纜索安全問題的成因和機理

按照現(xiàn)行技術(shù)標準，主纜和拉吊索最外層的防護體系均不具備防火和阻燃性能，實際使用中的纜索及拉吊索錨頭的耐久密封防護效果也不理想。因此，筆者分析了纜索防護密封失效和銹蝕機理、纜索系統(tǒng)火損失效機理，以及橋梁纜索抗火密封綜合防護機理，為精準尋求纜索安全問題解決辦法奠定基礎(chǔ)。

纜索防護密封失效和銹蝕機理

橋梁主纜最外層的防護體系主要采用聚硫密封膠涂層防護和纏包帶防護兩大類。由于纜索受溫度、風載、車輛荷載等影響處于長期振動和應力伸縮狀態(tài)，其緊纜纏絲和索夾將出現(xiàn)局部滑移或松動現(xiàn)象。部分橋梁檢測數(shù)據(jù)顯示，在通車3年后，索夾的緊筘力下降近一半，當纜索采用密封膠防護時，密封膠固化后抗拉強度低，加上固化密封膠的自重力作用，將導致防護結(jié)構(gòu)局部開裂，水、濕空氣和有害物質(zhì)從開裂位置進入，將造成主纜銹蝕和加速老化；當采用纏包帶密封防護時，由于纏包帶的接縫量多，熱熔固化工作量大、工藝復雜，且纏包帶不具有自黏附性，同時，纏包基面無法到達理想的平整狀態(tài)，僅依靠熱熔固化工藝難以實現(xiàn)防護體系整體耐久密封的效果，目前該防護體系實際使用效果不甚理想。另外，傳統(tǒng)密封膠和纏包帶密封防護結(jié)構(gòu)高溫耐久性和抗氣體壓力能力差，難以阻擋抽濕系統(tǒng)產(chǎn)生的長期內(nèi)外壓力差而造成密封效果加速失效。

橋梁拉吊索采用高強聚酯纖維帶加雙層高密度聚乙烯（HDPE）防護結(jié)構(gòu)，制造、運輸、施工過程，均可能造成HDPE局部破損，水與有害空氣從破損部位進入索體內(nèi)部，并在錨頭或吊點處積聚，從而腐蝕索體鋼絲。另外，由于拉索錨固區(qū)域處于半封閉和后期封閉狀態(tài)，雨水或空氣冷凝水容易從索體表面流集于錨頭或吊點處積聚并腐蝕索體鋼絲。

根據(jù)腐蝕發(fā)生位置和發(fā)生先后次序不同，長期運營的橋梁纜索在腐蝕過程中，可以分為纜索外部防護結(jié)構(gòu)受損、纜索內(nèi)部鋼絲腐蝕，以及纜索錨固區(qū)域受損三個階段。首先，纜索外部防護結(jié)構(gòu)長期暴露在外部環(huán)境中，在經(jīng)歷一定的循環(huán)應力作用或者遭受到一些難以預期的外力作用后，外部護套會發(fā)生破損現(xiàn)象。之后，由于纜索外部防護結(jié)構(gòu)受損，外界雨水、濕空氣和有害物質(zhì)等進入纜索內(nèi)部通道，纜索內(nèi)部濕度升高，鋼絲發(fā)生銹蝕現(xiàn)象。最后，長期處于潮濕環(huán)境的鋼絲性能退化速率加大、腐蝕加速，同時，水汽大概率在纜索錨固位置匯聚，導致纜索錨固區(qū)域銹蝕，錨固區(qū)域的錨固能力和力學性能發(fā)生折減，從而威脅整個纜索系統(tǒng)安全。

表2 鋼材強度折減取值表

高韌阻燃密封技術(shù)能夠有效解決各類不利條件造成的纜索防護結(jié)構(gòu)早期開裂、老化破壞、帶火燃燒和錨頭防水等問題。

纜索系統(tǒng)火損失效機理

在火災中，橋梁纜索防護結(jié)構(gòu)的損傷過程可以分為三個階段。首先，在火災的作用下，纜索周邊溫度上升，通過對流、輻射等作用加熱纜索外部防護結(jié)構(gòu)，從而導致溫度提升，使外部防護結(jié)構(gòu)開始融化、燃燒，在外界環(huán)境對流風、護套帶火熔滴等因素的影響下，保護結(jié)構(gòu)的燃燒將極易發(fā)生擴散現(xiàn)象，不僅會導致火焰在一根纜索上的持續(xù)擴散，還可能會影響到周邊纜索。之后，燃燒造成鋼絲裸露并直接暴露在外界高溫環(huán)境中，在高溫度場作用下鋼絲溫度快速上升，達到一定溫度后，鋼絲力學性能降低，鋼絲發(fā)生不可逆的損傷。最后，隨著溫度的持續(xù)上升，強度的持續(xù)下降，鋼絲將在兩端拉力作用下發(fā)生破斷。

