某在役懸索橋平行鋼絲主纜檢查及腐蝕規(guī)律研究

辛付開，韓依璇，張國榮，朱曉文

(1.河海大學， 江蘇 南京 210098； 2.蘇交科集團股份有限公司， 江蘇 南京 211112；

某在役懸索橋平行鋼絲主纜檢查及腐蝕規(guī)律研究

辛付開1，韓依璇2,3，張國榮2,3，朱曉文2,3

(1.河海大學， 江蘇 南京 210098； 2.蘇交科集團股份有限公司， 江蘇 南京 211112；

3.在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室， 江蘇 南京 211112)

為研究在役懸索橋平行鋼絲主纜的腐蝕情況及規(guī)律，結合參考NCHRP534號報告以及國內現(xiàn)有檢測規(guī)范，對某服役18年懸索橋主纜進行現(xiàn)場檢查；基于實橋主纜現(xiàn)場取樣，通過重新緊纜以及銹蝕鋼絲的最小直徑、質量損失率的測量，建立主纜徑向腐蝕截面圖。結果表明主纜內部鋼絲腐蝕程度嚴重。主纜的腐蝕程度沿軸向呈分段變化，從外到內，沿徑向的腐蝕程度依次降低，銹蝕鋼絲的最小直徑逐漸增大，質量損失率逐漸減小。

平行鋼絲主纜；檢查；腐蝕截面圖；腐蝕規(guī)律

懸索橋由于外形美觀，近年來較多應用于城市橋梁建設[1]。目前世界上許多老舊懸索橋主纜性能已經出現(xiàn)退化，主纜鋼絲存在嚴重腐蝕和斷裂[2-6]。Williamsburg橋[7]、Forth公路橋[8]等早期修建的懸索橋主纜鋼絲已經出現(xiàn)銹蝕并進行了大量的修復。日本國內幾座運營不到10 a的大跨徑懸索橋同樣也發(fā)現(xiàn)了主纜鍍鋅鋼絲銹蝕情況[9]。我國在役各類懸索橋比較新，大都處于建成后的性能較佳狀態(tài)，但隨著服役年限的增加在役懸索橋也開始出現(xiàn)病害發(fā)展加劇、性能降低加速的現(xiàn)象。因此研究我國在役懸索橋平行鋼絲主纜的腐蝕原因及規(guī)律，為以后預測主纜剩余使用壽命、養(yǎng)護、維修決策提供科學依據。

腐蝕是影響高強度鋼絲性能退化的主要原因之一[10]。迄今為止，國內外學者對主纜腐蝕規(guī)律進行了若干研究。Theodore Hopwood I I等[11]最先提出了鋼絲銹蝕程度分級的概念，將鍍鋅鋼絲按銹蝕程度分為4個等級。Cocksedge C等[12]對楔開的Severn橋主纜做出7個位置的腐蝕等級分布圖，發(fā)現(xiàn)鋼絲銹蝕程度沿主纜徑向從外到內減弱。Suzumura K等[13]通過對懸索橋主纜內部腐蝕環(huán)境大量的實地調查和鋼絲的加速腐蝕試驗得到沿主纜兩側鋼絲受腐蝕嚴重、上部和下部腐蝕輕微的規(guī)律。

然而目前懸索橋主纜腐蝕規(guī)律的研究大都基于室內試驗或者國外實體懸索橋，國內幾乎沒有基于實橋主纜腐蝕規(guī)律相關方面的研究；另外由于懸索橋所處位置的地理環(huán)境、交通環(huán)境、主纜結構等不同，懸索橋主纜的腐蝕狀況也不盡相同。鑒此，本文通過對服役多年的懸索橋主纜楔開檢查、鋼絲取樣、室內主纜重新緊纜、最小直徑及質量損失率的測量，分析主纜腐蝕特征以及沿徑向腐蝕規(guī)律。

1 在役主纜鋼絲檢查

1.1 橋梁概況

該橋為雙塔單跨鋼桁架懸索橋，位于國道324安龍至洪江段的南盤江上，全橋總長為477.23 m，是連接廣西和貴州省的重要通道。該橋所在區(qū)域屬于亞熱帶氣候區(qū)，多年平均氣溫19.7℃，極端最高氣溫36.5℃，極端最低氣溫-4℃。一年中風的季節(jié)性變化明顯，冬天盛行東北風，春夏季以東南風為主。多年平均降雨量1 035 mm，降水主要集中在5月—9月?？偟膩碚f該橋所在位置氣候特點是冬無嚴寒，夏季炎熱，夏濕春干，雨熱同季，并且歷年年平均相對濕度為81%。

