大跨徑懸索橋主纜防腐保護(hù)問(wèn)題剖析與建議

施舜杰， 方 海， 劉 榕， 崔劍峰， 劉偉慶

(1.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 210009； 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410008)

大跨徑懸索橋主纜防腐保護(hù)問(wèn)題剖析與建議

施舜杰1， 方 海1， 劉 榕2， 崔劍峰2， 劉偉慶1

(1.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 210009； 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410008)

我國(guó)大跨徑懸索橋起步比較晚，發(fā)展的時(shí)間還沒(méi)有超過(guò)20年。但根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)再過(guò)些年國(guó)內(nèi)懸索橋主纜的銹蝕問(wèn)題將陸續(xù)出現(xiàn)，將直接影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全與使用壽命，亟需開(kāi)展懸索橋主纜防護(hù)問(wèn)題的研究。首先介紹了國(guó)內(nèi)外懸索橋主纜鋼絲腐蝕案例，分析了主纜腐蝕原因及目前常用的主纜防護(hù)措施。繼而分析和探討了懸索橋主纜防護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向，并提出一種可行性懸索橋主纜鋼絲電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)方案，供懸索橋主纜防護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用參考。

懸索橋； 主纜； 銹蝕； 防護(hù)

由于懸索橋具有造型優(yōu)美、結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)潔、自重輕、跨徑大(在各種體系橋梁中跨越能力最大，可以達(dá)到1 000 m以上)的優(yōu)點(diǎn)，近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外懸索橋的發(fā)展迅速。其中主纜作為懸索橋不可更換的主要受力構(gòu)件之一，一直被稱(chēng)為懸索橋的“生命線(xiàn)”。然而，由于主纜鋼絲持續(xù)暴露在大氣環(huán)境下，經(jīng)受著各種不利因素侵蝕的考驗(yàn)，極其容易產(chǎn)生銹蝕。懸索橋的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100 a，但根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，主纜往往不到20 a就會(huì)出現(xiàn)腐蝕生銹情況。因此主纜的防腐保護(hù)問(wèn)題將直接關(guān)系到懸索橋的使用壽命。

本文首先介紹懸索橋主纜銹蝕案例，然后分析了主纜腐蝕破壞原因以及目前常用的主纜防護(hù)措施，最后提出一種可行性懸索橋主纜鋼絲電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)及懸索橋主纜防腐保護(hù)的發(fā)展方向。

1 懸索橋主纜腐蝕現(xiàn)狀

1.1 懸索橋腐蝕案例

主纜鋼絲的腐蝕嚴(yán)重地?fù)p害到懸索橋的安全性。懸索橋的有效索股面積和強(qiáng)度因腐蝕減少[1]。在一份美國(guó)紐約市運(yùn)輸局出版的有關(guān)懸索橋主纜狀況的報(bào)告中指出：“由于腐蝕，紐約市區(qū)幾乎所有大型懸索橋都存在強(qiáng)度損失的問(wèn)題，其損失范圍從微不足道到35%(Williamsburg橋)”。金門(mén)大橋在過(guò)去一直認(rèn)為是主纜防護(hù)樣板，但其主纜的安全系數(shù)也僅為原來(lái)的83%，腐蝕最為嚴(yán)重的部位主要集中在纜索的下方和側(cè)面，主纜等待大修(圖1a)。

英國(guó)Forth、Seven、Humber三橋主纜在檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)表面無(wú)明顯問(wèn)題，但主纜內(nèi)部卻已經(jīng)腐蝕斷絲，目前正全面進(jìn)行聲控監(jiān)測(cè)，并加設(shè)主纜除濕系統(tǒng)；其中Forth懸索橋建成于1964年，采用傳統(tǒng)主纜防護(hù)體系，而2004年主纜檢查時(shí)外觀僅個(gè)別缺陷，但打開(kāi)防護(hù)層后主纜的腐蝕情況震驚了橋梁界人士(圖1b)，且為橋梁是否報(bào)廢爭(zhēng)論很大，預(yù)計(jì)2014年主纜安全系數(shù)降至2.0，目前處于搶修階段。日本前期建設(shè)的幾座懸索橋主纜也已發(fā)生銹蝕，如：日本Innoshima橋在檢查時(shí)，去除纏繞鋼絲后，發(fā)現(xiàn)主纜底部存在積水，銹蝕存在于兩側(cè)和下部，在清除防銹膩?zhàn)雍?，發(fā)現(xiàn)銹蝕明顯可見(jiàn)，主纜內(nèi)部的鍍鋅鋼絲已生銹，鋅層已變質(zhì)，并且側(cè)面的銹蝕最為嚴(yán)重。日本大島大橋也出現(xiàn)了主纜生銹和斷絲的現(xiàn)象(圖1c)。