對于纜索錨固系統(tǒng)，由于纜索錨固區(qū)多采用鋼構(gòu)件，在火災過程中的高溫作用下易產(chǎn)生區(qū)域升溫快、構(gòu)件力學性能迅速下降等問題，若不施加額外防護措施，火災中錨固區(qū)各部分容易出現(xiàn)損傷破壞。另外，錨固區(qū)一般會有油脂，在高溫作用下，容易引起油脂融化、索體錨固滑移從而導致錨固失效的問題。

國內(nèi)外已就鋼絲強度隨溫度變化的規(guī)律開展研究，歐洲規(guī)范《Eurocode3-EN1992-1-2》認為，高溫下鋼絲力學性能變化規(guī)律可用強度折減系數(shù)表述，如表2所示，將400攝氏度溫度場作為鋼絲損傷判別標準，當溫度超過400攝氏度時，規(guī)范中強度折減系數(shù)開始小于1，鋼絲發(fā)生損傷。

美國規(guī)范《PTI DC45.1-12，Recommendations for Stay Cable Design，Testing，and Installation》中則規(guī)定，1100攝氏度環(huán)境下，若纜索內(nèi)鋼絲溫度不超過300攝氏度可持續(xù)90分鐘。該規(guī)范認為溫度場不超過300攝氏度時，鋼絲不會發(fā)生損傷。

纜索防火防腐分級保護體系技術(shù)標準和不同火場纜索結(jié)構(gòu)有效保護的設(shè)計方案，解決了纜索防火設(shè)計沒有技術(shù)標準和有效技術(shù)方案的問題。

我國現(xiàn)行技術(shù)標準對纜索防火沒有具體要求，設(shè)計技術(shù)標準采用的纜索防護材料為非阻燃材料，這類材料絕大部分在300攝氏度以下溫度場即燃燒起火，明火迅速超過300攝氏度并對纜索鋼絲造成傷害。

橋梁纜索抗火密封綜合防護

纜索抗火防護圍繞耐火隔熱這一技術(shù)路線展開，主要研究如何采用可靠的技術(shù)措施，應對隨時隨地可能發(fā)生的火災，并確保在實施有效救援之前保證索體結(jié)構(gòu)完好安全。另外，為了確?？够鸱雷o能夠耐久使用和起到最佳防護效果，需要將抗火和密封防腐作為整體一并考慮。因此，為了確保纜索防護系統(tǒng)長期有效性，需采用既能耐火隔熱、又能密封防腐的綜合防護方案，即需要研究一種既耐火、隔熱、阻燃，又能保證長期密封效果的綜合防護技術(shù)。

傳統(tǒng)防火防護技術(shù)方案一般采用防護材料和消防手段，而采用的防火材料大多數(shù)不具備長時間耐火或隔熱功能，消防和救援手段則難以及時覆蓋每一個角落，對于開放式的纜索防火更是難以實現(xiàn)有效防護。近年來，國內(nèi)一些研究單位開展橋梁防火技術(shù)研究，大多選擇防火涂料、硅酸鋁、陶瓷纖維等作為防火層材料。盡管硅酸鋁、陶瓷纖維等防火層絕熱能和熱穩(wěn)定性好，但由于其施工機械拉伸性能差，既不耐磨又不耐碰撞，不能抵抗纜索長期存在的力學變形和腐蝕環(huán)境的侵蝕，相關(guān)試驗未能滿足預期效果，因此，國內(nèi)尚未見橋梁纜索抗火防護的成功實施案例。在國外，一些公司開發(fā)了集防火和抗爆于一體的拉索防護盔甲，該防護盔甲能夠防火、防爆、防彈及其他外力破壞，國內(nèi)一些單位也參照此法開展研究，但其使用效果和經(jīng)濟性難以得到認可。