橋梁纜索防護(hù)體系的突出問(wèn)題

纜索承重橋梁的索體結(jié)構(gòu)及其錨固系統(tǒng)面臨的問(wèn)題多為建設(shè)階段留存的問(wèn)題，主要可通過(guò)運(yùn)營(yíng)階段的有效防護(hù)來(lái)解決。而纜索防護(hù)系統(tǒng)作為保護(hù)纜索體系安全耐久使用的最后、最重要環(huán)節(jié)，主要面臨全生命周期火災(zāi)威脅和密封防腐結(jié)構(gòu)過(guò)早失效兩大突出問(wèn)題，必須采取可靠有效的技術(shù)措施，未雨綢繆。

我國(guó)懸索橋的建設(shè)現(xiàn)狀

隨著技術(shù)進(jìn)步和新裝備、新材料的發(fā)展，“一橋飛架南北、天塹變通途”的景象在神州大地上隨處可見(jiàn)，長(zhǎng)江、黃河、珠江等大江大河正被一座座大跨度橋梁跨越。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至目前，我國(guó)已建成公路橋梁超過(guò)91萬(wàn)座，其中，特大橋梁超過(guò)6400座，跨度大于400米的纜索橋梁超過(guò)450座。從1995年第一座現(xiàn)代懸索橋汕頭海灣大橋建成，到跨度2300米的張靖皋長(zhǎng)江公路大橋建設(shè)，不到30年，我國(guó)創(chuàng)造了超過(guò)60%的各類(lèi)型橋梁跨度的世界紀(jì)錄。

任何時(shí)候，大跨纜索承重橋梁的建造安全和使用安全都是涉及重大公共安全的世界性問(wèn)題。20多年來(lái)，我國(guó)投入巨大資源聚焦大跨橋梁建設(shè)技術(shù)研究，但針對(duì)使用安全保護(hù)的技術(shù)研究則較為薄弱，作為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，纜索承重橋梁的纜索體系在使用過(guò)程中存在著較為突出的問(wèn)題，而其防護(hù)系統(tǒng)作為保護(hù)纜索體系安全使用的最后、關(guān)最鍵環(huán)節(jié)，必須通過(guò)系統(tǒng)研究確保其耐久性、有效性和使用可靠性。

表1 世界范圍內(nèi)已建成主要大跨度纜索承重橋梁

橋梁建設(shè)期纜索體系遺留的質(zhì)量問(wèn)題

纜索體系在懸索橋、斜拉橋和拱橋中所發(fā)揮的作用和具體錨固形式等各不相同，基于這種差異，可將承重纜索分為主纜、拉索、吊索三類(lèi)。主纜是懸索橋的主要承重構(gòu)件，通過(guò)鞍座支承與錨固系統(tǒng)將荷載傳至橋塔和錨碇；拉索是斜拉橋的主要傳力構(gòu)件，兩端通過(guò)錨固系統(tǒng)分別錨固于橋塔與主梁，將荷載傳至橋塔；吊索是懸索橋、拱橋的主要傳力構(gòu)件，通過(guò)纜索索夾或錨固聯(lián)結(jié)橋梁承重構(gòu)件與主梁，將荷載傳至懸索橋主纜或拱橋拱肋。

組圖1 承重纜索橋梁纜索類(lèi)型

對(duì)于現(xiàn)代纜索承重橋梁，纜索索體結(jié)構(gòu)多采用平行鋼絲索股形式，作為組成纜索結(jié)構(gòu)的最基本單位，平行鋼絲從20世90年代虎門(mén)大橋采用的強(qiáng)度1600兆帕的進(jìn)口盤(pán)條，經(jīng)歷不同階段強(qiáng)度的1670兆帕、1770兆帕、1860兆帕、1960兆帕、2060兆帕盤(pán)條，到在建江蘇南京仙新路大橋采用的強(qiáng)度2100兆帕的國(guó)產(chǎn)盤(pán)條，發(fā)展迅速，種類(lèi)多樣。

纜索盤(pán)條強(qiáng)度越高，鋼絲碳含量越高，對(duì)于鋼絲的防腐保護(hù)要求就越高，因此，盤(pán)條鋼絲表面防腐處理從當(dāng)今世界應(yīng)用最廣泛的熱浸鍍鋅保護(hù)過(guò)渡到鋅鋁合金鍍層保護(hù)，再到最新一代鋅鋁鎂合金鍍層保護(hù)。試驗(yàn)表明，鋼絲鋅鋁鎂合金鍍層耐腐蝕性能是純鋅鍍層的近5倍、是鋅鋁合金鍍層的2倍。需要指出的是，鋼絲盤(pán)條及其鍍層保護(hù)均涉及橋梁生命線耐久安全，懸索橋主纜更是不可更換的核心構(gòu)件，因此，從研究到使用需要經(jīng)過(guò)足夠時(shí)長(zhǎng)的可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證。

另外，懸索橋錨碇錨固系統(tǒng)主要經(jīng)歷了鋼框架錨固系統(tǒng)、灌漿黏結(jié)式預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)及灌油無(wú)黏結(jié)式預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)等多個(gè)發(fā)展階段，吊索的錨固方式和材料同樣經(jīng)歷不同發(fā)展階段，各類(lèi)型的錨碇錨固系統(tǒng)和錨固方式等都有其優(yōu)缺點(diǎn)，它們?cè)谀途眯?、錨固可靠性、施工和維護(hù)便利性等方面都各自存在一定缺陷與尚待解決的問(wèn)題。橋梁建造過(guò)程中，一些橋梁在纜索架設(shè)施工時(shí)，由于制造工藝和施工管理不到位，會(huì)造成部分纜索鋼絲保護(hù)鍍層的脫落或損傷，這也是造成纜索鋼絲早期銹蝕的重要原因，這些因設(shè)計(jì)和施工過(guò)程造成的質(zhì)量缺陷將伴隨橋梁的全生命周期。

