緬甸某懸索橋主纜開纜檢測(cè)及承載力評(píng)估

陳小雨 ，唐茂林

（1. 西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 四川 成都 611756；2. 成都紡織高等專科學(xué)校智能建造與環(huán)境工程學(xué)院， 四川成都 611731；3. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031）

懸索橋主纜的檢測(cè)與維護(hù)在美國(guó)、歐洲和日本已經(jīng)開展起來(lái)[1]. 美國(guó)對(duì)布魯克林橋、華盛頓橋、威廉斯堡橋、曼哈頓橋等多座服役30 a 以上的懸索橋主纜進(jìn)行了主纜的開纜檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)纜內(nèi)的鋼絲腐蝕嚴(yán)重，對(duì)橋梁的服役造成巨大的安全隱患，并于2004 年整理了NCHRP-534 報(bào)告[2]；英國(guó)依據(jù)534 報(bào)告的經(jīng)驗(yàn)對(duì)福斯橋[3]、塞文橋[4]、亨伯特橋[5]等進(jìn)行了主纜檢測(cè)，這些橋梁的主纜中均出現(xiàn)了同樣的腐蝕問(wèn)題；日本對(duì)本州四國(guó)聯(lián)絡(luò)線上在役的懸索橋纜索系統(tǒng)進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)部分主纜僅僅服役幾年就出現(xiàn)了腐蝕[6].

我國(guó)第一批現(xiàn)代懸索橋修建于20 世紀(jì)90 年代，距今已紛紛達(dá)到了30 a 的服役時(shí)間，文獻(xiàn)[7]對(duì)某懸索橋中的鋼絲進(jìn)行了腐蝕檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)我國(guó)的懸索橋也無(wú)法避免腐蝕問(wèn)題. 文獻(xiàn)[8-10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了服役環(huán)境下鋼絲的腐蝕速率計(jì)算，并提出區(qū)域化腐蝕計(jì)算方法，但均未對(duì)主纜內(nèi)的鋼絲進(jìn)行詳細(xì)試驗(yàn)分析和主纜強(qiáng)度評(píng)估. 我國(guó)正面臨著大跨橋梁纜索體系的逐漸腐蝕退化而又缺乏檢測(cè)評(píng)估經(jīng)驗(yàn)的嚴(yán)峻問(wèn)題. 通過(guò)對(duì)服役20 a 的懸索橋主纜進(jìn)行主纜開纜檢測(cè)、獲得纜內(nèi)腐蝕環(huán)境分布、分析主纜鋼絲腐蝕特征以及沿徑向腐蝕規(guī)律、評(píng)估主纜剩余承載力，為我國(guó)的主纜腐蝕的研究工作提供最直接的參考數(shù)據(jù)，積累主纜檢測(cè)經(jīng)驗(yàn).

1 開纜檢測(cè)

1.1 橋梁概況

該橋1995 年建成通車，主纜由37 根股索組成，主纜采用直徑為5.20 mm、標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 600 MPa 的高強(qiáng)度鋼絲，主纜的防護(hù)結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的膩?zhàn)?+ 纏絲的方式，環(huán)氧富鋅底漆 + 聚氨酯膩?zhàn)?+ 纏絲 + 聚氨酯膩?zhàn)?+ 聚氨酯面漆的防護(hù)涂層結(jié)構(gòu)，纏絲采用直徑4.00 mm 的高強(qiáng)度鋼絲，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度550 MPa，并于后期養(yǎng)護(hù)中增加了密閉劑，柔性面漆等二次涂裝.

橋位處臨海，屬亞熱帶海洋性氣候，受日照時(shí)間較長(zhǎng)，年平均氣溫25 ℃ ，屬夏長(zhǎng)無(wú)冬地區(qū)，年降雨量1 820.6 mm，空氣濕度大，氯離子含量高，雨水PH 值較低，橋位附加有大型工廠，排放的廢氣中含有NO、SO2等腐蝕性氣體. 橋梁運(yùn)營(yíng)近25 a 后，在2019 年12 月對(duì)該橋上、下游主纜跨中截面的腐蝕情況進(jìn)行開纜檢測(cè)，查看主纜內(nèi)部腐蝕狀況，評(píng)估其剩余承載力. 主纜開纜過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1 所示.

