淺論懸索橋主纜系統(tǒng)的檢查評(píng)估與維護(hù)

史錦華　鐘昀伶

【摘要】懸索橋主纜的檢查、評(píng)估和維護(hù)需要專業(yè)的技術(shù)。一般的懸索橋在運(yùn)行30年，應(yīng)有選擇性地對(duì)主纜內(nèi)部的鋼絲進(jìn)行深度檢查，通過鋼絲銹蝕情況評(píng)估主纜的安全性，嘗試應(yīng)用新產(chǎn)品和新技術(shù)對(duì)主纜進(jìn)行重新防護(hù)，以保證通行安全延長(zhǎng)懸索橋使用壽命。本文結(jié)合國(guó)外幾座懸索橋主纜檢查實(shí)例，介紹了懸索橋主纜檢查的技術(shù)和流程、主纜剩余強(qiáng)度的分析計(jì)算方法，并根據(jù)檢查情況分析了主纜的腐蝕機(jī)理，提出了運(yùn)營(yíng)期懸索橋主纜防護(hù)中采用的的一些新技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】懸索橋主纜檢查；評(píng)估；維護(hù)

【Abstract】Main Cable inspection， evaluation and maintenance needs professional skills. General suspension bridge in operation for 30 years， should be selectively inside the main cable wire-depth examination， to assess the safety of the main cable wire corroded through， try to apply new products and new technology to re-main cable protection， in order to ensure traffic safety prolong the life suspension. In this paper， several foreign main cable inspection， it introduces the main cable inspection technologies and processes， analysis and calculation method of residual strength of the main cable and， based on analysis of the corrosion mechanism of the main cable， made of the main cable operators new technologies used in the protection.

【Key words】Suspension bridge main cableInspection；Evaluation；Maintenance

1. 前言

1.1主纜防護(hù)技術(shù)概述。

1883年布魯克林大橋竣工通車，標(biāo)志著以平行鍍鋅高強(qiáng)鋼絲作為主纜材料的現(xiàn)代懸索橋的開端。主纜鋼絲在自然環(huán)境和應(yīng)力下的腐蝕是難以避免的，必須進(jìn)行主纜防護(hù)，以延長(zhǎng)懸索橋的安全使用壽命。主纜的典型防護(hù)是：主纜鋼絲表面紅丹膩?zhàn)樱≒b3O4與亞麻籽油的混合物）嵌縫、圓鋼絲纏絲和鉛基涂料涂裝。20世紀(jì)60～70年代由美國(guó)開發(fā)的玻璃纖維樹脂涂料復(fù)合防護(hù)方法和橡膠纏帶涂層方法，在美國(guó)的紐伯特大橋首次采用，此后該技術(shù)常用于既有懸索橋主纜檢查后，覆蓋在原來的主纜纏繞鋼絲上，解決原有涂層易開裂的問題。近十年來，日本、歐洲的許多懸索橋研究和應(yīng)用了主纜內(nèi)部通干燥空氣除濕法新技術(shù)，以向主纜內(nèi)部注入干燥空氣，使主纜鋼絲保持在鋼材腐蝕的臨界濕度以下（≤60%）的環(huán)境中，防腐可靠性明顯提高。

1.2主纜檢查和評(píng)估的指導(dǎo)方針。

美國(guó)現(xiàn)代懸索橋有著百年的歷史，從20世紀(jì)80年代開始，美國(guó)政府以法規(guī)形式加強(qiáng)了對(duì)懸索橋主纜的檢查和研究。美國(guó)交通研究局1999年11月組建了國(guó)家合作公路研究計(jì)劃（NCHRP），花費(fèi)5年時(shí)間進(jìn)行專題研究，2004年通過NCHRP報(bào)告534，發(fā)布了平行鋼絲纜索的專業(yè)檢查評(píng)估指南，用于主纜的專項(xiàng)檢查，內(nèi)容包括如何打開并楔入主纜進(jìn)行檢查，并建立了受到了腐蝕的主纜的剩余強(qiáng)度的估算模型，規(guī)定了何時(shí)進(jìn)行主纜的檢查、在哪里進(jìn)行檢查以及取多少試樣等等，以便于從試驗(yàn)結(jié)論中獲得準(zhǔn)確的主纜強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。