20世紀(jì)90年代初開(kāi)始，國(guó)內(nèi)也進(jìn)入發(fā)展懸索橋的隊(duì)伍之中，如江陰長(zhǎng)江大橋、香港青馬大橋、潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋等千米級(jí)超大跨度橋梁以及在90年代中建成的廈門(mén)海滄大橋、西陵長(zhǎng)江大橋、虎門(mén)大橋、汕頭海灣大橋、重慶豐都長(zhǎng)江大橋等。目前國(guó)內(nèi)懸索橋發(fā)展的時(shí)間沒(méi)有超過(guò)20 a，但按國(guó)外檢測(cè)結(jié)果顯示懸索橋主纜在使用16 a后就會(huì)出現(xiàn)腐蝕生銹的情況，因此國(guó)內(nèi)懸索橋主纜將會(huì)出現(xiàn)大量損壞情況，圖1d為國(guó)內(nèi)某自錨式懸索橋僅建成5 a后其主纜的油漆膩?zhàn)臃雷o(hù)系統(tǒng)就發(fā)生了開(kāi)裂現(xiàn)象。

a) 美國(guó)金門(mén)大橋主纜生銹 b) 英國(guó)Forth橋主纜生銹

c) 日本大島大橋主纜生銹 d) 國(guó)內(nèi)某橋防護(hù)系統(tǒng)開(kāi)裂

1.2 腐蝕機(jī)理

幾乎所有已建懸索橋中都存在著主纜腐蝕的問(wèn)題。大跨懸索橋當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件、索纜生產(chǎn)過(guò)程、索纜鋼絲的搬運(yùn)、儲(chǔ)存、水上運(yùn)輸、架設(shè)程序、纏絲程序和纜索防腐層的養(yǎng)護(hù)等決定主纜鋼絲的腐蝕速率與橋梁防護(hù)的具體措施。主纜腐蝕主要由于雨水和酸性氣體的侵入引起主纜鋼絲的銹蝕。在懸索橋運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，主纜防護(hù)的損傷引起外界雨水的浸入，并且在風(fēng)的作用下，加速了水分浸入開(kāi)口的裂縫中，如果空氣中存在一定量的酸性氣體，主纜鋼絲將逐步開(kāi)始腐蝕[2，3]。腐蝕會(huì)減少主纜鋼絲的有效面積，增大鋼絲的應(yīng)力，從而使鋼絲加快疲勞。主纜鋼絲在高應(yīng)力狀態(tài)下更會(huì)加快鋼絲腐蝕速率，從而引起惡性循環(huán)，如不有效制止主纜鋼絲的腐蝕，將會(huì)危及懸索橋的使用壽命。

為了弄清銹蝕機(jī)理，日本調(diào)查了主纜內(nèi)部的環(huán)境狀況，并進(jìn)行了鍍鋅鋼絲的銹蝕模擬試驗(yàn)。首先根據(jù)主纜橫截面不同部位的銹蝕環(huán)境狀況不同，模擬了5種環(huán)境，分別為側(cè)部的保持潮濕環(huán)境、上部分夜間潮濕白天干燥的環(huán)境、下部分浸水環(huán)境、中心部分的濕度100%和75%環(huán)境，試驗(yàn)結(jié)果表明側(cè)面最容易銹蝕[4]。

