國內(nèi)外斜拉橋拉索水密性試驗(yàn)對比研究

□文/閆云友 李華萍 黃芳瑋 周俊文

斜拉橋因造型美觀、類型豐富，從20 世紀(jì)80 年代開始得到廣泛應(yīng)用，特別是從20 世紀(jì)90 年代開始，越來越多的大跨度斜拉橋相繼建成。目前斜拉橋主跨已超過1 000 m，一些大跨徑斜拉橋已經(jīng)成為所在城市或地區(qū)的標(biāo)志性建筑。但構(gòu)成斜拉橋關(guān)鍵元素的拉索系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究和制訂在我國才剛剛起步。

作為橋梁的承重構(gòu)件，拉索的耐久性關(guān)系到橋梁的使用壽命，拉索因結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與橋梁的連接很難做到密封，從而導(dǎo)致部分梁端預(yù)埋管出現(xiàn)積水現(xiàn)象，使得下端錨具長期處于潮濕環(huán)境中，如果拉索體系中的錨具結(jié)構(gòu)密封性能不過關(guān)，水或濕汽很容易侵入錨具內(nèi)部，在組成拉索索體的鋼絲或鋼絞線周圍形成易腐蝕環(huán)境，給橋梁安全埋下隱患。近年來，在拉索失效造成的橋梁事故中，很大部分就是梁端預(yù)埋管進(jìn)水導(dǎo)致拉索腐蝕造成的。

隨著技術(shù)的發(fā)展及國家對質(zhì)量的重視，已從源頭入手，在斜拉索標(biāo)準(zhǔn)編制時參考國際規(guī)范引入拉索水密性試驗(yàn)要求，為斜拉橋拉索設(shè)計及產(chǎn)品性能檢驗(yàn)提供參考依據(jù)。

1 國內(nèi)外斜拉索規(guī)范發(fā)展現(xiàn)狀對比分析

1.1 國際

目前，國際斜拉橋項(xiàng)目設(shè)計使用的斜拉索規(guī)范有3個，最早編制斜拉索規(guī)范的是美國，1986年美國后張技術(shù)協(xié)會出版了第一版有關(guān)斜拉橋拉索的設(shè)計、試驗(yàn)及安裝推薦性規(guī)范“Recommendation for stay cable design, testing, and installation”[1](以下簡稱PTI 規(guī)范)，之后根據(jù)斜拉索材料及技術(shù)的發(fā)展，每隔3～7 a 對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，到2018年，已修訂6次，

繼美國之后，1997年法國預(yù)應(yīng)力技術(shù)委員會成立了工作組，對斜拉橋拉索技術(shù)問題展開研究并建立了類似預(yù)應(yīng)力體系實(shí)施的批準(zhǔn)程序。該工作組總結(jié)了過去三十年法國和其他國家斜拉橋（包括法國諾漫底大橋）的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，起草了斜拉索系統(tǒng)的設(shè)計、鑒定和實(shí)施建議“Cable Stays Recommendations of French Interministerial Commission on Prestressing”[2](以下簡稱CIP 規(guī)范)，該規(guī)范于2002 年6 月出版發(fā)行，其內(nèi)容包括：

第一部分（第2～8章）：主要回顧關(guān)于斜拉橋的科學(xué)知識，采用手冊形式編寫，供設(shè)計人員參考；

第二部分（第9～10 章）：描述當(dāng)時常用的斜拉索體系并對拉索的耐久性技術(shù)提出建議；

第三部分（第11～13 章）：是CIP 規(guī)范要求的斜拉索體系批準(zhǔn)與實(shí)施的基準(zhǔn)；

第四部分（第14章）：提出了斜拉索體系極限狀態(tài)的設(shè)計規(guī)則。

2004 年4 月，由國際結(jié)構(gòu)混凝土聯(lián)合會（fib）編寫的 第30 號 公 報（Bulletin No. 30）“Acceptance of Stay cable Systems Using Prestressing Steels”[3](以 下 簡 稱fib2005)獲得批準(zhǔn)并于2005 年1 月出版發(fā)行。fib2005只適用于斜拉橋，其在參考了PTI 規(guī)范2001 年修訂版和CIP 規(guī)范的同時，還參考了大量標(biāo)準(zhǔn)和斜拉橋拉索相關(guān)的論文。