該橋主纜服役時間約18 a，由19束91根Φ5高強鍍鋅平行鋼絲索股組成，直徑為240 mm，鋼絲標準強度1 670 MPa。

1.2 主纜鋼絲檢查

為評定鋼絲銹蝕狀況，參考文獻[14]將鍍鋅鋼絲的腐蝕階段分為5個等級以及相應的圖示，具體分級見表1和圖1。

表1 主纜鋼絲腐蝕等級

圖1 主纜鋼絲腐蝕等級

[14-15]國外的主纜檢查及取樣經驗，結合現(xiàn)場主纜檢查以及相關檢測報告，對A—H等位置進行檢查和取樣，具體檢查位置如圖2所示。

圖2 懸索橋檢測、取樣分布圖

通過對A—H等位置的檢查發(fā)現(xiàn)，沿主纜軸向鋼絲銹蝕呈分段變化，如圖3所示。具體為主纜鋼絲銹蝕程度沿軸向發(fā)生突變，在兩個索夾之間腐蝕比較嚴重，而在索夾處腐蝕一般。這種分段、突變的現(xiàn)象在C、D處尤為明顯，究其原因是一方面由于該處主纜處于江水河道走向變向的位置，并且長期受到風、光照以及雨水的影響，進而造成鋼絲的腐蝕；另一方面是因為索夾的存在，致使索夾處的主纜鋼絲間的縫隙較小，阻止了雨水等物質的滲入。

圖3 沿主纜軸向鋼絲腐蝕分布

根據上述檢查情況，針對腐蝕嚴重的上游主纜C、D位置打開檢查。為了方便表述采用Suzumura所用的主纜內部環(huán)境狀況圖[13]，如圖4所示。

檢查表明大量的明顯銹蝕鋼絲出現(xiàn)在主纜S1和S2部位。S1部位鋼絲腐蝕等級為2或者3級，而S2部位的鋼絲卻大部分為4級，比S1部位腐蝕嚴重許多，如圖5(a)和圖5(b)所示。

與主纜兩側相比，主纜U和L部位鋼絲的銹蝕較弱，腐蝕等級也基本為2級，鋼絲表面覆滿白色鋅粉。見圖5(c)。

圖4 主纜內部環(huán)境狀況[13]

圖5 主纜鋼絲銹蝕分布

現(xiàn)場調查的腐蝕規(guī)律與Suzumura K等[13]模擬和總結的主纜徑向腐蝕規(guī)律基本一致，如圖4所示。然而對于主纜側面的鋼絲銹蝕，順風向(下游)較逆風向(上游)主纜側面銹蝕更嚴重，因此建立該懸索橋實際主纜內部環(huán)境狀況，如圖6所示。主要是由于逆風向SL2部位處于背風側且處于背陰面，相比順風向SL1、SU1和逆風向SU2部位，SL2部位一直處于潮濕狀態(tài)，導致該部位腐蝕更嚴重。

圖6 某懸索橋實際主纜內部環(huán)境狀況

2 不同等級銹蝕鋼絲物理性能研究

為了進一步定量檢測主纜鋼絲銹蝕，取各位置鋼絲樣本計56根、D位置鋼絲樣本38根，并將鋼絲樣本初步分成5個等級。然后對鋼絲除銹后測量最小直徑Dmin、計算質量損失率n，得到腐蝕程度與銹蝕參數(shù)之間的曲線圖，如圖7所示。

(1)

式中：n為質量損失率；m0為原始鋼絲質量，g；m為鋼絲除銹后質量，g。

圖7Dmin、n與腐蝕等級的關系

由圖7可知，隨著銹蝕等級的增加，鋼絲最小直徑呈現(xiàn)降低趨勢，質量損失率呈現(xiàn)增加趨勢。當鋼絲銹蝕等級分別從0級增加到4級時，最小直徑分別減少了0.09 mm、0.15 mm、0.22 mm、0.30 mm；質量損失率分別增加了0.52%、1.23%、3.07%、4.07%。