2. 主纜的檢查和評(píng)估過程介紹

2.1外部目視檢查。

首先是主纜的外部的目視檢查。檢驗(yàn)員在檢修道上先檢查主纜表面的纏繞防護(hù)層是否出現(xiàn)銹蝕、是否有滴水、涂層是否有脫落、開裂，是否有水滲入主纜的痕跡等等。外部的目視檢查也包括吊索、索夾、填充材料、扶手繩、立柱、索鞍、索箍、散索套以及相關(guān)錨固附件的檢查。通過外部檢查的數(shù)據(jù)和試驗(yàn)報(bào)告決定在哪里打開主纜進(jìn)行檢查。由于跨中位置是主纜的較低點(diǎn)，水份由于重力作用容易集中，一般建議在主纜的跨中位置進(jìn)行打開檢查。通常主纜的1/4跨也被選作檢查點(diǎn)，主要是因?yàn)樵诖宋恢茫骼|的位移量最大。有時(shí)，也選擇散索鞍點(diǎn)、塔頂主鞍點(diǎn)、索箍等位置作為檢查點(diǎn)。各檢查點(diǎn)都需要去除表面涂層、拆除纏繞鋼絲、清理紅丹膩?zhàn)拥?，需要制定詳?xì)的檢查計(jì)劃。檢查的主要目標(biāo)是尋找主纜破壞最嚴(yán)重的部位，為確定主纜的剩余強(qiáng)度提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

2.2主纜內(nèi)部檢查。

主纜的內(nèi)部檢查不同于常規(guī)的日常檢查，因此應(yīng)該選擇有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)隊(duì)伍，并配備專門的工作平臺(tái)、設(shè)備、工具和材料。典型的檢查流程如下：安裝工作臺(tái)→檢查纏繞鋼絲和涂層→測(cè)量主纜的直徑→去除現(xiàn)有的纏繞材料→用鋼絲刷以及空氣泵清潔主纜表面→檢查主纜外觀及外層鋼絲→沿著主纜表面鋼絲縫隙楔入主纜內(nèi)部→檢查內(nèi)部主纜鋼絲的狀況→取出鋼絲試樣→接長(zhǎng)因取出試樣而切斷的鋼絲→重新緊纜→重新纏繞鋼絲→重新防護(hù)涂裝。在以上檢查中，有時(shí)也需要移除吊索和索夾，以檢查索夾內(nèi)的主纜鋼絲。因此吊索、索夾及其連接件也需要檢查。取出的鋼絲以及發(fā)現(xiàn)的斷裂鋼絲需要送到專業(yè)的試驗(yàn)室進(jìn)行檢查分析。

（1）檢查纏繞鋼絲和涂層。

將可移動(dòng)工作平臺(tái)安裝在要檢查的主纜的節(jié)段處，近距離的觀察檢查主纜外表面，主要檢查防護(hù)涂層是否有損傷和異常。檢查的過程中拍照并采用文字記錄。

（2）測(cè)量主纜直徑。

在拆除主纜原有纏絲及涂層之前，需要測(cè)量主纜直徑。以便于在檢查，并重新涂裝防護(hù)后，監(jiān)測(cè)主纜的直徑?jīng)]有出現(xiàn)異常。如果主纜在外觀看來已經(jīng)失圓了，需要檢查主纜橫豎徑。

（3）內(nèi)部檢查。

內(nèi)部檢查，通過在主纜圓周上， 12點(diǎn)、1點(diǎn)半、3點(diǎn)、4點(diǎn)半、6點(diǎn)、7點(diǎn)半、9點(diǎn)和10點(diǎn)半等8個(gè)位置楔入木楔，撐開主纜鋼絲進(jìn)行檢查。對(duì)于主纜直徑大于609mm以上的主纜，楔子楔入的位置要更多一些。