2018 年，fib 新成立了拉索規(guī)范編寫任務(wù)組，在fib2005基礎(chǔ)上對規(guī)范進(jìn)行了更新升級，新的規(guī)范名稱不變，但編號更改為fib bulletin 89[4]并于2019 年3 月正式出版發(fā)行(以下簡稱fib2019)，與fib2005 不同的是，fib2019 增加了矮塔斜拉橋拉索產(chǎn)品，以大篇幅分別對斜拉橋和矮塔斜拉橋應(yīng)用的拉索系統(tǒng)和鞍座系統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)和水密性試驗(yàn)作了規(guī)定，同時對安裝減振裝置的拉索現(xiàn)場振動檢測試驗(yàn)提出了要求。

上述三大國際規(guī)范中，CIP規(guī)范涉及的內(nèi)容最廣，但因當(dāng)初的任務(wù)組是在規(guī)范編寫時成立的，規(guī)范出版后，任務(wù)組不復(fù)存在，因此第一次出版發(fā)行后，沒有再組織修訂；然而，因該規(guī)范內(nèi)容全面，在國外很多斜拉橋項(xiàng)目設(shè)計中，一直被引用為拉索產(chǎn)品設(shè)計及驗(yàn)收的項(xiàng)目規(guī)范。

1.2 我國

縱觀斜拉橋技術(shù)的發(fā)展歷史，中國斜拉橋的起步比國外晚20 a，因而對斜拉橋拉索標(biāo)準(zhǔn)的研究與制訂也相對滯后。

20 世紀(jì)90 年代開始，熱擠聚乙烯護(hù)套高強(qiáng)鋼絲拉索在我國斜拉橋建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，隨著南浦大橋、楊浦大橋等大跨度斜拉橋的相繼建成，高強(qiáng)鋼絲斜拉索技術(shù)趨于成熟，在總結(jié)實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)上，由交通部重慶公路科學(xué)研究所負(fù)責(zé)起草了交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]，該標(biāo)準(zhǔn)填補(bǔ)了當(dāng)時國內(nèi)空白，在斜拉橋設(shè)計、施工中得到廣泛應(yīng)用，對規(guī)范鋼絲拉索使用的高強(qiáng)鋼絲材料性能、拉索錨具性能及成品索的制備和檢驗(yàn)起到了積極作用。

2001年，在文獻(xiàn)［5］實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國交通行業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展并借鑒國內(nèi)外最新技術(shù)，將交通部標(biāo)準(zhǔn)上升為國家標(biāo)準(zhǔn)[6]，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了斜拉橋用熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索的規(guī)格型號、技術(shù)要求、檢驗(yàn)規(guī)則、試驗(yàn)方法和標(biāo)志、儲存及運(yùn)輸?shù)韧ㄓ眉夹g(shù)條件，適用于斜拉橋；懸索橋，中、下承式拱橋及其他結(jié)構(gòu)的索構(gòu)件亦可參照使用。

組成拉索索體材料鋼絲強(qiáng)度的提高和架橋技術(shù)的發(fā)展，為大跨度和超大跨度斜拉橋的設(shè)計和建造提供了有利條件，2010 年3 月25 日，中交公路規(guī)范設(shè)計院有限公司牽頭起草的關(guān)于大跨度斜拉橋平行鋼絲斜拉索的標(biāo)準(zhǔn)[7]由交通運(yùn)輸部發(fā)布，同年7 月1 日實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)主要定位為跨度＞400 m 的斜拉橋，規(guī)定組成斜拉索的鋼絲直徑7 mm，強(qiáng)度等級1 770 MPa，與文獻(xiàn)［6］相比，在拉索疲勞性能方面的要求有所提高并增加了拉索水密性試驗(yàn)要求。

2018 年6 月，GB/T 18365—2018 標(biāo)準(zhǔn)的修訂版發(fā)布，在文獻(xiàn)［5］基礎(chǔ)上，增加了鋅鋁合金鍍層鋼絲、高強(qiáng)鋼絲強(qiáng)度級別、材料試驗(yàn)方法、拉索水密性試驗(yàn)等內(nèi)容，因內(nèi)容的升級，標(biāo)準(zhǔn)名稱亦升級[8]，適用于斜拉橋用熱擠聚乙烯鋼絲拉索的生產(chǎn)、檢驗(yàn)和使用，刪除了“懸索橋，中、下承式拱橋及其他結(jié)構(gòu)的索構(gòu)件亦可參照使用”的描述。

