懸索橋新型柔性纏包帶主纜防護系統的開發及應用

李成林， 方海*， 崔劍峰， 劉榕， 唐小萍

(1.南京工業大學 土木工程學院， 江蘇 南京 210009； 2.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司； 3.柳州市勁新科技有限公司)

1 引言

在各種橋梁結構形式當中跨越能力最強的當屬懸索橋，可達千米級別，其主要由主塔、主纜、錨碇、吊索、鞍座、橋面承載梁及附屬結構構成。其中主纜將懸索橋各主要構件連接成了一個完整的系統，并且在懸索橋的傳力體系中起到了非常關鍵的作用。雖然懸索橋的設計使用年限為100年，但由于主纜所采用的主要材料鋼材在其所處的惡劣的環境因素的影響下極易腐蝕，導致主纜往往不足20年就出現嚴重銹蝕情況，說明傳統的主纜保護系統不能完全防止腐蝕，僅僅減緩了腐蝕的速率。

國內外各研究人員百余年來對懸索橋主纜的防護做了大量的研究。19世紀40年代，John.A.Reobling提出了主纜膩子涂層鋼絲纏繞防護系統，這一創造性的主纜防護方法在大量懸索橋主纜防護中得到應用。20世紀70年代美國研究人員提出了合成護套防護法，即玻璃纖維樹脂涂料和橡膠護套涂料防護系統。由于材料工藝問題，這一系統并沒有徹底解決表層防護結構的腐蝕、老化問題。20世紀末，日本研究機構開發出了主纜除濕系統，并在明石海峽大橋主纜防護中得以應用。該系統通過給主纜內部吹入相對干燥的空氣以破壞主纜鋼絲腐蝕所需要的條件來達到主纜防腐的目的。主纜除濕系統的關鍵是要保證防護系統表面的密閉，既要阻止水氣的進入又要防止干燥空氣的大量泄漏。由此可見主纜防護系統的關鍵在于提高表層防護結構的防腐性以及耐老化性。

該文首先介紹國內外常用的主纜防護措施，基于傳統主纜防護體系存在的問題，根據湖南楓溪大橋纜索結構的特點及國內外現有防護體系，研制主纜防護用新型纖維增強復合材料纏包帶。通過多次材料配方試驗和結構優化，探明其力學性能、防腐性能與關鍵設計參數，并根據新型纏包帶的特點，對纖維增強氯磺化聚乙烯纏包帶施工工藝進行研究。

2 傳統懸索橋主纜防腐保護方法

2.1 纏繞鋼絲防護體系

為了解決圓鋼絲纏繞的縫隙問題，日本將圓形鋼絲的貼合結構改造成類似螺紋的結構，在主纜表面形成金屬套筒，纏繞后使主纜表面絲絲扣，更為光滑，水分不易滲入，并且增大了空氣溢出的阻力，減少了內部空氣的泄露。

2.2 膩子涂裝防護體系

在纏繞鋼絲外防護系統方面，目前中國常用傳統的主纜膩子纏絲涂裝防護體系(圓鋼絲纏繞涂層法)，見圖1，主要通過涂料涂裝層將主纜鋼絲與外部環境進行隔絕，以阻止水分、鹽和其他腐蝕性物質進入主纜內部來達到主纜防腐的目的。

圖1 主纜膩子纏絲涂裝防護結構示意圖

主纜膩子涂裝防護體系存在的問題：

(1) 由于主纜防護系統施工周期較長，大型懸索橋主纜從架設到防護系統完工大約需要1年時間，在此期間，主纜內部集聚了大量雨水，造成主纜腐蝕。

(2) 傳統的防護膩子、嵌縫材料用于填嵌纏繞鋼絲之間的縫隙，但由于外層油漆的老化、開裂使防護膩子大量暴露在空氣表面，并且由于水分的滲入，防護膩子產生物理、化學反應，使其失去防護作用。

3 纖維增強柔性纏包帶的開發

3.1 材質

氯磺化聚乙烯橡膠(CSM)是由高密度聚乙烯經氯化、氯硫化后制成的一種合成橡膠。氯硫化聚乙烯橡膠硫含量為1%～2%，氯含量為25%～45%。CSM具有較好的耐候性，耐熱性，耐紫外線性能，抗氧化、腐蝕、風蝕、油等。該防護系統采用高韌性及高強度的纖維增強氯硫化聚乙烯橡膠纏包于主纜表面形成高分子套筒，阻止水分的進入，同時增加空氣阻力，減少內部空氣的泄露，有效保護主纜。新型纏包帶系統復合防護體系如圖2所示。

圖2 新型纏包帶系統復合防護體系示意圖

3.2 纏包帶力學性能

將新型纖維增強氯磺化聚乙烯橡膠纏包帶及氯磺化聚乙烯橡膠膠片進行力學性能試驗，測量其拉伸強度、伸長率、撕裂強度等性能。在厚度基本相同的情況下，測試結果見表1，拉伸強度方面，前者比后者提高42.2%；拉斷伸長率前者比后者降低將近8倍，能對主纜變形起到更好的約束作用；徑向撕裂強度前者比后者提高119.9%。經過多次配方改良之后，新型纖維增強橡膠纏包帶多項力學性能均優于氯磺化聚乙烯橡膠膠片，較純橡膠纏包帶更有優勢，且均能滿足工程實際要求。

