高耐候懸索橋主纜密封防護系統(tǒng)

商漢章*，白華棟，劉偉，張亮，師華，房志安

（中航百慕新材料技術工程股份有限公司，北京 100095）

【涂裝】

高耐候懸索橋主纜密封防護系統(tǒng)

商漢章*，白華棟，劉偉，張亮，師華，房志安

（中航百慕新材料技術工程股份有限公司，北京 100095）

分析了目前懸索橋主纜密封防護技術的優(yōu)點和不足，提出了一種高耐候懸索橋主纜柔性密封防護系統(tǒng)，通過抗裂紋性、氣密性、抗老化性試驗和變形量測試證明了其具有優(yōu)異的柔韌性、抗大變形性、長期氣密性和耐老化性，便于維修維護，可為懸索橋長期正常使用提供可靠的保障。

懸索橋；主纜；防護；柔性密封防護；耐候性

First-author's address： AVIC New Materials Technology and Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100095， China

俗話說“要致富，先修路”，我國經濟蓬勃發(fā)展的背后便是我國基礎以及路橋建設的飛速發(fā)展。隨著橋梁事業(yè)的飛速發(fā)展，尤其是近10多年的發(fā)展，我國已成為世界范圍內舉足輕重的橋梁大國。

懸索橋是現(xiàn)代橋梁技術要求最高的橋型，而其主纜設計及防護是整個橋梁的重中之重。主纜被稱為“懸索橋的生命線”，因其在橋梁設計生命周期內是不可更換構件，作為主要承力結構，直接關系到整座橋的使用壽命。

國外研究表明，使用超過30年的懸索橋出現(xiàn)了多種腐蝕防護問題。1996年美國對紐約地區(qū)的橋梁主纜進行了詳細的開放性檢測，發(fā)現(xiàn)主纜鋼絲的銹蝕相當嚴重［1-2］。傳統(tǒng)的主纜保護系統(tǒng)──Roebling并不能完全防止腐蝕，僅能延緩腐蝕的速率。再加上新的大跨度懸索橋主纜的設計安全系數(shù)較小，更加重了其對腐蝕的敏感度。

日本從1994年開始研究送風干燥系統(tǒng)，即采用高氣密性材料包覆，纜索內部吹入干燥空氣防腐，并首次應用在瀨戶橋上。通過研究多座采用送風干燥系統(tǒng)防護主纜的橋梁發(fā)現(xiàn)，干空氣除濕是有效的，但它運行的經濟性和方便性需改進［3］。根據(jù)該系統(tǒng)，國內發(fā)展了 S型鋼絲的柔性涂料體系。以潤揚長江公路大橋為例，其涂裝方案［4］采用的S型纏絲外防護體系為200 μm的涂層。一旦涂層出現(xiàn)老化或其他原因引起涂層開裂，可能會對主纜的防腐帶來不良影響，使除濕系統(tǒng)不能完全發(fā)揮其功效。

在歐美，較新的鋼絲表面防腐防護技術是由 D.S. Brown公司發(fā)明的纏包帶防護體系（Cableguard?Elastomeric Wrap System）。這種技術也是從纏絲外層防護層入手，用具有更高韌性及強度的高分子保護層在主纜表面形成高分子套筒，同樣增加了空氣逸出的阻力，減少內部空氣泄漏。但該系統(tǒng)在國內的大型懸索橋主纜防護中還沒有實際應用案例，實際效果有待考察。另外，此種物理屏蔽防護方案一旦出現(xiàn)破損或穿刺，必須及時進行修補。在海洋環(huán)境和大氣腐蝕相當嚴重的區(qū)域需特別關注。

本文提出了一種高耐候懸索橋主纜密封防護系統(tǒng)（以下稱為“柔性密封防護體系”），是由北京航空材料研究院根據(jù)國內已成功應用的主纜防護系統(tǒng)，并結合柔性涂料防護系統(tǒng)的實際使用情況而開發(fā)、改進和完善的防護系統(tǒng)。

1　柔性密封防護體系

柔性密封防護體系是在已有密封防護體系成功應用的基礎上，本著可靠、成熟技術延伸升級、創(chuàng)新的原則，考慮S型纏絲及除濕系統(tǒng)的使用趨勢，彌補日本柔性涂層體系不足，結合潤揚長江大橋、泰州長江大橋實際運行中存在的問題［5］加以改進完善而研制的創(chuàng)新體系，來滿足主纜長壽命防護需求。該防護體系滿足JT/T 694-2007《懸索橋主纜系統(tǒng)防腐涂裝技術條件》的要求，具體情況見表1。