隨著國內(nèi)斜拉索技術(shù)的不斷發(fā)展，因鋼絞線斜拉索體系在產(chǎn)品運(yùn)輸、拉索安裝、拉索整體防腐等方面的優(yōu)勢，得到越來越多設(shè)計者推崇，但多年來，我國沒有鋼絞線斜拉索體系標(biāo)準(zhǔn)，在斜拉橋設(shè)計中要么參考已有的鋼絲拉索標(biāo)準(zhǔn)，要么參考國外規(guī)范，制約了鋼絞線斜拉索的發(fā)展。為了適應(yīng)設(shè)計需求，交通運(yùn)輸部于2009 年發(fā)布了交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[9]，該標(biāo)準(zhǔn)由威勝利工程有限公司和北京建達(dá)道橋咨詢有限公司起草，編寫雖然參考了fib 規(guī)范，但拉索結(jié)構(gòu)圖及附錄中斜拉索錨具主要技術(shù)參數(shù)表均以威勝利（VSL）公司產(chǎn)品為藍(lán)本，拉索索體材料規(guī)定“制作斜拉索的無粘結(jié)鋼絞線宜選用鍍鋅鋼絞線或光面鋼絞線”，而我國斜拉索廣泛采用的環(huán)氧涂層鋼絞線沒有列入選擇范圍，因而，有一定的局限性。

為了適應(yīng)并推動我國鋼絞線斜拉索技術(shù)的發(fā)展，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會下達(dá)的2008 年第三批國家標(biāo)準(zhǔn)修訂計劃的通知(國標(biāo)委綜合[2008]154 號)，計劃編號0081754-T-605 將國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼絞線斜拉索技術(shù)條件》列入制定計劃，由全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會歸口管理，柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司和同濟(jì)大學(xué)負(fù)責(zé)主編工作，根據(jù)該計劃編制的標(biāo)準(zhǔn)[10]于2014年6月24日發(fā)布，2015 年4 月1 日實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)的編制參考了國際三大規(guī)范對鋼絞線拉索的技術(shù)要求，結(jié)合我國國情對斜拉橋鋼絞線拉索的術(shù)語和定義、符號和說明、拉索結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、拉索產(chǎn)品驗(yàn)收檢驗(yàn)、標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸及貯存、拉索防腐與防護(hù)、拉索安裝、拉索更換和拉索的檢查作了規(guī)定，適用于采用單根PE 防護(hù)鋼絞線作為受拉構(gòu)件的斜拉橋鋼絞線拉索的設(shè)計、試驗(yàn)與安裝。

2 國內(nèi)外斜拉索水密性試驗(yàn)對比分析

2.1 國際

國際斜拉索規(guī)范PTI、fib2005 和CIP 均對拉索產(chǎn)品提出了水密性試驗(yàn)要求，但存在較大的差別，見表1。

CIP規(guī)范規(guī)定的拉索水密性試驗(yàn)安裝和試驗(yàn)過程原理見圖1和圖2。

表1 國際斜拉索規(guī)范對拉索試件水密性試驗(yàn)要求

圖1 CIP規(guī)范水密性試驗(yàn)安裝

圖2 CIP規(guī)范水密性試驗(yàn)原理

如前所述，fib2005 已進(jìn)行了更新，在水密性試驗(yàn)方面，fib2019除保留了斜拉索錨具的水密性試驗(yàn)要求外，還對矮塔斜拉橋拉索應(yīng)用的錨具系統(tǒng)和斜拉橋及矮塔斜橋應(yīng)用的鞍座系統(tǒng)提出了水密性試驗(yàn)要求，見表2；規(guī)范規(guī)定的水密性試驗(yàn)安裝和試驗(yàn)過程原理見圖3和圖4。