為保證楔子楔入合適的深度，需拆除被檢查的節(jié)段索夾間的纏繞鋼絲。首先用黃銅做的楔子在檢查節(jié)段的最中點(diǎn)楔入，然后再用成對(duì)的塑料楔子往兩邊延伸，一直延伸到兩邊的索夾邊上，從而在被檢查的主纜上形成一條楔形檢查縫。楔子的頂端需要達(dá)到檢查段主纜的中心。為了提高速度，可以同時(shí)在8個(gè)檢查位置處形成楔形檢查縫，由此需要計(jì)算由此產(chǎn)生的主纜鋼絲的附加應(yīng)力是否會(huì)對(duì)主纜造成影響。

（4）確定鋼絲的銹蝕等級(jí)。

鋼絲根據(jù)銹蝕狀況，可分為以下4個(gè)等級(jí)：

等級(jí)Ⅰ——鋼絲表面沒有銹蝕，只有鋅被氧化的斑點(diǎn)；

等級(jí)Ⅱ——鋼絲表面布滿白銹；

等級(jí)Ⅲ——表面出現(xiàn)鐵銹斑點(diǎn)，面積達(dá)到30%；

等級(jí)Ⅳ——表面大面積出現(xiàn)鐵銹，面積超過了30%。

在整個(gè)檢查節(jié)段中，在一個(gè)截面上，選擇四個(gè)銹蝕比較嚴(yán)重的檢查區(qū)域，以代表鋼絲最差的狀況。沿著楔形縫上的四個(gè)位置的鋼絲狀況得到檢查記錄后，匯總成綜合各節(jié)段的鋼絲狀況排列圖。

（5）鋼絲取樣分析。

在主纜檢查時(shí)，對(duì)鋼絲進(jìn)行取樣并送試驗(yàn)室進(jìn)行有關(guān)分析。一般情況下，在一個(gè)楔形縫中取出一根代表性的鋼絲進(jìn)行試驗(yàn)室分析，并進(jìn)行強(qiáng)度和其他性能的測(cè)試，主要包括以下內(nèi)容：鋼絲強(qiáng)度的分析、鋼絲斷口的分析、有裂紋的鋼絲的分析、化學(xué)成分的分析等等。

A鋼絲強(qiáng)度的測(cè)試。

鋼絲的強(qiáng)度需要批量的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，以確定平均強(qiáng)度和不同的銹蝕程度造成的統(tǒng)計(jì)離散偏差。檢驗(yàn)的結(jié)果將用于確定主纜最終的強(qiáng)度。包括鋼絲的破斷荷載、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率以及彈性模量?？估瓘?qiáng)度和屈服強(qiáng)度的計(jì)算必須基于鋼絲的公稱面積。另外，在以上基礎(chǔ)上，必須記錄鋼絲的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并確定極限應(yīng)變下所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度。

B鋼絲斷口分析。

斷裂鋼絲的斷口必須經(jīng)過組織分析，以確定斷口是延性斷裂還是脆性斷裂。脆性斷裂的斷口一般有凹坑或者裂紋，斷口幾乎沒有延性伸長(zhǎng)，延伸率較低，且一般沒有或者很少有斷面頸縮現(xiàn)象。在斷口的觀察中，必須注意以上現(xiàn)象。對(duì)于斷口組織，建議采用具有立體畫面效果的光電顯微鏡以及掃描電鏡進(jìn)行分子。必要的時(shí)候，可以采用X光譜分析儀進(jìn)行銹蝕物以及其他污染物的成分分析。

3. 結(jié)束語

以上簡(jiǎn)要介紹了懸索橋主纜檢查的技術(shù)和流程、主纜剩余強(qiáng)度的分析計(jì)算方法，并根據(jù)檢查情況分析了主纜的腐蝕機(jī)理，提出了運(yùn)營(yíng)期懸索橋主纜防護(hù)中采用的的一些新技術(shù)，以供同行借鑒和參考。