懸索橋型鋼錨固體系錨桿隔離防腐蝕設計*

崔劍峰　賀耀北　胡建華1,　劉　榕　倪　雅

(湖南大學土木工程學院1)　長沙　410082)　(湖南省交通規劃勘察設計院2)　長沙　410008) (江蘇中礦大正表面工程技術有限公司3)　徐州　221000)

懸索橋型鋼錨固體系錨桿隔離防腐蝕設計*

崔劍峰1)賀耀北2)胡建華1,2)劉榕2)倪雅3)

(湖南大學土木工程學院1)長沙410082)(湖南省交通規劃勘察設計院2)長沙410008) (江蘇中礦大正表面工程技術有限公司3)徐州221000)

摘要：概述了錨桿腐蝕環境及腐蝕行為，提出了改善耐久性的必要性;綜述了隔離防腐蝕方案的應用進展及發展趨勢.經多個方案力學試驗，提出3 mm硫化型橡膠密封劑+4 mmPEF發泡材料+塑料薄膜+脫模劑作為錨桿的隔離防腐措施，可大幅度提高錨桿耐久性，并提出了錨桿出口處和錨桿接頭處的隔離防腐措施.

關鍵詞：懸索橋；型鋼錨固系統；錨桿；隔離；防腐蝕

0引言

懸索橋主纜錨固系統分為型鋼錨固系統和預應力錨固系統2種類型[1].國內外早期的懸索橋多采用型鋼錨固系統，如美國華盛頓大橋、金門大橋、新港橋，日本東京港聯絡橋、下津井橋、南北備贊橋，廣東虎門大橋、汕頭海灣大橋等.預應力錨固系統主要由國內發展并推廣使用，經過多座橋的工程實踐，其設計方法和施工工藝日臻成熟，但該系統后期維護工作量大，需定期監測，由于使用歷史較短，其使用性能尚需時間檢驗[2].因此，近期我國多座大跨徑懸索橋均重新采用型鋼錨固系統，如馬鞍山長江公路大橋、南京長江四橋、臨岳高速洞庭湖大橋等.

型鋼錨固系統主要由后背梁和錨桿共同組成.主纜索股與錨桿相對應，整個型鋼框架澆筑在錨塊混凝土內.受施工過程主纜拉力逐步增加的影響，需防止錨體混凝土在錨桿拉力作用下開裂，故在施工過程中需對錨桿采取相應的隔離措施，防止錨桿與錨體混凝土粘結.

工程實踐對型鋼錨固系統的隔離處理措施各不相同，而我國相關規范也未作出明確規定.本文分析了錨桿腐蝕環境，綜述了目前錨桿隔離防腐蝕系統方案，提出錨固系統錨桿隔離防腐的一些要求和措施，供工程應用參考.

1錨桿隔離防腐蝕現狀

美國早期的橋梁均采用眼桿進行錨固，但部分橋梁錨固系統腐蝕情況較嚴重.文獻[3]介紹了紐約4座橋梁的錨固系統加固情況.其中1912年建成的曼哈頓橋置換了錨固系統，檢查發現其眼桿腐蝕斷面達到了44%.

國內的大跨徑懸索橋應用相對較晚，目前未發現有相關型鋼錨固系統病害報道.表1列出了目前我國采用型鋼錨固系統的懸索橋.調查發現，在采用普通的金屬油漆防腐或金屬噴涂以外，各橋均應用了錨桿隔離方案.

由表1可見，早期型鋼錨固系統無粘結處理措施是采用油毛氈、牛皮紙等方案.后期逐漸意識到了隔離及防腐蝕的重要性，開始逐步改進隔離防腐蝕方案，使其具有隔離和防腐蝕的雙重效果，耐久性得到不斷改善.

表1　錨桿隔離防腐蝕方案應用情況表

2錨桿隔離腐蝕環境

錨桿受力要求進行隔離處理.我國《公路懸索橋設計細則》(報批稿，2013年11月)就明確要求“錨桿表面應進行無粘接處理”.但錨桿不只滿足無粘結的隔離措施，還需采取防腐蝕措施，滿足耐久性要求.這是錨桿所處的環境體積決定的.錨桿埋置于錨體混凝土中，其腐蝕環境存在如下特點.