表2 fib2019對拉索和鞍座系統(tǒng)水密性試驗(yàn)要求

圖3 fib2019規(guī)范水密性試驗(yàn)安裝

圖4 fib2019規(guī)范水密性試驗(yàn)原理

由表1 可以看出，PTI 規(guī)范要求拉索試件在完成疲勞試驗(yàn)后再進(jìn)行水密性試驗(yàn)，試件在≮3 m 水頭的染色水中浸泡96 h，屬于靜態(tài)水密性試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中，對試件不施加拉力，拉索試件的規(guī)格沒有明確規(guī)定，試驗(yàn)周期短。fib 和CIP 兩規(guī)范都要求對拉索試件進(jìn)行動態(tài)水密性試驗(yàn)，對拉索的規(guī)格有明確要求，試驗(yàn)周期長，在試驗(yàn)過程中，還要對水進(jìn)行8個周期的加熱-冷卻循環(huán)，在整個試驗(yàn)周期內(nèi)，分別在室溫和高溫狀態(tài)下進(jìn)行拉索偏擺循環(huán)，但兩規(guī)范對水密性試驗(yàn)裝置的安裝方法、試驗(yàn)過程和技術(shù)要求存在差別，按其中一個規(guī)范對拉索產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，不能覆蓋另一規(guī)范的試驗(yàn)要求。

由表2 可以看出，更新后的fib2019 在fib2005 對拉索系統(tǒng)的水密性試驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加了鞍座系統(tǒng)的水密性試驗(yàn)，而且根據(jù)斜拉橋拉索和矮塔斜拉橋拉索兩種不同的應(yīng)用，對錨具系統(tǒng)和鞍座系統(tǒng)提出了不同的試驗(yàn)要求，其中矮塔斜拉橋拉索在水密性試驗(yàn)中無需進(jìn)行4×250次偏轉(zhuǎn)循環(huán)運(yùn)動，而是在錨具下或鞍座下增加10 mrad(0.6°)斜墊板模擬施工過程中的安裝誤差對密封性能產(chǎn)生的影響，拉索試件規(guī)格同樣為≮27根直徑為15.7 mm的鋼絞線。

2.2 我國

2.2.1 鋼絲拉索

因交通部標(biāo)準(zhǔn)［5］和由其上升而成的國家標(biāo)準(zhǔn)［6］編制較早，均未對拉索的水密性提出試驗(yàn)要求。

隨著國際間技術(shù)交流增加，中國越來越多的建橋企業(yè)參與國際橋梁工程建設(shè)，對國際斜拉索規(guī)范的研究越來越深入，給合國內(nèi)斜拉橋拉索防腐失效案例中梁端預(yù)埋管積水情況，對拉索體系過渡段的密封問題有了較為系統(tǒng)的研究，近年來，我國在斜拉橋拉索標(biāo)準(zhǔn)編制過程中，參考國際規(guī)范對拉索的水密性提出了要求。

文獻(xiàn)［7］和文獻(xiàn)［8］對拉索分別規(guī)定了靜態(tài)和動態(tài)水密性試驗(yàn)，見表3。

表3 文獻(xiàn)［7］和文獻(xiàn)［8］水密性試驗(yàn)要求

靜態(tài)水密性試驗(yàn)方面，文獻(xiàn)［7］要求從經(jīng)軸向疲勞試驗(yàn)后的3 根斜拉索中取1 根做試驗(yàn)，文獻(xiàn)［8］要求選取經(jīng)疲勞試驗(yàn)后的拉索中的1 根做試驗(yàn)；靜止后將斜拉索取出，解剖索體及錨具的連接部位，目測有無進(jìn)水現(xiàn)象，此試驗(yàn)方法參考了美國PTI 規(guī)范的水密性試驗(yàn)要求。