表1　原有剛性防護體系與柔性密封防護體系涂裝厚度Table 1　Layer thicknesses of the original inflexible protection system and flexible seal protection system

2　柔性密封防護系統(tǒng)的特點

2. 1柔韌性

原有的剛性涂層體系使用的是環(huán)氧云鐵底漆，脆性相對較大，在使用過程中存在開裂的風險，如果底漆開裂，相應聚硫膠的部分也可能會產生裂紋，降低了聚硫膠的防護厚度，對防腐性能產生不利的影響。而柔性密封防護系統(tǒng)用柔性環(huán)氧防銹底漆代替原有的環(huán)氧底漆，柔性氟碳涂料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氟碳涂料；相比日本的 S型纏絲系統(tǒng)，在中間增加了一層聚硫膠，明顯加大了防護層厚度，即使鋼絲在制造和施工中有一些缺陷，也可給予很好的防護。圖 1對比了剛性涂層和柔性密封防護體系的抗裂紋性，從圖中可見剛性涂層體系在彎曲情況下環(huán)氧云鐵底漆出現(xiàn)裂紋，并且聚硫密封膠也隨之出現(xiàn)裂痕，而柔性密封防護系統(tǒng)未出現(xiàn)類似情況。

圖1　原有剛性防護體系和柔性密封防護系統(tǒng)的抗裂紋性對比照片F(xiàn)igure 1　Photos showing the comparison of cracking resistance of original inflexible protection system and flexible seal protection system

2. 2抗大形變性

深入到更為具體的主張，我們曾經概括，作為孔子理想人格與社會建構一部分的武德思想，至少具有以下兩個基本點：第一，周文統(tǒng)攝下的先“文”后“武”、“文”優(yōu)于“武”；第二，以“智”“仁”“勇”三達德為核心[6]。從大處著眼，“私淑孔子”的孟子在武德思想上與先師并無明顯的齟齬。孟子提倡，在國家治理中，尤其是面向平民階層，一定以“文”教、“文”化為優(yōu)先：

懸索橋主纜特殊部位（如索夾環(huán)縫處）或者遇到極端天氣時可能存在變形量較大的問題，有局部失效的風險。針對這種情況進行了如圖2所示的試驗，結果見圖3。

圖2　柔性密封防護系統(tǒng)變形量測試裝置示意圖Figure 2　Schematic diagram of the set-up for measuring deformation of flexible seal protection system

圖3　變形量測試中各粘接點狀態(tài)Figure 3　States of the connection points in deformation measurement

從圖3可知拉伸變形比較大的邊角部位即使在拉伸至3 cm的極端情況下，處理過的柔性密封防護系統(tǒng)都不會有開裂、密封失效的問題。

2. 3氣密性

為保證主纜送風系統(tǒng)的有效運行，主纜的密封防護是最關鍵的環(huán)節(jié)，通過模擬送風的方式考察了柔性密封防護體系的氣密性。如圖 4所示，用鍍鋅鋼管模擬主纜平行鋼絲，其表面打孔，一端封堵并打眼，以利于空氣流通。按設計要求涂裝柔性密封防護體系后放置20 d，進行氣密性試驗。

圖4　微型主纜模擬件氣密性試驗示意圖Figure 4　Schematic diagram of miniature main cable simulator for air-tight test

通過氣管連接主纜模擬件和精密壓力表，變換壓力以檢驗主纜模擬件的抗壓性和氣密性，初始壓力分別為50、60、70、80和90 kPa，24 h后主纜模擬件都未發(fā)生壓力減小的情況。工程上除濕空氣的設計壓力一般為4 kPa，在90 kPa高壓下的試驗結果足以證明柔性密封防護系統(tǒng)完全可以滿足使用要求。

2. 4抗老化性

考慮到正常使用過程中遇到的高溫和長期使用后的老化問題，通過高溫加速老化的方式考察了本密封防護系統(tǒng)，按GB/T 528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應力應變性能的測定》測試了老化前后的斷裂伸長率和拉伸強度，結果如表2所示。

表2　常規(guī)剛性體系和柔性體系高溫加速老化前后拉伸強度及斷裂伸長率比較Table 2　Comparison of tensile strength and elongation at break for common inflexible and flexible systemsbefore and after accelerated aging at high temperature