1) 錨桿外包隔離材料與錨桿之間本身存在微小的縫隙；僅考慮其無粘結效果時，有的材料耐久性較差(如油毛氈、PEF發泡材料等)，容易變脆、老化、粉化，使隔離材料層變成了腐蝕介質滲透的通道.也有部分材料本身透水性較強(如PEF發泡材料等)，存在隔離層變成透水層的隱患.

2) 國內已經竣工的幾座懸索橋錨碇, 雖然在施工期也采取了一些溫控措施, 但仍然出現了一些溫度裂縫, 甚至出現了貫穿性的溫度裂縫[6].目前如錨碇這樣的大體積混凝土出現溫度裂縫難以避免[7]，因此貫通至錨桿的裂縫不可避免.

3) 大體積混凝土施工期灑水養護，使大量水分積存在隔離層縫隙內.

4) 受地理條件、結構整體布置等的限制，部分橋梁設計有錨桿的混凝土布置于常水位變動區，甚至位于土中及地表、地下水中的化學腐蝕環境，混凝土裂縫中水位與外界存在水位差，致使錨桿處的氧離子、氯離子等不斷得到充分補給，從而加劇腐蝕速度(為一般環境的5倍).如臨岳高速洞庭湖大橋、南京四橋等橋的錨固系統均位于水位變動區，見圖1～2.

圖1　美國曼哈頓橋錨固系統置換方案

圖2　南京四橋錨碇布置(尺寸單位：cm )

5) 受主纜、錨桿布置及施工誤差影響，一般很難達到使錨桿與主纜布置在一條直線上，故錨桿一般存在偏心.錨桿與混凝土之間不可避免的存在偏心受力接觸，且在活載作用下會不斷摩擦，從而可能使錨桿防腐涂層迅速破壞.與混凝土接觸、摩擦及應力幅也是錨桿不利腐蝕環境的特征.

3隔離防腐蝕措施力學試驗

我國橋梁常用的硫化型橡膠密封膠包括聚硫密封膠和硅烷改性密封膠等，具有粘結能力強、彈性大，強度高，耐老化、耐腐蝕性能優異等特點，廣泛應用于包括懸索橋主纜在內的鋼結構防腐工程.

為研究各隔離防腐蝕系統隔離效果，基于硫化型橡膠密封膠，對幾種隔離防腐蝕方案進行了拉伸試驗[8-10]，并進行了經濟技術比選.主要研究各種隔離防腐蝕方案在拉力載荷下的隔離效果和破壞形態.其試驗裝置及代表性研究結果見圖3～4,表2.

由試驗結果可以看出，采用3 mm以上的硫化型橡膠密封劑隔離及防防腐蝕效果良好，是較可靠的錨桿防護方案.該方案造價相對較高，但為提高橋梁耐久性和使用壽命，適當增加造價是合適的，也是必要的.

圖3　洞庭湖大橋錨碇布置(尺寸單位：cm )

圖4　試驗加載裝置

方案拉伸試驗結果圖例優缺點8mmPEF發泡材料 拉伸載荷下,PEF極易被破壞,使得型鋼油漆涂層完全暴露優點:價格便宜;能達到隔離效果 缺點:防水、抗老化能力差;PEF層可能成為腐蝕介質滲透的通道;沒有防腐能力 1mm硫化型橡膠密封劑+4mmPEF發泡材料 拉伸載荷下,外部的PEF出現破壞,部分基體裸露,說明在劇烈位移形變下PEF會出現嚴重破壞,但PEF下面的密封劑涂層完好,仍有保護效果 優點:價格較低;1mm密封劑具有隔離和防腐雙重效果,耐久性好缺點:1mm的密封劑施工質量較難保證 3mm硫化型橡膠密封劑 拉伸載荷下,密封劑保存完好,說明對內部的防腐涂層有良好的保護作用 優點:具有隔離和防腐雙重效果,耐久性好,施工質量有保障缺點:價格較高3mm氯丁橡膠 拉伸載荷下,3mm的氯丁橡膠破損嚴重,鋼板基體部分裸露,未達到較好的隔離防護效果優點:價格較低;能達到隔離效果 缺點:拉伸過程中容易破損,沒有防腐蝕能力