我國(guó)繆長(zhǎng)青等通過(guò)試驗(yàn)研究了溫濕度對(duì)于橋梁纜索構(gòu)件腐蝕的影響規(guī)律，并根據(jù)法拉第定律和腐蝕損傷相當(dāng)?shù)脑?，提出并編制大跨橋梁?gòu)件加速腐蝕當(dāng)量環(huán)境譜法，為大跨橋梁纜索構(gòu)件耐久性評(píng)估以及日歷壽命體系評(píng)定奠定了一定基礎(chǔ)[5]。中鐵大橋局橋梁科學(xué)研究院葉覺(jué)明等結(jié)合多座特大懸索橋上部結(jié)構(gòu)建設(shè)實(shí)踐，分析和討論了影響吊索腐蝕的主要因素，論述了纜索防腐蝕保護(hù)系統(tǒng)、特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了密封、填充、內(nèi)部空氣干燥的防腐蝕技術(shù)發(fā)展方向[1]。

2 懸索橋主纜防腐保護(hù)方法

目前世界各地現(xiàn)代懸索橋主要采用如下主纜防護(hù)措施：

1) 19世紀(jì)40年代由美國(guó)John.A.Reobling開(kāi)創(chuàng)的主纜膩?zhàn)愉摻z纏繞涂層法。

2) 20世紀(jì)60～70年代由美國(guó)開(kāi)發(fā)的合成護(hù)套防護(hù)法，主要有玻璃纖維樹(shù)脂涂料復(fù)合防護(hù)方法和橡膠纏帶涂層方法。

3) 20世紀(jì)末由日本開(kāi)發(fā)應(yīng)用的主纜內(nèi)部干燥空氣除濕法。

其他方法，主要有主纜半開(kāi)放式、封閉鋼絲繩主纜直接涂裝、主纜應(yīng)用PE護(hù)套、瀝青復(fù)合材料包裹主纜等方法，還有主纜錨(鞍)室防護(hù)，包括錨(鞍)室封閉清潔、抽風(fēng)和除濕等防護(hù)方法，以下為典型防護(hù)方法的介紹。

2.1 主纜膩?zhàn)永p絲涂裝防護(hù)法

早在100多年前由美國(guó)人Roebling發(fā)明的圓鋼絲纏繞涂層法作為懸索橋主纜鋼絲腐蝕防護(hù)傳統(tǒng)方法，直到目前仍得到廣泛的應(yīng)用，其原理是通過(guò)在擠壓成型(接近圓形)的主纜外表面涂抹膩?zhàn)?、纏繞鋼絲、涂裝涂料(底層、中間層、面層)的方式來(lái)進(jìn)行防腐，以阻止和隔絕水分、鹽和其它腐蝕性物質(zhì)對(duì)主纜鋼絲的腐蝕(圖2a)。圓鋼絲纏繞涂層防護(hù)法也一直作為國(guó)內(nèi)懸索橋主纜防護(hù)最常采用的方法，纏絲是圓鋼絲纏繞涂層法最重要的環(huán)節(jié)[6]。纏絲的具體操作是用鍍鋅鋼絲在主纜膩?zhàn)訉由涎刂骼|圓周方向施力纏繞，進(jìn)一步緊固相鄰索夾之間的主纜，與膩?zhàn)油繉咏Y(jié)合形成保護(hù)層，使主纜處于密封狀態(tài)。然而由于主纜的伸長(zhǎng)縮短，施工時(shí)緊密纏繞的鋼絲之間產(chǎn)生間隙，使涂裝層裂開(kāi)(圖2b)，從而使密封性、防水性變差，使得纏繞圓鋼絲生銹(圖2c)，導(dǎo)致主纜的防腐效果達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)，甚至導(dǎo)致主纜鋼絲發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕。必須解決圓鋼絲的間隙問(wèn)題以及外防護(hù)涂層的固化問(wèn)題，才能使圓鋼絲纏繞涂層防護(hù)法成為一種行之有效的主纜防護(hù)方法[7～9]。

圖2 主纜防護(hù)構(gòu)造

詳細(xì)分析目前我國(guó)常用的傳統(tǒng)主纜膩?zhàn)永p絲涂裝防護(hù)體系存在的問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面：

