风险事件和风险源。这些类似桥梁的经验可以提供有价值的参考。

确定典型吊索损伤风险源：结合所收集整理的资料信息，确定在桥梁运营过程中典型的吊索损伤风险源。这些典型风险源可以帮助评估吊索的损伤风险。

通过以上风险源识别过程，可得到吊索的损伤风险源主要包括火灾风险、撞击风险、气象灾害和结构病害。这些风险源的识别，对于制定后续相应的预防和维护措施非常重要。

图2 吊索断裂风险源

吊索损伤评估方法

针对吊索在桥梁日常运营中面临的上述多种风险源，分析了其可能遭遇的突发事件及其造成的不同类型和程度损伤，将吊索破坏突发事件分为吊索断裂损伤、钢丝断裂损伤、吊索火损、保护层损伤4类，并对各类损伤程度进行评估定级，等级划分标准如表1所示。

吊索断裂损伤

悬索桥的吊索长度和位置各不相同，其受力和应力分布会在不同的区域产生差异。为了更准确地评估吊索的断裂风险，将吊索断裂分析划分为长索区、中长索区和短索区三个部分。

图3 吊索范围划分示意图

吊索断裂后，相邻吊索的索力会增加，安全系数会下降。为了模拟断裂对相邻吊索索力的影响，在Midas Civil有限元模型中对相应的吊索单元进行钝化处理，并计算对应的吊索安全系数作为结构安全性的评定标准。根据相关规范要求，结合大桥设计资料和现场实测数据，将吊索状况分为四个级别，具体评判依据如下所示——

一级损伤

多根相邻吊索同时发生断裂,剩余未断裂吊索索力大幅增加,其中部分相邻吊索安全系数极低,将发生连续断裂，最终造成桥梁垮塌,此时未断裂吊索的最小安全系数小于1。

二级损伤

多根相邻吊索同时发生断裂后，剩余未断裂吊索索力将大幅增加，其中部分相邻吊索安全系数极低，有可能发生连续断裂，最终造成桥梁垮塌，此时未断裂吊索的最小安全系数小于1.33。

三级损伤

少数相邻吊索同时发生断裂后，剩余未断裂吊索索力将大幅增加，其中部分相邻吊索安全系数很低，已不满足规范中规定的吊索强度要求，此时未断裂吊索的最小安全系数小于2.2。

四级损伤

单根或个别相邻吊索同时发生断裂后，剩余未断裂吊索索力有所增加，其中部分相邻吊索安全系数明显降低，已不满足原设计强度要求，此时未断裂吊索的最小安全系数小于3.0。

经计算，可得出以下结论——

1.当任意一根吊索断裂时，其索力主要转移至同一吊点另一个吊索承担，导致另一吊索达到四级损伤等级，即安全系数小于原设计3.0，但对其他吊点吊索影响较小。

2.当同一吊点吊索全部断裂后，其索力主要转移至相邻吊点吊索承担，随着断索数量的增加，相邻吊索损伤等级逐渐提高，对应吊索断裂损伤等级见表2。

钢丝断裂损伤

悬索桥吊索经过长时间使用，钢丝可能发生锈蚀，或是吊索遭受火灾、撞击、雷击等，以上情况均可能造成吊索截面削弱、承载能力降低，严重时导致吊索整根断裂，危害结构安全。

为了对吊索钢丝进行评估，根据吊索规格和索力大小将吊索分为A类特殊索力特殊吊索、B类常规索力特殊吊索和C类常规索力常规吊索三个类别。吊索的安全系数K被用作评定标准，以确定单根吊索的损伤状态。经过计算，当吊索达到轻度损伤状态（2.2≤K＜3.0）之前，允许出现的断丝面积分别为6%、38%和12%。当吊索的断丝面积达到67%、78%和69%时，吊索可能发生整根断裂。因此，可以得知钢丝断裂所能造成的最大损伤是吊索的断裂。根据吊索断裂等级评判内容可知，断裂1根吊索的损伤等级为三级损伤，故钢丝断裂的最大损伤等级应为三级损伤。根据上述分析，钢丝断裂损伤等级的评判标准如表3所示。