圖1 主纜檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig. 1 Photos of main cable inspection

首先剝?nèi)ブ骼|外防護(hù)層，切斷主纜纏絲，剝?nèi)シ雷o(hù)膩?zhàn)勇冻鲋骼|鋼絲，然后用木楔子沿著圓周每隔45° 角楔入一道檢測(cè)口，打開主纜后可見主纜跨中節(jié)段外層涂裝防護(hù)良好，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的破損開裂，纜內(nèi)沒(méi)有液體滲出；去除最外層涂裝后纏絲總體狀態(tài)良好，纏絲局部發(fā)生鍍鋅銹蝕，沒(méi)有出現(xiàn)斷絲，且能看到金屬光澤；切開纏絲后能夠看見主纜最外層鋼絲均發(fā)生了明顯的嚴(yán)重腐蝕，附著褐色腐蝕產(chǎn)物，且鋼絲表面出現(xiàn)密集的腐蝕坑，膩?zhàn)由细街F銹；楔開主纜后主纜內(nèi)層鋼絲狀態(tài)良好，可見金屬光澤，未發(fā)生腐蝕；開纜位置處未發(fā)現(xiàn)斷絲，且沒(méi)有發(fā)生鋼絲開裂的情況.

1.2 鋼絲腐蝕分布

根據(jù)纜內(nèi)鋼絲的腐蝕情況，并參考534 報(bào)告對(duì)鋼絲腐蝕階段的相關(guān)規(guī)定[2]，通過(guò)視覺觀察可以將鋼絲腐蝕分為4 個(gè)階段：鋼絲上出現(xiàn)氧化鋅斑點(diǎn)（階段1）；整個(gè)鋼絲上都是白色氧化鋅（階段2）；覆蓋鋼絲 30%的長(zhǎng)度為 76.2 mm 到 152.4 mm 的棕色銹跡（階段3）；覆蓋鋼絲大于 30%的長(zhǎng)度為 76.2 mm到 152.4 mm 的棕色銹跡（階段4）. 4 個(gè)腐蝕階段鋼絲外觀對(duì)比如圖2 所示.

圖2 4 個(gè)腐蝕階段鋼絲外觀對(duì)比Fig. 2 Comparison of steel wire appearances in four corrosion stages

4 級(jí)腐蝕的劃分為定性劃分，為了彌補(bǔ)定性分級(jí)的不足，作者在文獻(xiàn)[9]中對(duì)鍍鋅高強(qiáng)鋼絲全壽命腐蝕各階段的腐蝕外觀進(jìn)行了精細(xì)測(cè)量，并進(jìn)行各等級(jí)鋼絲強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)，得到更詳細(xì)的腐蝕質(zhì)量損失、直徑變化等，定量分級(jí)其對(duì)應(yīng)的剩余承載力. 但在現(xiàn)場(chǎng)由于楔口操作空間較小，僅能采用內(nèi)窺鏡深入主纜內(nèi)部，拍攝各層鋼絲的腐蝕外觀照片，無(wú)法進(jìn)行腐蝕定量的測(cè)量，因此在提取鋼絲腐蝕樣本時(shí)依然主要為定性地判斷. 將主纜內(nèi)鋼絲腐蝕的分布按上述4 級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3 所示.

圖3 上、下游主纜跨中截面鋼絲腐蝕分布Fig. 3 Corrosion distribution of steel wire at midspan of upstream and downstream main cable

上、下游跨中截面主纜鋼絲腐蝕分布有如下特點(diǎn)：1） 環(huán)繞主纜最外層的一周鋼絲均發(fā)生了階段4的嚴(yán)重腐蝕. 2） 頂部區(qū)域腐蝕較其他區(qū)域嚴(yán)重，頂部階段4 腐蝕的分布有大概9～10 層；兩側(cè)位置腐蝕稍輕，階段4 腐蝕的分布大概3～4 層；底部位置腐蝕最輕，階段4 腐蝕鋼絲分布大概1～2 層. 一方面說(shuō)明主纜中的水分并沒(méi)有滲透主纜在底部聚集，因此底部并沒(méi)有出現(xiàn)突出的腐蝕狀況，外界進(jìn)入的水汽大部分匯于主纜頂部使得頂部區(qū)域10 層以內(nèi)鋼絲腐蝕嚴(yán)重；另一方面說(shuō)明頂部區(qū)域由于受到陽(yáng)光直射，導(dǎo)致溫度高于其他區(qū)域，腐蝕速率也明顯大于其他區(qū)域. 3） 下游截面腐蝕情況略嚴(yán)重于上游截面，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是由于下游區(qū)域受到海風(fēng)的影響較上游更嚴(yán)重一些，海風(fēng)中的氯離子和水分等滲入主纜的情況較上游更多.

