橋樑拉索是拉索支承橋樑（包括吊索拱橋、斜拉橋和懸索橋等）最重要的承載構件，是橋樑的生命線，其耐久性與可靠性直接關係到橋樑的安全運行與使用壽命。然而，橋樑拉索的使用現狀不容樂觀，幾乎所有的在役橋樑，其拉索都存在不同程度的病害，並且日益惡化。因橋樑拉索斷裂造成橋樑垮塌的嚴重事故，也時有發生。橋樑拉索病害嚴重威脅橋樑的安全及正常使用。海恩法則告訴我們：每一起嚴重事故的背後，必然有29次輕微事故和300起未遂先兆以及1000起事故隱患。要杜絕拉索事故的再次發生，要讓拉索實現正常的使用壽命，必須防患於未然。
橋樑拉索分類
橋樑拉索可依據橋樑類型與使用功能分為以下七類：
1
懸索橋用拉索
懸索橋用拉索主要包括：主纜、吊索（吊杆）、錨碇拉索等。與拉索有關的構件有索鞍、散索鞍、索夾、索股聯結件等。
主纜一般由公稱直徑Φ5.2mm的鍍鋅高強鋼絲組成，兩端用熱鑄錨錨固，與索股聯結件連接。吊杆一般採用高強鋼絲（鋼絞線），連接主纜上的索夾後吊起橋面系，承受橋面系荷載。當採用預應力式錨碇時，需設置錨碇拉索。錨碇拉索一般採用高強鋼絲（鋼絞線）成品索，張拉施工後，通過索股聯結件與主纜索股連接，承受主纜拉力。
自錨式懸索橋因其沒有錨碇構造，主纜索股直接錨固在橋面系主樑上。其餘用索與懸索橋用索類同。
2
斜拉橋用拉索
斜拉橋斜拉索一般採用高強鋼絲（鋼絞線），一端錨固在主塔，一端錨固在主梁。通常主塔為張拉端。矮塔斜拉橋拉索張拉端設在梁端，塔頂設索鞍將拉索載荷均勻傳遞到索塔。
3
拱橋用拉索
拱橋用拉索主要包括：吊杆、系杆等。吊杆、系杆一般採用高強鋼絲、高強鋼絞線。
吊杆固定於拱肋後吊起橋面系，承受橋面系荷載。系杆錨固於拱肋順橋向外側，平衡拱肋的水平推力。
4
組合式橋、特種橋、
人行景觀橋及簡易橋用拉索
組合式橋、特種橋、人行景觀橋及簡易橋一般採用簡化的懸索橋、斜拉橋、拱橋，或懸索橋、斜拉橋、拱橋之間的相互組合。其用索與懸索橋、斜拉橋、拱橋的用索類似。
組合式橋以懸索橋與斜拉橋組合最為普遍。
特種橋以簡化的懸索橋最為普遍。其功能主要用於物料輸送的跨越構造。如輸油管道、輸氣管道、輸水管道（構造）的跨越橋樑。
5
體外預應力拉索
體外預應力體系是後張預應力體系的重要分支之一，體外預應力拉索（體外索）是位於構件主體截面外部的預應力束，它如同體內索一樣，通過對構件施加預應力，以抵消外荷載對結構的拉應力作用。
體外預應力亦可用於結構加固，以增加結構的預應力度，提高結構剛度，控制結構撓度與裂縫，提高結構的承載能力。
體外索一般採用高強鋼絞線成品索體，或高強鋼絞線單元式索體。兩端錨固於結構錨塊（墩）上，跨中通常設置轉向裝置、索體支承結構和減振裝置。當索體較長時可設置連接器。體外索還可採用預應力碳纖維板。
6
臨時拉索
臨時拉索通常是為了配合主體結構施工而採用的工具索。如拱橋拱肋懸臂拼裝用的臨時扣索、轉體施工用的牽引拉索等。
臨時拉索屬於臨時性使用的工具索，使用時間短。當主體結構施工完畢時，一般都會拆除。
臨時拉索一般使用的應力水平較斜拉橋的斜拉索、拱橋的吊杆高，達到拉索材料公稱強度的0.5～0.55，臨時應力峰值可達到拉索材料公稱強度的0.6～0.65。
7
輔助拉索
最常用的輔助拉索是大跨度懸索橋、斜拉橋、拱橋的減振用拉索。它與每根斜拉索或吊杆相互連接，增加斜拉索或吊索的剛度，從而提高拉索的振動頻率、增加拉索模態阻尼，從而有效地抑制斜拉索或吊索的振動，以提高斜拉索或吊杆乃至橋樑結構的使用壽命。
橋樑拉索典型事故
因橋樑拉索造成的事故屢見不鮮。常見的橋樑拉索事故，有拉索損傷與斷裂造成橋樑結構垮塌或其他傷害事故、拉索火災造成的拉索和橋樑結構受損事故，以及拉索冰凌墜落造成行車、行人傷害事故等。