為考察在實際使用過程中自然老化對柔性密封防護體系氣密性的影響，分別設計了如下加速老化試驗：

（1） 將主纜模擬件置于鹽霧箱，經過1 500 h中等鹽霧的加速老化試驗；

（2） 將主纜模擬件置于紫外老化箱中，經過2 000 h的人工加速老化試驗；

（3） 將主纜模擬件置于濕熱試驗箱中進行1 500 h的耐濕熱性試驗。

試驗結束后再測試其氣密性，發(fā)現(xiàn)老化后的主纜模擬件在壓力70 kPa下保持24 h，都未發(fā)生壓力減小的情況，說明本密封防護體系具有優(yōu)異的抗老化性，能滿足懸索橋主纜長期密封防護的要求。

2. 5 便于維修

一般橋梁大修的年限為10到15年，如需維修主纜密封防護系統(tǒng)，一般只需維修維護此密封防護體系的表面涂層，降低了難度，減少了費用。

3　應用實例

柔性密封防護系統(tǒng)中采用的柔性氟碳面漆已于2011年成功應用在宜昌公路長江大橋的主纜維修工程中［6］，經過3年多的實際應用（圖5），涂層依然完好無損，無明顯老化現(xiàn)象。

圖5　柔性密封防護體系應用在宜昌公路長江大橋主纜上的效果Figure 5　Photos showing the flexible seal protection system applied to the main cable of Yichang Yangtze Highway Bridge編者注：圖5原為彩色，請見C1頁。

2014年本防護體系分別應用在武漢鸚鵡洲長江大橋以及浙江官山橋的主纜密封防護工程中（圖 6），實際涂裝效果良好，不但能為懸索橋主纜密封提供優(yōu)異的保障，還具有良好的保光保色性能，為橋梁提供特殊的景觀需求。

圖6　柔性密封防護體系涂裝效果Figure 6　Coating effect of the flexible seal protection system編者注：圖6原為彩色，請見C1頁。

4　結語

隨著干燥空氣除濕系統(tǒng)應用在懸索橋主纜防護工程上，主纜的密封性就更加重要。在我國應用最廣泛的懸索橋主纜密封防護體系的基礎上，克服日本密封技術暴露出的問題而研發(fā)出的高耐候懸索橋主纜柔性密封防護體系能夠長期保證干燥空氣除濕系統(tǒng)的良好運行，為懸索橋的正常使用提供可靠的保障。

［1］ 付春曉， 雷俊卿. 既有懸索橋主纜現(xiàn)狀的檢測與研究［J］. 世界橋梁， 2002 （4）： 70-74.

［2］ 王永強， 胡定成. 懸索橋主纜的銹蝕機理及其防護措施［J］. 國外橋梁， 2001 （3）： 41-45.

［3］ KITAGAWA M， SUZUKI S， OKUDA M. Assessment of cable maintenance technologies for Honshu-Shikoku Bridge ［J］. Journal of Bridge Engineering， 2001， 6 （6）：418-424.

［4］ 葉建良. 日本新日鐵公司主纜防腐技術在潤揚長江公路大橋南汊懸索橋中的應用［J］. 公路， 2006， 51 （1）： 21-24.

［5］ 商漢章， 白華棟， 劉偉， 等. 懸索橋主纜防護新技術及發(fā)展趨勢［J］. 電鍍與涂飾， 2012， 31 （9）： 71-74.

［6］ 商漢章， 師華， 馬震， 等. 柔性氟碳在宜昌長江公路大橋主纜維修中的應用［J］. 涂料工業(yè)， 2012， 42 （11）： 64-66.

［ 編輯：杜娟娟 ］

Highly weather-resistant and flexible seal system for protecting main cable of suspension bridge

// SHANG Han-zhang*， BAI Hua-dong， LIU Wei， ZHANG Liang， SHI Hua， FANG Zhi-an

The advantages and disadvantages of the present seal protection technologies for main cable of suspension bridge were analyzed. A flexible seal protection system with high weather resistance and long lifetime was proposed. This flexible seal protection system is proved to have excellent flexibility， good resistance to large deformation， long-term airtightness， and excellent aging resistance， and is easy to maintain and repair by anti-cracking， air-tight， anti-aging tests and deformation measurement， being able to provide a reliable guarantee for its long-term use.

suspension bridge； main cable； protection； flexible seal； weather resistance

U448.25

A

1004 - 227X （2015） 06 - 0327 - 04

2014-11-21

2014-12-24

商漢章（1982-），男，河北保定人，本科，高級工程師，主要研究方向為橋梁和重防腐領域。

作者聯(lián)系方式：（E-mail） shanghz0320@163.com。