2 樣本鋼絲的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)

2.1 局部腐蝕檢測(cè)

采用高倍電子顯微鏡對(duì)4 個(gè)腐蝕階段的樣本鋼絲基體腐蝕斑進(jìn)行觀察，如圖4 所示.

圖4 各腐蝕階段樣本鋼絲腐蝕斑發(fā)展Fig. 4 Development of corrosion spots of sample steel wire in each corrosion stage

由圖4 可知：隨著腐蝕程度的加深，腐蝕斑直徑不斷擴(kuò)大，周圍的鋼絲也由淺白色鍍鋅銹蝕發(fā)展成褐色基體銹蝕，腐蝕斑深度方向增大，減小鋼絲局部直徑. 在高倍顯微鏡下對(duì)腐蝕斑進(jìn)行尺寸測(cè)量，對(duì)于圓形或橢圓形腐蝕斑，測(cè)量其最大直徑的長(zhǎng)度，邊界模糊的腐蝕斑，測(cè)量其中心嚴(yán)重腐蝕點(diǎn)的直徑尺寸.每根樣本鋼絲測(cè)量5 個(gè)腐蝕斑尺寸，取其均值作為該樣本鋼絲腐蝕斑尺寸的值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5 所示.

圖5 中橫坐標(biāo)1～10 為階段 1 腐蝕的10 根樣本鋼絲的腐蝕斑尺寸，后面依次類推. 由圖可見：隨著腐蝕等級(jí)的增加，腐蝕斑在長(zhǎng)度方向出現(xiàn)了明顯的增大趨勢(shì)，與腐蝕外觀的總體趨勢(shì)一致，腐蝕斑在未來(lái)會(huì)漸漸連成一片，導(dǎo)致主纜全面腐蝕. 可見鋼絲的腐蝕發(fā)展為鍍鋅層腐蝕，發(fā)展到基體局部點(diǎn)腐蝕擴(kuò)大至整體腐蝕的過(guò)程.

圖5 腐蝕斑長(zhǎng)度變化散點(diǎn)圖Fig. 5 Scatter diagram of corrosion spot length changing with corrosion level

為了研究腐蝕對(duì)鋼絲直徑減小的影響，觀察階段4 腐蝕的樣本銹層的微觀形貌及測(cè)量銹層厚度，采用3D 共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行觀察其橫截面的微觀形貌，如圖6 所示.

圖6 鋼絲橫截面銹層3D 共聚焦顯微鏡圖Fig. 6 3D confocal micrograph of rust layer on steel wire cross-section

圖6（a）為4N11 號(hào)樣品的橫截面微觀形貌，鍍鋅層耗損完畢，銹層已經(jīng)全部覆蓋基體，樣品銹蝕層平均厚度大約是100 μm，部分腐蝕坑區(qū)域腐蝕厚度達(dá)到200 μm. 同方法測(cè)量了4 級(jí)腐蝕的3 個(gè)樣本鋼絲，由于基體銹蝕層較易剝落，測(cè)量值有波動(dòng)，基體銹蝕厚度約為50～150 μm. 從SEM 微觀形貌可以看出試樣銹層比較厚，同時(shí)存在大量的裂紋，有些裂紋甚至貫穿了銹層，這可能導(dǎo)致銹層的脫落，使得基底失去保護(hù)，與外界直接接觸.

2.2 腐蝕相關(guān)液體成分檢測(cè)

在開纜過(guò)程中主纜內(nèi)并沒(méi)有水分富集，僅收集到一兩滴水滴，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到水滴的pH 值為5.00，由于現(xiàn)場(chǎng)水滴太少無(wú)法進(jìn)行其他檢測(cè)，為分析主纜內(nèi)的環(huán)境，分別檢測(cè)了現(xiàn)場(chǎng)收集的雨水以及樣本鋼絲浸泡液（將階段3 腐蝕的10 根樣本鋼絲用200 ml超純水浸泡1 h，取液體直接測(cè)試），測(cè)量結(jié)果見表1.