拉索腐蝕斷裂事故
這是最常見、最普遍發生的事故。由於部分早期拉索的技術缺陷、施工質量及管養不到位等問題，造成拉索長期腐蝕，直至斷裂。如廣州海印大橋斜拉索上端裸露的鋼絲用脆性的水泥砂漿防腐，且防腐的水泥砂漿多年後未凝結，拉索高強鋼絲長期裸露，最終高強鋼絲腐蝕性斷裂。宜賓小南門金沙江大橋吊索也因長期腐蝕斷裂造成部分橋面垮塌事故，等等。
拉索腐蝕對拉索壽命與安全有極其重要的影響。橋樑拉索一般處於高應力狀態下工作，因此應力腐蝕特徵明顯。有研究表明【1】，預應力筋的腐蝕速度與預應力筋的工作應力密切相關，工作應力越高，腐蝕速度越快。當預應力筋發生應力腐蝕時，其力學性能明顯下降，極易產生疲勞脆斷。因此，橋樑拉索的壽命將會大大縮短。此時，橋樑拉索可能會在沒有任何徵兆的情況下發生脆性斷裂。目前，多座橋拉索的事故，無論從事故特徵，還是拉索壽命都與研究結果吻合。
應力腐蝕是金屬材料在拉應力與腐蝕介質共同作用下的腐蝕現象。應力腐蝕過程一般可分為三個階段。第一階段為孕育期,在這一階段內,因腐蝕過程局部化和拉應力作用的結果,使裂紋生核；第二階段為腐蝕裂紋發展時期,當裂紋生核後,在腐蝕介質和金屬中拉應力的共同作用下,裂紋擴展:第三階段中,由於拉應力的局部集中，裂紋急劇發展導致材料的破壞。應力腐蝕,尤其是在交變應力作用下的腐蝕疲勞,材料的腐蝕速度加快,金屬表面粗糙不平,應力集中明顯,極易發生沒有任何徵兆的脆性斷裂。因此,應力腐蝕是一種非常危險的破壞。對於橋樑拉索來說,防止應力腐蝕應加強拉索的有效防護，減少腐蝕介質的作用。
調查與研究表明,拱橋吊杆、斜拉橋斜拉索等下端預埋管處,懸索橋的主纜散索段、錨碇段由於水患的影響,拉索的腐蝕最為嚴重【2】。懸索橋的主纜由於目前的施工方法沒有把施工過程中的水排出,成橋後主纜內部相對濕度極高(85%以上)。再有,主纜由於構造上的原因,內部鋼絲與大氣貫通,在氧氣循環交換的作用下,主纜鋼絲易發生腐蝕【3】。
融雪劑有強烈的腐蝕性，對拉索的腐蝕不容忽視。圖1為橋樑拉索腐蝕的典型案例。
a 拱橋吊杆腐蝕斷裂
b 拉索錨頭腐蝕
圖1 拉索腐蝕圖
橋樑拉索腐蝕後會大大縮短使用壽命，增大橋樑垮塌的風險。因此，須重視並加強橋樑拉索的防腐措施：
1.確保拉索的水密性性能。橋樑拉索應具有良好的水密性性能，當處於水浸環境中工作時，水也不應進入拉索內部的受力鋼絲。通常，橋樑拉索應通過水密性試驗與檢驗。水密性試驗可參照國際結構混凝土協會（fib）的規範【4】進行。
試驗拉索張拉至公稱抗拉強度的0.3σb後浸入3m水頭的帶顏色液體中，經過0.45～0.2σb的10個索力周期荷載循環後，保持拉索索力至拉索公稱抗拉強度的0.3σb。液體20℃（常溫）～60℃冷熱交替循環8個周期，當水溫達到最高（或最低）時，拉索作±25mrad橫向擺動250次後檢查拉索有無進水。試驗裝置如圖2所示。
圖2 水密性試驗裝置及原理圖
2.水密性與氣密性。橋樑拉索的腐蝕與水與氣密切相關。拉索的大多數部位，如懸索橋主纜內部、主纜散索段，斜拉索、吊杆上下端預埋管內、拉索錨頭等往往沒有明顯的水存在。但是，由於它與大氣相通，相對濕度高，腐蝕也很容易發生。我們的研究認為，橋樑拉索實行全封閉，包括相關部件實現水密性與氣密性，可確保橋樑拉索在整個服役期內不易被腐蝕，達到拉索的使用壽命要求。在研究斜拉索的腐蝕案例時，學者認為最有效的防腐手段就是將鋼絲與大氣隔離【5】。
3.橋樑拉索的多層防腐措施。國際結構混凝土協會（fib）的規範建議，要確保斜拉索的100年使用壽命，橋樑拉索應該採用多層單元式防腐措施。實踐證明，諸如平行鋼絲類拉索，由於鋼絲與鋼絲之間是完全貫通的，在毛細作用下，全部鋼絲同時受到腐蝕影響。