另，試驗發現受混凝土澆筑壓力的影響，錨桿拉伸過程存在一定的摩擦力.隨著時間的推移，受錨桿活載應力幅、混凝土收縮徐變、隔離防護材料的蠕變等因素影響，可以想象摩擦力會逐漸減小甚至消除.圖5～6分別列出了3 mm硫化型橡膠密封劑和1 mm硫化型橡膠密封劑+4 mmPEF發泡材料2個方案的摩擦應力試驗結果.采用圖中擬合虛線估算某橋24 m長錨桿摩擦力及其影響，見表3.計算表明，錨桿摩擦力達到了總拉力的40%，錨桿前端位移值影響大于20%.

雖然錨桿伸長對全橋的影響較小，但仍然期望降低摩阻力，盡可能保證主纜拉力傳遞至后錨區.筆者認為可以采用3 mm硫化型橡膠密封劑+4 mmPEF+塑料薄膜+脫模劑的方案達到降低摩阻力的效果，具體的摩擦力影響應進行試驗確定.

圖5　3 mm密封劑方案位移-摩擦應力曲線

圖6　1 mm密封劑+4 mmPEF方案位移-摩擦應力曲線

3mm密封劑1mm密封劑+4mmPEF錨桿前端拉力/kN4440摩擦力總和/kN17191880傳至后錨梁的拉力/kN27212560錨桿前端位移/mm7.457.98 不考慮摩擦錨桿前端位移/mm10.09

4錨桿隔離防腐蝕設計

目前關于懸索橋型鋼錨固系統耐久性研究及對策幾乎沒有，但錨桿的耐久性決定了懸索橋使用壽命.為提高型鋼錨固系統錨桿耐久性，本文認為除了錨桿外表面采用常用的油漆或金屬涂層以外，采用3 mm硫化型橡膠密封劑+4 mmPEF+塑料薄膜+脫模劑作為錨桿隔離防腐方案是目前較為合理的方案.外部塑料薄膜+脫模劑可降低錨桿摩阻力；PEF發泡材料強度低，可在初期保護硫化型橡膠密封層；硫化型橡膠密封層彈性大、耐久性好，可隔絕腐蝕介質，也可作為錨桿偏心荷載下的彈性墊層，避免在活載作用下錨桿與混凝土的摩擦行為迅速損壞內部涂層(油漆或金屬噴涂)；內部涂層可作為耐久性保障的最后屏障.

考慮錨桿出口處是腐蝕介質滲入的主要通道之一，有必要按照不同施工階段進行處理.在錨體混凝土澆筑完成后，此時錨桿尚未受力，錨桿伸長尚未完成，前錨室封閉空間未形成，雨水極易沿隔離層滲入，甚至有的橋梁施工期存在前錨面浸泡在積水中的情況.故施工期宜采用低模量、高伸長率的硅酮密封膠或者瀝青橡膠防水材料沿錨桿周邊進行密封，滿足壽命要求低，價格便宜，但與混凝土和鋼粘結性能良好、伸長率大的要求即可.在成橋后，錨桿伸長基本完成后，永久密封措施宜采用耐久性更好的硫化型橡膠密封膠密封，推薦密封膠厚度30～40 mm.

圖7　錨桿接頭處隔離防腐方案示意圖(單位：mm)

大跨徑懸索橋錨桿長度較長，為滿足制作、運輸和安裝要求，錨桿與后背梁之間、錨桿之間一般采用螺栓接長.接頭位置要求沿拉伸方向有一定的位移空間，避免外伸的螺栓和拼接板壓迫混凝土，造成螺栓斷裂等；且該位置間隙較多，對隔離防腐蝕要求更高.圖7示意了錨桿接頭處的一種隔離防護方案.該方案在拼接板表面、拼接板與錨桿之間縫隙、螺栓縫隙等位置采用硫化型橡膠密封膠密封，保證防腐功能；為保證拼接板、螺栓的拉伸位移，采用聚苯乙烯泡沫整體模塑成型，并外扣在螺栓和拼接板上，螺栓及拼接板拉伸方向預留拉伸位移值(圖中δ).聚苯乙烯泡沫抗壓能力可達到300 kPa，滿足錨體混凝土分層澆筑時的壓力.聚苯乙烯泡沫外包3 mm厚鋼板，可防止腐蝕介質滲入.