表1 液體成分測(cè)量結(jié)果表Tab. 1 Results of liquid composition measurements

由液體成分分析可以看出：1） 雨水外界環(huán)境中含有氯離子，到主纜內(nèi)后氯離子濃度有所富集；2） 外環(huán)境和浸泡溶液的pH 值均為弱堿性，外環(huán)境中的pH 值受到當(dāng)?shù)毓I(yè)及海洋環(huán)境的影響，主纜內(nèi)的pH 值為弱堿性，一方面也受到外環(huán)境及海洋氣候的影響，但主纜內(nèi)的水滴pH 值為酸性，表明鋼絲表面在 C l-的參與下發(fā)生的微電池反應(yīng).

2.3 鋼絲強(qiáng)度檢測(cè)

為了對(duì)主纜強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，對(duì)主纜內(nèi)各腐蝕階段的樣本鋼絲進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)量. 從該主纜中取出的每個(gè)腐蝕階段10 個(gè)樣本鋼絲進(jìn)行強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，鋼絲公稱直徑5.2 mm，公稱面積21.23 mm2，標(biāo)距長(zhǎng)度50 mm，樣本鋼絲長(zhǎng)度為30 cm，采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（Z050）對(duì)其進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2. 由表可知：階段1～3 腐蝕鋼絲強(qiáng)度性能變化較小，階段4鋼絲極限強(qiáng)度降低約3.50%，延伸率降低約9.00%，由于腐蝕導(dǎo)致了鋼絲變脆；此處的延伸率測(cè)量方法為拉伸前在鋼絲上標(biāo)記長(zhǎng)度為50 mm 的兩個(gè)點(diǎn)，拉伸后測(cè)量?jī)蓚€(gè)標(biāo)記點(diǎn)的距離，其變化率即為延伸率.

各階段樣本鋼絲在張拉破斷后斷面的收縮率見表3.

表3 斷面收縮率Tab. 3 Percentage reduction of cross-section area after fracture

4 個(gè)腐蝕階段鋼絲的應(yīng)力-伸長(zhǎng)率如圖7 所示.圖中：強(qiáng)度值為實(shí)際強(qiáng)度值，各樣本鋼絲的橫截面積為帶腐蝕產(chǎn)物的面積，因此其值小于表2 中的強(qiáng)度值，在計(jì)算時(shí)統(tǒng)一取為鋼絲未腐蝕時(shí)的公稱面積（表2 中的強(qiáng)度值）.

圖7 各腐蝕階段樣本鋼絲應(yīng)力-伸長(zhǎng)率曲線Fig. 7 Stress-strain curves of sample steel wires in various corrosion stages

表2 樣本鋼絲拉伸性能測(cè)量結(jié)果表Tab. 2 Test results of tensile properties of sample steel wires

階段2 和階段4 鋼絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中有部分鋼絲出現(xiàn)了打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致該級(jí)鋼絲的應(yīng)力-應(yīng)變（圖中伸長(zhǎng)率）坐標(biāo)（橫坐標(biāo)）增大，但是對(duì)數(shù)據(jù)的值無(wú)影響，在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)剔除了該階段中打滑鋼絲的數(shù)據(jù).

由拉伸數(shù)據(jù)、應(yīng)力-伸長(zhǎng)率圖以及斷面收縮率可以看出：1） 腐蝕階段1、2、3 樣本鋼絲均出現(xiàn)較為明顯的屈服平臺(tái)，屈服平臺(tái)的伸長(zhǎng)率（橫坐標(biāo)）約為5%～20%，單根鋼絲屈服平臺(tái)長(zhǎng)度約為7%～8%，而階段4 腐蝕樣本鋼絲（剔除打滑的鋼絲）的屈服平臺(tái)伸長(zhǎng)率僅為5%～15%，單根鋼絲的屈服平臺(tái)長(zhǎng)度約為4%，這是腐蝕導(dǎo)致的鋼絲出現(xiàn)了脆性斷裂的特征，這與隨著腐蝕程度加深樣本鋼絲延伸率降低的特征相吻合；2） 隨著腐蝕級(jí)別增加，鋼絲的抗拉強(qiáng)度降低，鋼絲的延性降低，斷面收縮率降低，鋼絲變脆.