4.加強施工中的防水。在施工過程中應採取臨時防水和可靠的排水措施，避免雨水進入下端預埋管內浸泡拉索。
火災事故
常見的拉索火災事故有三類：施工過程、運營過程、人為縱火造成的拉索火災事故。
由於目前橋樑拉索沒有完善的防火標準及設計規範，拉索防火基本無嚴格要求。有一些種類的拉索其部分材料為了達到防腐及防護的要求，仍使用一些可燃甚至易燃材料，一旦失火，橋樑拉索極易損壞，甚至橋樑拉索被火燒斷，造成橋樑結構受損，嚴重者會造成橋樑結構垮塌。
橋樑拉索失火時，由於燃燒時的高溫作用，拉索的外防護層材料（大多數為HDPE）參與燃燒並損壞，主要受力的高強材料退火導致其機械性能下降，嚴重時在溫度和索拉力的作用下斷裂。對於橋樑拉索而言，受力的高強材料其溫度不應超過300℃。當溫度達到450℃左右時（不同的材料有所不同），其強度、硬度及所有的力學性能明顯變化，表面塗層也受到不同程度的破壞，材料更易鏽蝕。
橋樑拉索失火時，由於燃燒時的高溫作用，也容易導致拉索失錨。
施工過程中的拉索火災事故一般都為交叉作業時電焊焊渣引燃拉索外的HDPE護套所致。因此，施工過程中拉索應有適當的防火措施。2014年，廈（廈門）蓉（成都）高速公路湖南郴州赤石大橋施工過程中，塔端電焊作業引起的拉索火災導致9根斜拉索斷裂，梁端下撓2m的拉索火災事故，是目前最為嚴重的拉索火災事故。
運營過程中的拉索火災事故大多數都為運營車輛自燃殃及所致。2016年3月13日，一輛運輸食品的貨車途經四川雅西高速公路蘇村壩大橋時自燃，5根斜拉索引燃受損。
2008年，廣州鶴洞大橋斜拉索的火災事故是一起較為罕見的拉索火災事故。拉索上的彩燈因短路引燃斜拉索的HDPE護套，造成拉索受損。
圖3 斜拉索火災現場——廣州鶴洞大橋斜拉索火災事故
人為縱火的拉索火災事故目前還較為罕見。
埃及REF橋（Rod EI Farag stay cable bridge,Egypt）參照美國後張法協會（PTI）規範【6】，對斜拉索提出橋面以上8米的防火要求值得借鑑：
1.距離橋面垂直高度8米的範圍內，斜拉索防火性能應滿足在1100℃的高溫環境下，確保拉索系統在90分鐘內，拉索內部溫度不超過300℃（註：這是目前最嚴苛的試驗）。
2.拉索工作狀態工況（45%σb應力水平），在300℃環境中持荷30分鐘，不發生失錨。
鑒於橋樑拉索的重要性及失火後的危害後果，我們應該重視橋樑拉索的防火。建立健全橋樑拉索防火規範。
1.橋樑拉索設計標準。應提出拉索構造、材料、防火等級、隔離措施等要求。
2.橋樑拉索安裝要求。應提出運輸、儲存及施工中的防火措施。
3.橋樑拉索試驗、驗收規範。應提出拉索防火試驗、驗收要求。
超載與外力衝撞事故
常見的事故有三類：運營車輛超載、山區橋樑滾石、交通事故造成的拉索事故。
超載，使得拉索在超過容許工作拉力限度狀態下工作。此時，拉索會發生潛在的損傷，超載的荷載水平與頻次會造成拉索損傷程度的積累，最終導致拉索使用壽命的縮短。超載嚴重時，可使拉索瞬時斷裂。此外，超載還會造成橋樑其他結構的損傷與破壞。
由於一般的超載只會形成拉索的內在損傷積累，不會造成拉索明顯的表觀性的改變。所以，人們對超載危害的重視度是不夠的。
對於橋樑拉索的壽命而言，我們可以通過疲勞試驗來評估。拉索在額定疲勞強度（應力上限與應力幅度）下，通過循環荷載次數來評估其壽命。當疲勞荷載強度增加時，應力上限或應力幅度都會相應增加，此時，拉索破壞時的循環次數就會減少。超載，其實就是增加了拉索工作時的疲勞荷載水平。不言而喻，拉索的壽命將會縮短。