3 沿徑向主纜鋼絲銹蝕分布規(guī)律

為了研究主纜的徑向銹蝕分布規(guī)律，截取了銹蝕嚴重的D處長約1.8 m的19股共計1 729根主纜鋼絲進行檢查。參考國外楔開方法以及該懸索橋主纜19股鋼絲束的排列方式，將主纜沿徑向分為3層L1、L2、L3，并沿主纜截面30°、60°方向進行楔開，分為8個楔開區(qū)域。室內將19股鋼絲束按鋼絲束的排列圖重新排列、緊纜，根據鋼絲銹蝕狀態(tài)記錄鋼絲的銹蝕程度，建立腐蝕截面圖，如圖8所示。

由圖8可知主纜腐蝕分布在最外層L1比較嚴重，L2次之，L3最弱。在整個主纜截面，4級鋼絲占57%，3級鋼絲占17%，2級鋼絲占26%。對于主纜Section3—Section6部位的鋼絲，與上述建立主纜實際內部環(huán)境圖所描述一樣，該部位長期晝夜潮濕，導致腐蝕程度較其他位置更嚴重。

對上述腐蝕截面分布圖，建立更加詳細的各層銹蝕鋼絲的最小直徑、質量變化率見圖9。

圖8 腐蝕截面圖

圖9 沿徑向各層銹蝕鋼絲Dmin、n均值圖

由圖9可知，L1層鋼絲的最小直徑為4.60 mm～4.81 mm，質量損失率為3.56%～4.90%；L2層鋼絲的最小直徑為4.76 mm～4.84 mm，質量損失率為2.67%～3.80%；L3層鋼絲的最小直徑為4.86 mm，質量損失率為1.75%。

4 結 論

(1) 對現(xiàn)場的主纜內部檢查，發(fā)現(xiàn)主纜沿徑向腐蝕程度依次降低，沿縱向腐蝕程度呈分段變化，建立了該處懸索橋實際內部環(huán)境狀況圖。

(2) 隨著銹蝕等級的增加，主纜銹蝕鋼絲的最小直徑呈現(xiàn)明顯降低的趨勢，相應的質量損失率呈現(xiàn)增加的趨勢。

(3) 建立了主纜徑向腐蝕截面圖，在整個主纜截面，4級鋼絲占57%，3級鋼絲占17%，2級鋼絲占26%。主纜腐蝕鋼絲等級L1層大部分為4級，L2層為3級和2級，L3層為2級，銹蝕鋼絲的最小直徑逐漸增大，質量損失率逐漸減小。

參考文獻：

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[11] Theodore Hopwood I I, Havens J H. Corrosion of cable suspension bridges[R]. Kentucky: College of Engineering University of Kentucky Lexington, 1984.

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[15] Chavel B W, Leshko B J. Primer for the Inspection and Strength Evaluation of Suspension Bridge Cables[M]. Inspection, 2012.

Inspection and Corrosion Rule of Parallel Steel Wire Main Cables of Suspension Bridge in Service

XIN Fukai1, HAN Yixuan2,3, ZHANG Guorong2,3, ZHU Xiaowen2,3

(1.HohaiUniversity,Nanjing，Jiangsu210098,China；2.JiangsuTransportationResearchInstitute,Nanjing,Jiangsu211112,China;3.TheStateKeyLaboratoryonSafetyandHealthofIn-serviceLong-spanBridges,Nanjing,Jiangsu211112,China)

In order to analyze the corrosion status and regularity of parallel wire main cables of suspension bridges, refer to the NCHRP534 report and domestic existing test specification, site inspection for the main cables of suspension bridge which has been served for 18 years was conducted in this paper; Based on the field sampling of the main cables, by tensioning the cables again and measuring minimum diameter and mass loss rate of rusting wires, the radial corrosive sectional drawing of main cables was established. The results indicate that the corrosion of the wires inside the main cables is serious. Longitudinal corrosion of the main cables change sectionally. And at the same time, from outside to inside, the radial corrosion of main cables decrease in sequence, the minimum diameter of corrosive wires increase and mass loss rate decrease gradually.

parallel steel wire main cable; inspection; corrosion section; corrosion rule

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.024

2017-02-12

2017-03-15

辛付開(1989—)，男，山東聊城人，碩士研究生，研究方向為橋梁養(yǎng)護與纜索退化研究。 E-mail：xinfukai@126.com

韓依璇(1980—)，女，江蘇南京人，高級工程師，主要從事橋梁結構耐久性能與養(yǎng)護技術研究工作。 E-mail：hyx96@jsti.com

U448.25

A

1672—1144(2017)03—0118—05