1) 從主纜架設(shè)到主纜防護(hù)施工完成需要間隔1 a左右時(shí)間，在此期間，有大量的雨水進(jìn)入并積聚在主纜內(nèi)部。雖然部分積水可以從索夾及跨中的孔隙中排出，但由于主纜的孔隙率較小，水又受到鋼絲表面附著力的影響，流動(dòng)速度緩慢，從孔隙中排出的積水僅僅只有一部分，大量剩余積水仍會(huì)引起主纜鋼絲的腐蝕。

2) 外涂裝材料、嵌縫材料和防護(hù)膩?zhàn)訒?huì)出現(xiàn)粉化、開(kāi)裂、氧化等現(xiàn)象。主纜鋼絲表面及纏繞鋼絲表面的間隙用膩?zhàn)觼?lái)填嵌，從而起到密封主纜的作用。且膩?zhàn)拥墓腆w成分中含有粉末和金屬薄片，如鋅、鋁等，能夠?qū)︿摻z提供陰極保護(hù)。由于膩?zhàn)臃笸吭谥骼|表面，因此膩?zhàn)颖仨毮軌蜻m應(yīng)主纜的變形，具有一定的抗變形能力。但是由于主纜纏絲表面油漆的老化開(kāi)裂會(huì)使膩?zhàn)颖┞队诖髿猸h(huán)境中，且由于主纜內(nèi)部存有大量積水，在空氣和水的雙重作用下，膩?zhàn)拥奈锢?、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，會(huì)出現(xiàn)粉化、開(kāi)裂、氧化等現(xiàn)象，從而失去其防腐的作用。嵌縫材料用于封閉索夾與主纜之間以及索夾兩半的間隙，防止水分進(jìn)入主纜。由于嵌縫材料直接暴露在大氣中，極易產(chǎn)生老化開(kāi)裂現(xiàn)象。在對(duì)國(guó)內(nèi)外懸索橋的檢測(cè)過(guò)程中都發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。在外涂裝材料的選擇上，以往通常采用聚氨脂類(lèi)涂料，但在大氣環(huán)境中同樣易出現(xiàn)老化開(kāi)裂現(xiàn)象。

3) 纏繞鋼絲之間存在縫隙。傳統(tǒng)的纏絲一般采用直徑4 mm左右的圓形鍍鋅軟鋼絲。由于受施工方法和制造設(shè)備的限制，以及鋼絲的制造誤差，要想保證纏繞鋼絲之間100%無(wú)縫隙是不可能的。此外，主纜在荷載和溫度變化作用下的彈性伸長(zhǎng)也會(huì)使纏繞鋼絲之間產(chǎn)生微小的縫隙，這些都會(huì)引起外界水分進(jìn)入主纜。

為了解決圓鋼絲的縫隙問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上日本開(kāi)發(fā)出了S形截面的纏繞鋼絲(如圖3)，來(lái)代替原來(lái)的圓截面鋼絲。S形截面的纏繞鋼絲相對(duì)于圓截面纏繞鋼絲最大的優(yōu)勢(shì)就是，S形截面的纏繞鋼絲，纏繞后使主纜表面絲絲相扣，更為光滑，水汽不易滲入，從而減少酸性介質(zhì)對(duì)塔橋主纜的腐蝕，提高纜索的使用壽命，我國(guó)近2 a來(lái)也陸續(xù)開(kāi)始了S形截面的纏繞鋼絲的使用。

圖3 S型纏繞鋼絲

2.2 合成護(hù)套防護(hù)法

2.2.1 橡膠纏帶涂層方法

為了解決懸索橋主纜防護(hù)的上述難題，美國(guó)布朗公司開(kāi)發(fā)出了纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料主纜防護(hù)系統(tǒng)(BROWN BELT)[10，11]，即將預(yù)制的熱塑性聚乙烯布朗帶纏繞在主纜表面，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的膩?zhàn)油苛舷到y(tǒng)，并逐段采用熱熔連接。具體過(guò)程是帶在纏繞時(shí)，其每一圈都搭接在上一圈的一半寬度上，因而形成厚度均勻的雙層纏繞物。在螺旋纏繞程序之后，對(duì)纏繞物加熱，以將互相疊合的層熱封，從而封接在兩相鄰的層之間的接縫，并使纏繞物收縮，緊箍在鋼纜上。用合適的顏料預(yù)先上色疊合的多層帶的外層，從而不需要事后才在纏繞物上涂漆，以便在帶和橋結(jié)構(gòu)的相鄰部分之間得到合適的顏色匹配。如圖4為合成護(hù)套的現(xiàn)場(chǎng)施工。這種方法用于Brooklyn橋等主纜改造時(shí)作為纏絲后的面層防護(hù)。近年改進(jìn)后繼續(xù)用于懸索橋主纜改造纏絲后面層保護(hù)和主纜除濕密封保護(hù)。