滾石一般發生在山區的橋樑。雨水沖刷、風化、地質運動，甚至地震等等，造成滾石衝擊橋樑拉索，導致拉索損傷，嚴重時斷裂。一般情況下，山區橋樑的拉索應增加安全度和防護設計。
交通事故的發生，車輛及貨物可能殃及橋樑拉索，造成拉索損壞。
爆炸及人為破壞事故
爆炸是指爆炸物引爆時所產生的衝擊波對橋樑拉索造成的破壞。人為破壞是指人利用某種工具對橋樑拉索實施的破壞。
爆炸對拉索的破壞程度與爆炸當量、爆炸距離、爆炸物形式有關。爆炸當量越大，爆炸距離越小，破壞程度越嚴重。當爆炸距離為零時，為接觸爆炸，爆炸的破壞性極強。換句話說，較小的爆炸當量就可以達到更大的破壞水平。當爆炸物夾有飛片時，由於爆炸飛片的衝擊作用，對拉索有更強的破壞能力。
爆炸可能發生的情況有：雷擊、恐怖襲擊、戰爭、意外爆炸等。
雷擊對拉索的破壞主要是高溫引燃拉索中的可燃材料，諸如拉索外防護的HDPE。強大的衝擊波對拉索施加的額外荷載，使得拉索超載破斷或失錨。正常情況下，橋樑都設置有避雷系統，雷擊的發生機率極低。
恐怖襲擊是恐怖分子利用爆炸物或手持式武器對拉索實施的攻擊。爆炸物爆炸一般利用運輸工具在橋面引爆。這種爆炸的破壞程度取決於爆炸物的當量及爆炸距離。如果爆炸距離為零時，接觸爆炸的破壞性極強。所以，有防爆要求的橋樑，應作拉索的防爆設計，隔離人為接觸和橋面端的拉索設置抗爆結構。埃及REF橋（Rod EI Farag stay cable bridge,Egypt）的斜拉索要求橋面3m高度內具備抗爆功能，當50磅的TNT爆炸時，拉索的斷絲率不許超過50%。手持式武器可從遠處對拉索實施攻擊，破壞性極大。一般僅用2枚炸彈就可對中小型橋樑造成毀滅性的破壞【7】。
戰爭，最容易攻擊的目標就是橋樑。因為，破壞橋樑可有效阻斷交通補給。現代戰爭，精確制導武器的精度已經達到了1m，甚至更高，可對橋樑結構包含拉索在內給予毀滅性的打擊。
意外爆炸時有發生。最常見的意外爆炸就是裝載有易燃易爆物的運輸車輛，在橋面上引起的偶然爆炸。由於車輛裝載有大量的爆炸物，爆炸當量大，對橋樑結構及人員的傷害都較大。
2007年10月6日，廣東虎門大橋油罐車爆炸，當場造成6人死亡1人重傷，橋樑受損。2009年1月14日，安徽蕪湖長江大橋兩車發生碰撞，其中一輛滿載煙花爆竹的貨車起火併爆炸，導致2人死亡，1人重傷，橋樑受損。2013年2月1日，連霍高速河南三門峽義昌大橋一輛運輸煙花爆竹的大貨車發生爆炸，造成該橋南半幅橋面垮塌80米，十幾輛車墜落，9人死亡，重傷4人，輕傷7人。
對於橋樑拉索抗爆，仍無標準規範。國際上，美國國家高速公路與交通運輸協會針對美國國內高速公路橋樑發布了高速公路橋樑抗爆設計指南-NCHRP645：《Blast-Resistant Highway Bridges:Design and Detailing Guidelines》，也僅在結構抗爆上做了一些規定。拉索抗爆仍無規可循。
在橋樑拉索防爆方面，我們可以採取以下措施：
1.可能發生爆炸的拉索段，如橋面以上3m範圍內，採用抗爆設計。埃及REF橋的經驗值得借鑑；
2.採取隔離措施，嚴防爆炸物在拉索上發生接觸爆炸；
3.適當增加拉索的安全係數。
人為破壞通常是用強力電鋸、手持式火焰切割器等工具，對拉索實施的破壞性切割。在我國，在人可以接觸到的拉索部位，一般都設置有防止損傷拉索表面的金屬隔離套管，可以有效防止人為傷害拉索的表面。但對於利用切割工具對拉索實施的破壞，還須加強金屬隔離套管的厚度與直徑、材質。如有必要，採取有效的隔離措施，阻止人為接觸。
地震事故
當地震發生時，強大的地震衝擊波使得橋樑結構大幅度晃動、變形和錯位。此時，拉索承受強大的軸向拉力。當軸向拉力超過拉索的容許拉力時，拉索發生斷裂，或發生失錨。