什么是纜索承重橋梁

纜索承重橋梁以纜索為主要荷載傳遞結(jié)構(gòu)，以墩塔、拱塔、錨碇為主要承載結(jié)構(gòu)，基于受力體系和纜索承載作用的差異，可將纜索承重橋梁分為懸索橋、斜拉橋、拱橋。

大量事實(shí)證明，在纜索承重橋梁發(fā)展過(guò)程中，作為橋梁“生命線”的承重纜索及其錨固系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、制造、安裝等環(huán)節(jié)存在不同程度的問(wèn)題。這些問(wèn)題均涉及纜索長(zhǎng)期使用安全，因此需要從工程使用安全和全壽命要求等方面進(jìn)行系統(tǒng)、慎重的考慮，再確定要采用哪種建造材料和施工工法。對(duì)于在役運(yùn)營(yíng)的橋梁，這些從建設(shè)階段留下的問(wèn)題主要集中由纜索防護(hù)系統(tǒng)來(lái)解決。然而，纜索防護(hù)系統(tǒng)作為保護(hù)纜索系統(tǒng)安全使用的最后環(huán)節(jié)，在運(yùn)營(yíng)使用過(guò)程中還需要面臨火災(zāi)威脅及結(jié)構(gòu)過(guò)早失效等問(wèn)題。

纜索全生命周期面臨的火災(zāi)威脅

橋梁纜索體系全生命周期均受到火災(zāi)威脅，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，絕大部分的纜索橋梁在建造或運(yùn)營(yíng)過(guò)程中都發(fā)生過(guò)火災(zāi)，盡管這些火災(zāi)沒(méi)有造成橋梁垮塌等嚴(yán)重事故，但卻給橋梁管理者敲響了警鐘。例如，2021年上半年，位于珠江主航道的黃埔大橋和南沙大橋多次啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)，超過(guò)一半是通行于橋梁上的車(chē)輛發(fā)生交通事故、車(chē)輛自燃事故、敏感區(qū)域火災(zāi)等所致。

組圖2 黃埔大橋上?；愤\(yùn)輸車(chē)輛和纜索區(qū)域貨車(chē)自燃

研究表明，引起橋梁火災(zāi)事故的原因多種多樣，包括橋上通行車(chē)輛引起的火災(zāi)、電路電器和雷電地震引發(fā)的火災(zāi)、橋下交通事故和易燃易爆炸物體引發(fā)燃爆、施工用電用火引起的火災(zāi)、人為燃燒破壞與爆炸破壞引發(fā)的火災(zāi)等。

組圖3 橋梁火災(zāi)事故

通過(guò)對(duì)典型橋梁火災(zāi)事故分析發(fā)現(xiàn)，首先，橋梁火災(zāi)事故起火原因復(fù)雜多樣，在各類(lèi)起火原因中，車(chē)致火災(zāi)的概率高、頻次多、火場(chǎng)溫度高，發(fā)生時(shí)間和位置隨機(jī)性大、影響面廣、破壞強(qiáng)度大，需要特別關(guān)注并采取切實(shí)有效的措施予以解決。其次，相關(guān)行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)纜索防護(hù)系統(tǒng)沒(méi)有防火和耐高溫指標(biāo)要求，而火災(zāi)對(duì)于橋梁中各類(lèi)鋼構(gòu)件的影響作用顯著，火災(zāi)中各類(lèi)鋼構(gòu)件升溫迅速，力學(xué)性能也會(huì)顯著下降，進(jìn)而嚴(yán)重影響橋梁安全性能。最后，在規(guī)范和實(shí)際建設(shè)中，行業(yè)內(nèi)對(duì)承重鋼結(jié)構(gòu)缺乏專(zhuān)門(mén)抗火設(shè)計(jì)，而按照傳統(tǒng)的橋梁消防設(shè)計(jì)、配套設(shè)施配備和消防救援模式，救援人員難以迅速到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施救援，造成火災(zāi)影響擴(kuò)散，在被動(dòng)的消防與救援模式下，即使反應(yīng)及時(shí)，也可能會(huì)造成橋梁結(jié)構(gòu)的損傷甚至損毀。

纜索密封防護(hù)結(jié)構(gòu)過(guò)早失效

因防護(hù)材料、纜索施工和使用環(huán)境等問(wèn)題，極易造成纜索密封防護(hù)結(jié)構(gòu)過(guò)早開(kāi)裂、防腐失效，從而導(dǎo)致纜索鋼絲過(guò)早銹蝕、拉索吊索斷裂、甚至造成垮橋的情況。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國(guó)在役橋梁主纜在建成初期便會(huì)出現(xiàn)防護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂情況，從在役橋梁纜索體系的防護(hù)水平和實(shí)際應(yīng)用情況看，難以確保橋梁纜索使用壽命達(dá)到設(shè)計(jì)或預(yù)期要求。

主纜防護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂

組圖4 纜索防護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂和腐蝕情況

組圖5 纜索腐蝕致災(zāi)情況

在我國(guó)，雖然依據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施纜索密封防腐的做法，已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工程中且工藝較為成熟，但在役橋梁運(yùn)營(yíng)情況顯示，纜索防護(hù)結(jié)構(gòu)密封有效性的問(wèn)題突出，個(gè)別橋梁的纜索密封防護(hù)問(wèn)題相當(dāng)嚴(yán)峻。

黃埔大橋