圖4 合成護(hù)套的現(xiàn)場(chǎng)施工

2.2.2 玻璃纖維樹(shù)脂涂料復(fù)合防護(hù)方法

丙稀酸樹(shù)脂玻璃纖維系統(tǒng)由Bethlehem鋼鐵公司在上世紀(jì)60年代提出，已在二座懸索橋應(yīng)用，主纜合成護(hù)套防護(hù)方法實(shí)施工藝如下：

主纜表面填充聚乙烯墊片覆蓋一層尼龍膜+玻璃纖維加固覆蓋層(一層玻璃纖維墊，二層玻璃纖維織布結(jié)合幾層丙烯酸樹(shù)脂)+耐候?qū)雍鸵粚颖∷針?shù)脂涂料。

2.3 主纜內(nèi)部干燥空氣除濕法

以上兩種方法無(wú)法從本質(zhì)上解決主纜腐蝕問(wèn)題。實(shí)踐表明密封效果再好的主纜內(nèi)部由于各種原因仍然有水分存在，比如主纜在架設(shè)期間水分就已進(jìn)入鋼絲間隙。只有降低主纜內(nèi)部的濕度才能更好的保證主纜不被腐蝕。主纜除濕的原理是通過(guò)向主纜內(nèi)部間隙強(qiáng)制輸入干燥的空氣，并保證纜絲間干燥空氣持續(xù)的流動(dòng)，從而保護(hù)鋼制纜索不受潮濕空氣的腐蝕。同時(shí)，也可以將施工期間遺留在主纜內(nèi)的水分，在一定時(shí)間內(nèi)逐步排除，最終達(dá)到主纜內(nèi)部長(zhǎng)期保持封閉干燥且不受濕氣損害的目的。日本通過(guò)一個(gè)封閉小室銹蝕加速試驗(yàn)，3個(gè)月后發(fā)現(xiàn)注入干燥空氣的部件保持著金屬光澤，這有效地說(shuō)明除濕干燥對(duì)防止主纜銹蝕很有效果[12]。

除了在試驗(yàn)室內(nèi)研究外，日本還在Honsha一Shikoku橋做了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：主纜所有部位都可用干燥空氣進(jìn)行充分干燥，既使從主纜鋼絲表面射入，也能將內(nèi)層鋼絲的水分帶走；主纜內(nèi)部空氣相對(duì)濕度低于50%就能很好地防止鍍鋅鋼絲的腐蝕；空氣射入點(diǎn)140 m范圍內(nèi)的主纜鋼絲能被有效干燥；用于主纜的干燥空氣的理想濕度應(yīng)低于40%；并需要改進(jìn)覆蓋外層材料的透氣性能；鹽粒、粉塵應(yīng)從干燥空氣中濾除。主纜除濕主要由除濕系統(tǒng)、自控與監(jiān)控系統(tǒng)、氣夾與氣管系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成。