表1 纖維增強氯磺化聚乙烯纏包帶和氯磺化聚乙烯膠片力學性能對比

3.3 纏包帶耐腐蝕性能

在含有金屬氧化物的情況下，氯磺化聚乙烯橡膠分子鏈上的亞磺酰氯基裂解，通過游離基與酸堿發生化學反應，從而對氯磺化聚乙烯腐蝕。纖維增強氯磺化聚乙烯纏包帶耐3%NaOH腐蝕和耐5%H2SO4腐蝕性能如圖3所示。纏包帶在3%NaOH溶液中浸泡腐蝕后進行拉伸試驗，伸長率和拉應力呈線性增長，達6.13 MPa，相較于圖4(a)常溫拉伸試驗結果最大拉應力(4.78 MPa)增長了28.24%，可見材料在3%NaOH溶液中浸泡后拉伸性能大幅度增長，構件耐堿性能較好。纏包帶在5%H2SO4浸泡腐蝕后進行拉伸試驗，試件偏差較大，偏差最大的兩組試件之間，拉伸強度相差47.5%，伸長率相差41.9%，耐酸性能較好，但不穩定。

3.4 纏包帶耐熱老化性能

懸索橋長期暴露在日照環境下，測試其耐高溫老化性能(圖4)，熱空氣老化168 h后除試件1外，其余4組試件拉伸強度降低3.7%～3.9%，伸長率降低21.2%～22.6%，拉伸強度和伸長率保持率較高，老化后拉伸性能下降緩慢，說明在此溫度下氯磺化聚乙烯性能穩定，不會脫氯，分子鍵穩定，耐高溫老化性能良好。

3.5 纏包帶耐人工氣候老化性能

根據相應標準對纖維增強氯磺化聚乙烯纏包帶進行人工氣候老化試驗，試驗包括模擬高溫高濕、降水、干燥及高強度輻射等情況，總試驗時長250 h后，材料的拉伸強度保持率、拉斷伸長率保持率、表面情況和灰卡評級等性能見表2。

圖3 纏包帶抗酸堿腐蝕性能

圖4 纏包帶耐高溫老化性能

表2 纖維增強氯磺化聚乙烯纏包帶人工氣候老化試驗結果

從試驗結果看，除拉斷伸長率保持率外材料的耐人工氣候老化性能較好，人工氣候老化后材料拉斷伸長率為31.8%，拉斷伸長率保持率為43.9%。由于受溫度、震動等因素影響主纜多為軸向伸縮變形，橫截面變形較小，因此材料拉斷伸長率這一數據能滿足工程實際需要。

4 新型纖維增強柔性纏包帶施工工藝

4.1 工程背景

依托工程為湖南省楓溪大橋，楓溪大橋為自錨式懸索橋，跨度300 m，單根主纜長度546.5 m，其中需要防護的主纜長度474 m，主纜直徑320 mm(緊纜后,索夾間的主纜直徑φ312.5 mm，纏S形鋼絲后，主纜索夾間的直徑φ321.2 mm)，全橋共計2根主纜。

4.2 施工設備

施工工藝通過纏包機將纖維增強氯磺化聚乙烯纏包帶直接纏繞于主纜纏繞鋼絲表面，后采用加熱裝置熱熔固化的方式形成完整的主纜護套結構。主纜纏包帶纏繞過程中前后兩層搭接寬度需達纏包帶寬度一半以上，最終形成厚度均勻的兩層纏包物。每一層之間的縫隙通過密封帶密封，防止滲水。通過控制電控箱，根據溫度感應器，使用加熱毯對纏包帶進行現場加熱。該施工方式簡便，可大幅節約原有現場油漆涂裝的時間，且特種氯磺化聚乙烯橡膠材料天然具有耐老化等優良特性，即使出現破損現象維修更換也十分方便。

4.3 纏繞

(1) 圓柱螺旋線

假定一個動點沿直徑為2R的圓柱體周圍螺旋上升，動點旋轉一周沿軸向上升的距離即為導程，用S表示。根據螺旋線旋轉方向的不同，螺旋線又可分為右螺旋線和左螺旋線。當螺旋線沿圓柱體螺旋上升的軌跡符合右手螺旋定則(右手四指指向與螺旋線走向相同，拇指指向動點上升方向)時即為右螺旋線，如圖5(a)所示；同理當螺旋線沿圓柱體螺旋上升的軌跡符合左手螺旋定則時，即為左螺旋線，如圖5(b)所示。動點繞圓柱體旋轉2π/n角度時，沿軸上升的距離為S/n。螺旋線的旋轉方向稱旋向。