動態(tài)水密性試驗(yàn)方面，文獻(xiàn)［7］在試驗(yàn)拉索生產(chǎn)過程中，在斜拉索鋼絲與高強(qiáng)聚酯纖維帶之間、護(hù)套與密封填料之間及護(hù)套與熱收縮套之間放入試紙，參考了CIP 規(guī)范的試驗(yàn)方法，但在250 次橫向偏轉(zhuǎn)運(yùn)動中，不是規(guī)定橫向偏轉(zhuǎn)角度1.4°（25 mrad），而是規(guī)定橫向位移200 mm。而文獻(xiàn)［8］沒有在拉索內(nèi)部設(shè)置試紙的要求，試驗(yàn)過程參考fib2005 規(guī)范的試驗(yàn)方法，但試驗(yàn)方法的描述不是很清晰且在拉索動態(tài)水密性試驗(yàn)裝置示意圖的說明中，水溫范圍為20～70 ℃，軸向千斤頂加載循環(huán)的荷載范圍為0.2Pb～0.5Pb，與試驗(yàn)方法描述的水溫20～60 ℃和軸向循環(huán)荷載0.2Pb～0.45Pb不一致，希望標(biāo)準(zhǔn)下次修訂時能完善試驗(yàn)方法的描述及統(tǒng)一水溫和軸向循環(huán)荷載范圍。

2.2.2 鋼絞線拉索

文獻(xiàn)［9］參照fib2005 對拉索錨具組件提出了水密性試驗(yàn)要求，而文獻(xiàn)［10］則參考CIP 規(guī)范對拉索錨具組件提出了水密性試驗(yàn)要求，見表4。

表4 文獻(xiàn)［9］和文獻(xiàn)［10］對拉索水密性試驗(yàn)要求

結(jié)合表1 和表4 可以看出，文獻(xiàn)［9］水密性試驗(yàn)程序和過程完全參考了fib2005 規(guī)范，只是試驗(yàn)循環(huán)水溫上下限有所降低，但溫差不變。而文獻(xiàn)［10］則等同采用了CIP 規(guī)范的水密性試驗(yàn)要求，試驗(yàn)拉索傾斜30°安裝，模擬了實(shí)際拉索的使用狀態(tài)，而且拉索試驗(yàn)周期長，拉索橫向運(yùn)動（偏轉(zhuǎn)運(yùn)動）的頻率低、水溫循環(huán)時間長，更能考驗(yàn)拉索體系過渡段的密封性能。拉索作為斜拉橋的生命索，嚴(yán)格的技術(shù)要求是工程質(zhì)量的有力保證。

3 結(jié) 語

我國拉索標(biāo)準(zhǔn)對水密性試驗(yàn)要求存在的主要問題：

1）國際三大斜拉索規(guī)范對水密性試驗(yàn)要求各異，我國在制定標(biāo)準(zhǔn)過程中，由于各標(biāo)準(zhǔn)主要起草單位不同，其對標(biāo)準(zhǔn)的理解存在差異，在標(biāo)準(zhǔn)編制中參考的國際規(guī)范也不一樣，雖然不同的標(biāo)準(zhǔn)給設(shè)計提供了更多的參考選擇，但各標(biāo)準(zhǔn)對拉索產(chǎn)品水密性試驗(yàn)要求不同，則導(dǎo)致根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)要求需對產(chǎn)品性能進(jìn)行重復(fù)性驗(yàn)證而浪費(fèi)資源，加大生產(chǎn)企業(yè)運(yùn)營成本；

2）在激烈的市場競爭中，拉索產(chǎn)品存在嚴(yán)重的仿制現(xiàn)象，一些不具備獨(dú)立研發(fā)能力的企業(yè)拿到知名企業(yè)的產(chǎn)品樣冊進(jìn)行仿制，雖然生產(chǎn)出的產(chǎn)品外觀一樣，但因?qū)﹃P(guān)鍵技術(shù)的不理解，產(chǎn)品的密封性很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

針對上述問題的建議：

1）標(biāo)準(zhǔn)歸口部門在標(biāo)準(zhǔn)編制或修訂過程中，組織拉索領(lǐng)域的專家對標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵條款進(jìn)行深入研究和討論，統(tǒng)一并提高拉索產(chǎn)品水密性試驗(yàn)要求，簡化設(shè)計人員對標(biāo)準(zhǔn)的選擇，減少生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品水密性試驗(yàn)的重復(fù)性驗(yàn)證；

2）統(tǒng)一并提高標(biāo)準(zhǔn)水密性試驗(yàn)要求，有效淘汰不具備研發(fā)能力的企業(yè)涉足斜拉橋拉索領(lǐng)域，以確保橋梁拉索體系的安全性與耐久性，從而保證橋梁安全。□■