3 主纜強(qiáng)度評(píng)估

在對(duì)該橋的開纜檢測(cè)中，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鋼絲開裂或者斷裂的情況，采用534 報(bào)告中的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行評(píng)估[2]. 首先根據(jù)鋼絲的腐蝕等級(jí)將其分組：腐蝕階段1、2 鋼絲基體均未發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，可歸為第1 組；腐蝕階段3 的鋼絲分為第2 組；腐蝕階段4 的鋼絲分為第3 組；開裂的鋼絲單獨(dú)分為第4 組.

對(duì)上、下游主纜跨中截面的各組鋼絲數(shù)量分布和極限強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表4 所示. 表中：Nk為評(píng)估工作段內(nèi)第k（k=1，2，3，4）組鋼絲的數(shù)目； μsk為第k組鋼絲的樣本抗拉強(qiáng)度均值； σsk為第k組鋼絲的樣本抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差；Puk為第k組鋼絲所代表的主纜內(nèi)未破損以及未開裂鋼絲的比例.

表4 上游跨中截面數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab. 4 Statistics of parameters of upstream midspan section

依據(jù)文獻(xiàn)[2]計(jì)算主纜強(qiáng)度為

式中： μs為除去開裂鋼絲外組合鋼絲的樣本抗拉強(qiáng)度均值； σs為除去開裂鋼絲外組合鋼絲的樣本抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差.

則上游主纜承載力為

式中：aw為實(shí)驗(yàn)室分析中每根鋼絲的公稱截面積；Neあ為評(píng)估工作段內(nèi)未破損鋼絲的有效數(shù)目；K為減少因子，取值見文獻(xiàn)[2]，本文取0.93.

即上游主纜單根鋼絲極限強(qiáng)度均值為1 624.62 MPa.

同理得下游截面主纜承載力計(jì)算結(jié)果為

原始主纜的所有鋼絲強(qiáng)度均值為1 723.00 Mpa，則原始主纜承載力約為

由計(jì)算得知主纜的平均抗拉強(qiáng)度降低了5.7%，主纜鋼絲的原始檢測(cè)數(shù)據(jù)單根鋼絲的極限強(qiáng)度均值為1 723.00 MPa，則由本次開纜檢測(cè)的計(jì)算結(jié)果可以看出：上、下游主纜單根鋼絲極限強(qiáng)度均值均為1 623.88 MPa，依然大于1 600.00 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求.

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)緬甸某在役懸索橋主纜進(jìn)行開纜檢測(cè)，介紹了主纜開纜檢測(cè)及承載力評(píng)估的詳細(xì)步驟和方法，對(duì)主纜現(xiàn)場(chǎng)的開纜檢測(cè)和鋼絲腐蝕的實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到下述結(jié)論：

1） 主纜最外層鋼絲均發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，其中頂部鋼絲受到高溫和高濕度的影響發(fā)生了9～10 層鋼絲的嚴(yán)重腐蝕，兩側(cè)和底部鋼絲腐蝕較頂部輕約為3～4 層鋼絲腐蝕.

2） 主纜沿著徑向由外向內(nèi)腐蝕程度減輕，內(nèi)層鋼絲僅出現(xiàn)白色鍍鋅腐蝕，鋼絲基體狀況良好.

3） 對(duì)鋼絲局部腐蝕形貌和內(nèi)部腐蝕環(huán)境的檢測(cè)分析以及鋼絲抗拉強(qiáng)度的測(cè)量，得到鋼絲腐蝕發(fā)展由鍍鋅層腐蝕發(fā)展至基體局部腐蝕到最后基體全面腐蝕的發(fā)展過(guò)程，并隨著腐蝕加劇，鋼絲強(qiáng)度和延性都降低.

4） 主纜未出現(xiàn)斷絲和開裂，依據(jù)534 報(bào)告中簡(jiǎn)化模型給出了該橋主纜承載力降低約5.7%，仍然符合設(shè)計(jì)要求.

5） 文中檢測(cè)和評(píng)估并未考慮主纜中鋼絲的分布對(duì)主纜強(qiáng)度的影響，也未考慮沿主纜縱向不同位置的腐蝕是否會(huì)對(duì)主纜強(qiáng)度造成不同的影響，這些都是日后需要繼續(xù)進(jìn)行探索研究的方向.