圖5 兩種螺旋線

螺旋線上每一點的切線，對圓柱正截面的傾角都相等，這一角度稱為圓柱螺旋線的升角。它的余角稱為螺旋角。螺旋線展開時為一直線，它是以圓柱正截面圓周長為底邊，導程為高的直角三角形的斜邊，如圖6所示。螺旋線是圓柱面上不在同一素線上的兩點之間的最短距離。

圖6 圓柱螺旋線

(2) 參數方程

圓柱螺旋線參數方程為：

(1)

式中：θ=ωt，ω為角速度；S稱為螺距；β為螺旋角，式中對右螺旋線取正號，對左螺旋線取負號。如果以弧長L為參數，則其方程為：

(2)

(3) 主纜纏包帶計算方法

計算設定條件：① 主纜半徑R，直徑D=2R；② 導程S，也稱為螺距，為纏繞主纜時纏繞帶中心線間距；③ 螺旋角β，也為纏繞帶與主纜的縱向角度。纏繞帶與主纜的橫向角度α為升角，則有α=90-β；④ 圓弧長L，也為纏繞帶纏繞主纜一圈的中心線長度。

纏繞帶計算方法如下：

S=2πRcotβ

(3)

(4)

因為是雙層，所以纏繞帶的實際長度為2L。按以上主纜纏包帶計算方法計算可知，主纜半徑R=160 mm，纏包帶寬度為150 mm，當搭接52%(78 mm)時螺旋角β=85.9°，導程S=72 mm，圓弧長L=1 006.6 mm，兩根主纜所需纏包帶長度為26 507.1 m。

(4) 新型防護系統施工工序

楓溪大橋主纜采用S形纏繞鋼絲和纖維增強復合材料纏繞帶綜合防護。該文所研制的柔性主纜防護系統施工工序為，首先將S形纏繞鋼絲纏繞在主纜鍍鋅鋼絲外表面，然后將150 mm寬的纖維增強復合材料纏包帶使用纏包機現場搭接纏繞在S形主纜纏繞鋼絲表面。纏繞方向的選擇，由低向高順時針或逆時針纏繞，塔接寬度≥52%(≥78 mm)，搭接口有3層搭接，如圖7所示。纏繞后熱熔黏接,熱熔溫度130～135 ℃，熱熔時間4～5 min,充氣氣壓0.035～0.045 MPa，纏包帶表面張力≥343 N。

圖7 主纜纏繞安裝圖

4.4 熱熔黏結

纏繞完成后，要求在24 h內進行熱熔黏接，加熱溫度根據施工時的環境溫度確定，一般為125～135 ℃，加熱毯的一個節段長度所需時間為(5+5) min一個循環，氣壓≥0.035 MPa。熱熔溫度不能大于150 ℃。

4.5 索夾環縫密封裝置安裝

纏包帶每層之間間隙容易開裂、老化，引起水分的進入。因此在纏包帶纏繞完畢后，在兩端需要進行密封帶安裝，以防止水分的進入。

5 結論

介紹了國內外常用的主纜防護措施，分析了其自身存在的問題。根據湖南楓溪大橋纜索結構的特點及國內外現有防護體系，研制了主纜防護用新型纖維增強復合材料纏包帶。通過多次材料配方試驗和結構優化，探明了其力學性能、防腐性能與關鍵設計參數，并根據國產纏包帶的特點，對相應施工工藝進行了研究。所得結論如下：

(1) 試驗研究表明：氯磺化聚乙烯橡膠具有較好的耐候性、耐熱性、耐紫外線性，抗氧化、腐蝕、風蝕性能好，可用作懸索橋主纜鋼絲纏包帶材料，阻止水分的進入，增加空氣阻力，減少內部干燥空氣的泄露，有效地保護主纜。

(2) 經對多次配方改良，對比新型纖維增強氯磺化聚乙烯橡膠纏包帶及氯磺化聚乙烯膠片多項力學性能，前者均優于后者，較純橡膠纏包帶更有優勢，且均能滿足工程實際要求。

(3) 纖維增強氯磺化聚乙烯纏包帶耐堿性能良好，試件偏差較小。耐5% H2SO4后，試件偏差較大，耐酸性能不穩定。纏包帶熱空氣老化168 h后拉伸強度降低3.7%～3.9%，伸長率降低21.2%～22.6%，拉伸強度和伸長率保持率較高，老化后拉伸性能下降緩慢，耐高溫老化性能良好。人工氣候老化后，拉伸強度保持率為105%，拉斷伸長率保持率為43.9%，試件表面無粉化無龜裂，灰卡評級3.79，纏包帶人工氣候老化性能良好。

(4) 該文針對研制的纖維增強氯磺化聚乙烯橡膠纏包帶制定了纏繞、現場搭接等關鍵工序，相較于傳統的主纜膩子涂裝防護系統，該防護系統具有工序簡單、施工周期短、綜合成本較低等優勢。最后對楓溪大橋主纜防護系統的張拉力、搭接寬度、搭接角度以及所需纏包帶長度等工程技術參數進行了計算。