低周期荷載試驗就是考核拉索承受類似於地震超強荷載作用下的能力。
有防震要求的橋樑結構，應設置防落梁裝置和結構減震隔震措施。最大限度降低拉索的損壞。
拉索缺陷事故
拉索缺陷事故是指拉索在設計選型、生產製造、安裝施工等方面，未能滿足實際使用要求，造成拉索非正常斷裂的事故。依據橋樑及拉索規範的要求，拉索應達到相應的性能指標。否則，將產生非正常破斷，造成橋毀人亡。
對於設計選型來說，要根據橋樑的結構特點、荷載類型與水平、施工方法、橋位地理條件等，從拉索的使用壽命、安全係數、疲勞荷載強度、運輸及安裝、運營與管養等等方面合理選擇拉索的類型。
對於生產製造來說，工藝水平、材料選擇、關鍵零部件的加工及組裝質量，決定拉索總成的性能好壞。拉索的總體質量，原則上要通過型式試驗和典型規格的各種試驗驗證。
對於安裝施工來說，因拉索的重要性及技術性較強，必須選擇有經驗具備專業資質的施工隊伍。專業施工資質方面國際工程非常重視，有嚴格的准入制度，我國在這方面亟待改善。
拉索安裝施工過程中，要嚴格遵守各類拉索的安裝技術規程。以往的經驗教訓告訴我們，拉索安裝過程中最容易出的問題和環節是：儲存、運輸中碰撞、火災、腐蝕（大多數為雨淋）、存儲時間過長等造成拉索的損壞；交叉施工電焊、碰撞造成拉索的損壞；起吊中不合理的起吊方式和吊具造成拉索損傷或損壞；施工不按規定編束，索內打絞，張拉拉斷；不按規定過度超張拉；不按規定完成最後的防腐防水施工。
拉索缺陷事故案例見圖4。
a 拱橋系杆未編束張拉導致斷裂
b 未裝吊具鋼絲繩損傷拉索HDPE護套
c 保管不善使拉索鏽蝕
d 拉索製造質量問題導致拉斷錨杯
圖4 拉索缺陷事故案例
拉索冰凌墜落事故
在一定溫度、濕度、風力的條件下，空氣中的水汽在拉索表面積結成冰凌。當溫度升高，或過大的振動，或冰凌過大時產生墜落，造成行車、行人傷害事故。拉索冰凌的形成機理尚未完全明確，一般認為，當溫度在0℃以下，濕度＞９０％，風力3～4級時，容易形成冰凌。目前沒有成功應用的抑制拉索冰凌形成的工程經驗和研究成果。
拉索冰凌對拉索本身影響很小，但易造成交通安全事故。防禦拉索冰凌事故的措施可通過交通管制實現。
防止拉索冰凌的產生，可從拉索表面材料、表面形狀方面研究，或在拉索內部植入電阻絲，或在拉索內部通熱風（鋼絞線拉索），使拉索表面溫度保持在冰點以上，可有效阻止拉索冰凌形成。
我國已有多座橋樑拉索發生過冰凌墜落事故。
參考文獻
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［2］龍躍等.橋樑拉索典型病害事故的調查研究.廣西工學院學報.2012增刊1
［3］龍躍等.基於OTC－PTC技術的懸索橋懸索體系防腐及耐久性探討.廣西工學院學報.2016增刊1
［4］fib,Accptance of stay cable systems using prestressing steele,Recommendation prepared byTask Group 9.2
［5］王力力等.斜拉索的腐蝕案例與分析.中南公路工程.第32卷第1期.2007年2月
［6］PTI DC45.1- 12 Recommendations for Stay Cable Design, Testing, and Installation
［7］葛強勝. 大型橋樑抗雷射制導炸彈襲擊對策探討[J]. 國防交通工程與技術. 2003, 1(4): 3-7.
本文刊載 /《大橋養護與運營》雜誌 2019年 第3期 總第7期
作者 / 龍躍 周庠天 鄒易清
作者單位 / 柳州歐維姆機械股份有限公司