5結 束 語

由于無粘結隔離層、大體積混凝土裂縫、錨桿前錨面縫隙等是懸索橋型鋼錨固系統錨桿腐蝕介質滲入的主要通道，腐蝕介質能不斷補充，且錨桿與混凝土之間的偏心接觸、摩擦和活載應力幅會損傷隔離防腐層，加劇錨桿腐蝕.應力腐蝕、縫隙腐蝕、點蝕等是錨桿腐蝕的主要特征.從某種程度上說，錨固系統的壽命決定了懸索橋的壽命，最大限度的提高錨固系統耐久性是必要的.

我國規范對懸索橋型鋼錨固系統隔離防腐方案沒有提出具體的要求，關于耐久性研究及對策相關文獻和研究幾乎沒有.實際工程應用的型鋼錨固系統隔離防腐方案在不斷的改進，不但具有隔離效果，且不斷增強其防腐蝕能力，耐久性持續提高.

通過初步試驗，提出3 mm硫化型橡膠密封劑+4 mmPEF+塑料薄膜+脫模劑作為錨桿的隔離防腐措施，可大幅度提高錨固系統耐久性.本文還提出了錨桿出口處和錨桿接頭的隔離防護措施，可作為工程應用參考.

參 考 文 獻

[1]中交公路規劃設計院有限公司.公路懸索橋設計細則：JTG/T D65-05-2016[S].北京：人民交通出版社，2012.

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[3]張國志,經德良,周昌棟,等.宜昌長江大橋錨碇大體積混凝土溫度裂縫控制技術[J].橋梁建設,2002(2):60-63,67.

[4]蘇強,王強,曾誠,等.懸索橋主纜預應力錨固系統設計探討[J].預應力技術,2014(5):19-21,30.

[5]楊德鈞,沈卓身.金屬腐蝕學[M].北京:冶金工業出版社,1999.

[6]曾憲明,陳肇元,王靖濤,等.錨固類結構安全性與耐久性問題探討[J].巖石力學與工程學報,2004,23(13):2235-2242.

[7]MAYRBAURL A, RONALD M. Cable anchorage repairs on New York city suspension bridges[J]. Extending the Lifespan of Structures,1995(1):513-518.

[8]唐賀強,曹洪武,萬田保.重慶寸灘長江大橋主橋設計.橋梁建設[J],2013,43(3):71-76.

[9]郭紅仙,陳奕奇,宋二祥,等.巖土錨固結構腐蝕及其影響因素[J].巖土工程界,2007,10(2):35-41.

[10]胡建華,崔劍峰.湘西矮寨大橋設計創新技術[J].橋梁建設,2011(6):54-61.

Design of Isolated Anticorrosion Measures for Steel Anchor System of Suspension Bridge Main Cable

CUI Jianfeng1)HE Yaobei2)HU Jianhua1,2)LIU Rong2)NI Ya3)

(CollegeofCivilEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China)1)(HunanProvincialCommunicationPlanning,SurveyandDesignInstitute,Changsha410008,China)2)(JiangsuCUMTDazhengsurfaceEngineeringTechnologyCO.,LTD,Xuzhou221000,China)3)

Abstract：In this paper，the corrosion environment and corrosion process of anchor system is summarized, the necessity to improve the durability of anchor system is proposed. Meanwhile, the application and development of anchor anticorrosion measures are outlined. According to several experiment results, an isolated anticorrosion measure for anchor which is composed of 3 mm sulfide rubber sealant+4 mm PEF foaming material+Plastic Film+Release Agent is proposed. Besides, the isolated anticorrosion measure of anchor outlets and joints is also put forward, these anticorrosion measures will greatly improve the durability of anchor system.

Key words：bridge engineering; suspension bridge; steel anchor system; bolt; isolation; anticorrosion

收稿日期：2016-05-12

中圖法分類號：U443.24

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.011

崔劍峰(1975- ):男，博士，主要研究領域為道路與橋梁工程

*交通運輸部建設科技項目(2013 318 798 320)、湖南省交通科技項目(201219)資助