主纜內(nèi)部干燥空氣除濕已在很多橋都展開(kāi)了應(yīng)用。世界上第一座使用內(nèi)部除濕方法防止腐蝕的丹麥Little Belt橋最初的防止腐蝕的方法是經(jīng)過(guò)改良后的Roebling系統(tǒng)，1996年主纜表面涂裝層的壽命即將結(jié)束，最后采用的解決方案確定為用人造橡膠纏包帶纏包和除濕相結(jié)合。該系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行3 a，數(shù)據(jù)顯示緩沖箱buffer tanks中干燥空氣的相對(duì)濕度通常在40%～45%。法國(guó)波爾多的Aquitaine懸索橋，唯一的主纜防腐蝕的方法就是在索股的表面進(jìn)行涂裝，新主纜防腐蝕系統(tǒng)也顯著提升到新的技術(shù)水平。新主纜的防腐蝕系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：彈性橡膠帶纏包，纏繞鍍鋅鋼絲，干燥空氣氣流，索股中的所有鋼絲經(jīng)過(guò)熱鍍鋅。潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋在國(guó)內(nèi)首次設(shè)置除濕系統(tǒng)對(duì)主纜進(jìn)行除濕防腐，采用泵送干燥空氣除濕防護(hù)，徹底提升主纜鋼絲的防腐性能，增加主纜鋼絲的壽命，進(jìn)而提升全橋的使用壽命。監(jiān)控系統(tǒng)表明潤(rùn)揚(yáng)大橋主纜除濕系統(tǒng)自正式運(yùn)行1 a后，主纜內(nèi)濕度需要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求(設(shè)計(jì)規(guī)定為低于60%)。

2.4 主纜檢修與修復(fù)措施

國(guó)外懸索橋起步早，開(kāi)始主要應(yīng)用傳統(tǒng)防護(hù)體系，已經(jīng)出現(xiàn)鋼絲銹蝕或斷裂，因此主纜檢查、修復(fù)和改造在近些年中相當(dāng)必要。2004年美國(guó)NCHRP發(fā)表了專(zhuān)題報(bào)告《平行鋼絲主纜內(nèi)部檢查和強(qiáng)度評(píng)估》，這份報(bào)告主要是對(duì)檢查和評(píng)估懸索橋平行鋼絲主纜提出建議和操作指南，附件提供了詳細(xì)的研究項(xiàng)目的實(shí)施程序和對(duì)指南條款的解釋。這份資料對(duì)懸索橋業(yè)主和懸索橋主纜檢修人員具有較高應(yīng)用價(jià)值?？傮w來(lái)看，該指南主要包括如下內(nèi)容： ①檢查橋梁主纜的方法； ②以最少的精力和最低的成本獲得最佳的統(tǒng)計(jì)樣本的收集數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)； ③鋼絲試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)； ④評(píng)估主纜強(qiáng)度的方法。但指南僅適用于平行鋼絲主纜懸索橋，且主要內(nèi)容是描述楔開(kāi)主纜內(nèi)部檢查和評(píng)估主纜強(qiáng)度的適用條款。該資料具體提出了主纜的3個(gè)檢查層次，維護(hù)人員的定期外觀檢查，每2 a一次的檢查和暴露主纜內(nèi)部鋼絲的內(nèi)部檢查；列出了從主纜取樣進(jìn)行物理和化學(xué)試驗(yàn)的要求，包括拉伸試驗(yàn)和通過(guò)試驗(yàn)確定鋼絲化學(xué)成分、鋅層的狀態(tài)；提出了主纜內(nèi)部損傷編目登記和試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析的技術(shù)工藝；建立了評(píng)估主纜強(qiáng)度的3個(gè)數(shù)學(xué)模型。

而目視檢測(cè)與提取主纜中典型的鋼絲樣本進(jìn)行試驗(yàn)分析結(jié)合的方法是目前評(píng)估主纜損壞情況的基本方法。在直徑達(dá)4 in(0.101 6 m)的索股中通過(guò)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠檢查出破損。理論上檢查更大直徑的索股也是可行的，但還沒(méi)有證實(shí)過(guò)其實(shí)際可行性。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在橋梁主纜領(lǐng)域的運(yùn)用都利用了電磁學(xué)的基本原理，例如： ①漏磁反應(yīng)； ②磁致伸縮反應(yīng)； ③渦流效應(yīng)。它們都需要極其繁瑣的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。為了區(qū)別損壞和完好的索股，使用前還需要標(biāo)記，更有利于評(píng)估除主纜以外的索股。因此通過(guò)非破壞(無(wú)損)或者遠(yuǎn)程連接技術(shù)來(lái)獲取主纜重要信息資料還有一定的困難。