钢丝火损

根据文献资料调研结果显示——

1.只要HDPE护套未完全烧毁，则可认为其内部钢丝力学性能没有产生明显的降低。

2.吊索钢丝在温度超过400℃时，其力学性能会明显下降，但在低于400℃的温度下，火灾对钢丝的影响较小。

3.在100MW火源热释放率（如油罐车燃烧）下，距离火源最近的吊索约在13分钟左右达到400℃，而在30MW火源热释放率（如大卡车燃烧）下，达到190℃的时间约为13分钟左右。

4.考虑到3MW（小轿车）、5MW（装有塑料的小轿车）和20MW（大客车）等（见表5）的单位面积热释放率和火灾持续时间均小于30MW释热率火灾，因此判断不会对桥梁造成重大安全影响。

综合上述调研资料，并考虑到泰州大桥日常频繁通行危化品车辆的情况，以及危化品相较于油罐车具有更大的热量释放和扩散可能性，同时考虑到应急响应的实际可行性和生产运营情况，故将对吊索钢丝的火损定级进行如表5划分。

保护层损伤

通常情况下，若仅HDPE护套外层损伤，或HDPE护套完全剥落，但钢丝未出现断丝，可认为吊索性能没有受到影响，仅需要对PE护套进行维修。故将吊索保护层损伤定级设定如表6。

吊索损伤事件应急处置

吊索损伤突发事件应急处置的核心是确保结构安全的前提下保障交通通行,并以最高效率进行修复或吊索更换。

保护层修复

根据上一节保护层损伤评判表可将防护层损伤分为浅层损伤及深层损伤。对于保护层浅层损伤，可对损伤进行修整后用HDPE原料和热风速焊枪进行修补并打磨平整；对于保护层深层损伤，将原有护套完全清除后，使用加热套管用模压法进行修补。

吊索临时连接

发生吊索断裂事故后,可对吊索进行临时应急连接,恢复吊索功能,保障交通通行。下图是一种吊索应急连接装置，通过承载梁、张拉装置、锚固装置等对断裂的吊索进行临时连接并张拉至原索力，使吊索功能临时恢复直至吊索更换完成。

图4 吊索临时应急连接装置

吊索更换

为缩短吊索更换方案设计时间，可参考吊索断裂后结构受力分析结果，单根吊索断裂可按无临时吊索的直接更换方法进行设计。若要进一步提高安全储备，有条件时可直接在原吊耳处设置临时吊索，也可在原锚点旁设置新的临时锚点并安装临时吊索，然后进行吊索更换工作。

通过对吊索损伤风险的计算与分析,可以深入了解吊索损伤对整个悬索桥的影响。吊索作为悬索桥的关键组成部分,其承载着巨大的荷载和压力。一旦吊索发生损伤,不仅会影响桥梁的结构稳定性,还可能导致严重的事故发生。

为了评估吊索的损伤程度，建立了吊索损伤评估模型，以提供科学的评估依据。根据模型计算结果，将吊索的状况划分为不同的级别。通过对吊索进行定期检查和测试，可以准确地判断吊索的损伤程度，及时采取相应的修复和更换措施，以避免吊索损伤引发的事故。在吊索损伤发生后，损伤等级评判表可以帮助快速判断吊索的损伤程度，并根据评判结果采取相应的行动。对于轻微损伤，可以进行局部修复和加固；对于严重损伤，可能需要更换整个吊索。及时的修复和更换措施可以保障悬索桥的正常运行，避免因吊索损伤引发的事故对交通运输和人民生活造成的影响。此外，应急处置方案的提出也是确保悬索桥安全运行的关键。在吊索损伤发生时，应急处置方案可以帮助相关人员迅速采取行动，保障桥梁的正常运行。这包括紧急修复措施和临时支撑措施，以确保桥梁在修复期间仍能够安全运行，不给交通和人民生活带来过多的影响。

未来，还需进一步完善吊索损伤评估模型，提高评估的准确性和可靠性。这可以通过结合更多的数据和先进的技术手段，如无损检测技术和传感器监测系统，来提高吊索损伤的诊断和评估能力。同时，研究吊索的预警技术也是重要的方向。通过提前发现吊索的异常信号和预测吊索的寿命，可以及时采取预防措施，进一步提高悬索桥的安全性和可持续性。

本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志

2023年 第4期 总第24期

作者 / 张佰林 付一小

作者单位 / 江苏泰州大桥有限公司

中铁桥隧有限公司