同時(shí)美國(guó)還新開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)聲學(xué)鋼絲斷絲監(jiān)測(cè)技術(shù)，是一種通過(guò)監(jiān)測(cè)聲音判斷鋼絲斷裂的技術(shù)。在主纜外側(cè)安裝加速傳感器，通過(guò)人工記錄數(shù)據(jù)庫(kù)中資料及鋼絲斷裂位置，這種方法對(duì)于評(píng)估主纜退化速率是非常有效的，但安裝前已斷裂鋼絲卻無(wú)法被監(jiān)測(cè)到。通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)記錄主纜內(nèi)部鋼絲斷絲的聲音和匯總近期斷絲，來(lái)決定何時(shí)、尤其是在何地執(zhí)行下一次檢查，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)舊主纜檢查非常有益，因?yàn)檫x擇主纜最佳檢查時(shí)間和地點(diǎn)非常重要。因此采用聲音監(jiān)測(cè)技術(shù)能記錄鋼絲的異常情況，而且是非常有效的，但是無(wú)法夠提供監(jiān)測(cè)前和退化鋼絲性能的數(shù)據(jù)資料。

目前具體的主纜修復(fù)和改造方法有：

1) 恢復(fù)外層涂裝；

2) 去除舊涂層，換新體系涂料涂裝；

3) 在涂裝層外應(yīng)用彈性橡膠帶纏帶加強(qiáng)保護(hù)；

4) 更換膩?zhàn)又匦吕p絲、涂裝或纏帶；

5) 全面內(nèi)部檢查試驗(yàn)、處理斷絲、恢復(fù)纏絲后，增加纏帶和主纜除濕系統(tǒng)。

3 懸索橋主纜鋼絲電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)原理

本文擬對(duì)5 mm和7 mm鍍鋅鋼絲腐蝕提出一種懸索橋主纜鋼絲實(shí)驗(yàn)室模擬腐蝕方案，供懸索橋主纜防護(hù)技術(shù)研究參考。

活化態(tài)鋼絲表面發(fā)生的腐蝕機(jī)理是：當(dāng)表面存在水分時(shí)，發(fā)生溶解態(tài)氧還原的陰極反應(yīng)和鐵電離的陽(yáng)極反應(yīng)，且等速度進(jìn)行。其反應(yīng)式如下：

陽(yáng)極反應(yīng) ：Fe—2e-→Fe2+

(1)

陰極反應(yīng) ：O2+2H2O+4e-→ 4OH-

(2)

腐蝕過(guò)程的全反應(yīng)是陽(yáng)極反應(yīng)和陰極反應(yīng)的組合，在鋼絲表面析出氫氧化亞鐵，該化合物被溶解氧化后生成氫氧化鐵Fe(OH)2，并會(huì)進(jìn)一步生成nFe2O4·mH2O(紅銹)，一部分氧化不完全的變成Fe3O4(黑銹)，在鋼絲表面形成銹層。

3.2 試件的制備

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?圖5)總長(zhǎng)度為480 mm，總寬度為450 mm。實(shí)驗(yàn)器材上有8個(gè)孔洞，孔洞直徑分別為5.5 mm和7.5 mm。實(shí)驗(yàn)器材因防腐需要采用不銹鋼材質(zhì)。

圖5 鋼絲腐蝕試驗(yàn)架

預(yù)應(yīng)力鋼絲左端右端各自打磨75 mm長(zhǎng)度螺紋，用墩頭連接，預(yù)應(yīng)力大小可自行調(diào)節(jié)。

3.3 試驗(yàn)步驟

根據(jù)法拉第公式控制腐蝕電流及腐蝕時(shí)間[13]。

平均腐蝕深度：

h0=372×10-5×t×3 600×i

(3)

鋼絲腐蝕率(鋼絲失重率)，近似有：

(4)

其中D為鋼絲的初始直徑。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，控制電流及腐蝕時(shí)間，分別達(dá)到預(yù)期的5%、10%、15%銹蝕率。

5 mm鋼絲：電流密度0.492 mA/cm2，經(jīng)過(guò)96 h，達(dá)到5%銹蝕率；經(jīng)過(guò)192 h，達(dá)到10%銹蝕率；經(jīng)過(guò)288 h(12 d)，達(dá)到15%銹蝕率。

7 mm鋼絲：電流密度0.689 mA/cm2，經(jīng)過(guò)96 h，達(dá)到5%銹蝕率；經(jīng)過(guò)192 h，達(dá)到10%銹蝕率；經(jīng)過(guò)288 h(12 d)，達(dá)到15%銹蝕率。

通電96 h腐蝕后(圖6)，鋼絲表面明顯產(chǎn)生紅黑色銹跡。

具體腐蝕試驗(yàn)，可根據(jù)鋼絲直徑、電流密度、目標(biāo)腐蝕率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖6 鋼絲實(shí)驗(yàn)室腐蝕

4 懸索橋主纜防腐保護(hù)建議

近年來(lái)，纖維增強(qiáng)熱固性或熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料在土木領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它的輕質(zhì)高強(qiáng)、強(qiáng)耐腐蝕，能適應(yīng)疲勞與腐蝕環(huán)境的顯著優(yōu)點(diǎn)為懸索橋主纜防腐提供了一個(gè)發(fā)展方向。因此綜合國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，本文建議在設(shè)置主纜除濕系統(tǒng)的同時(shí)，可重點(diǎn)對(duì)主纜膩?zhàn)永p絲涂裝防護(hù)體系進(jìn)行改進(jìn)，如在纏繞鋼絲的外層不采用傳統(tǒng)的涂料系統(tǒng)，而是采用預(yù)制的一定寬度(約30 cm)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料卷材相互搭接在主纜表面纏繞形成護(hù)套結(jié)構(gòu)，然后采用熱融固化等方式使之形成完整的主纜護(hù)套結(jié)構(gòu)，由于復(fù)合材料卷材內(nèi)預(yù)制有連續(xù)長(zhǎng)纖維，因此可有效起環(huán)箍抗裂作用，該方式可大幅縮短主纜防護(hù)工期，改善其耐腐蝕性能。同時(shí)若纖維增強(qiáng)復(fù)合材料防護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度和模量較高的話(huà)，甚至可代替纏繞鋼絲，兼緊箍平行鋼絲和防腐保護(hù)的雙重作用。

同時(shí)，建議在已運(yùn)營(yíng)多年的懸索橋主纜上設(shè)置聲發(fā)射健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，可綜合國(guó)外各種聲發(fā)射設(shè)備的先進(jìn)技術(shù)，自主創(chuàng)新，著重對(duì)聲發(fā)射技術(shù)用于纜索斷絲檢測(cè)進(jìn)行研究，尤其需提高對(duì)斷絲信號(hào)識(shí)別的準(zhǔn)確性，進(jìn)而研究一套較為可靠的纜索斷絲檢測(cè)方法，通過(guò)研究斷絲信號(hào)的發(fā)展情況與纜索承載能力的變化，建立一個(gè)纜索斷絲安全性能評(píng)估方法，為實(shí)際工程中纜索斷絲檢查提供依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

主纜作為懸索橋體系中的主要受力構(gòu)件之一，且是不可更換構(gòu)件，目前主纜腐蝕防護(hù)體系因主纜的伸長(zhǎng)縮短，鋼絲之間的間隙，使密封性、防水性變差，以致主纜的防腐效果達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)，進(jìn)而易導(dǎo)致主纜鋼絲發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕，因此其防腐保護(hù)問(wèn)題是一個(gè)世界范圍性的難題，提高懸索橋主纜防護(hù)技術(shù)非常重要。本文在列舉了國(guó)內(nèi)外懸索橋主纜銹蝕案例，從懸索橋主纜腐蝕的危害、腐蝕原因出發(fā)，對(duì)目前常用的主纜防護(hù)措施進(jìn)行了深入分析，詳細(xì)介紹了近些年比較常用的S型纏繞鋼筋、合成護(hù)套、主纜除濕等防護(hù)方法，并在此基礎(chǔ)上提出了長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的防護(hù)方法，聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)控主纜斷絲的研究建議，并提出一種可行性懸索橋主纜鋼絲電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)方案，可供懸索橋主纜防護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用參考。

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