橋梁拉索新型橡膠防水罩密封結構研究與應用

摘要：斜拉索作為斜拉橋的承重構件，堪稱斜拉橋的生命索，其結構耐久性能直接影響斜拉橋的安全性和耐久性。文章通過調研當前現有拉索梁端預埋管的密封結構存在的問題，對當前橋梁拉索用橡膠防水罩密封結構進行優化、材料選型、試驗驗證等多方面的介紹，提出一種橋梁拉索新型橡膠防水罩密封結構，解決斜拉橋拉索梁端錨固區防水密封問題，大幅提高拉索使用壽命。

關鍵詞：斜拉索;防水;密封;耐久

0 引言

斜拉索是斜拉橋的重要受力構件，其可靠性與橋梁安全性息息相關，而影響斜拉索結構可靠耐久性能的因素主要有斜拉索的腐蝕與疲勞。近些年來國內外許多斜拉橋通車后較短時間內拉索就出現了腐蝕，給橋梁安全埋下嚴重的隱患，迫使對斜拉橋提前換索，造成較大經濟損失。從統計情況可以看出：斜拉索的銹蝕是導致斜拉索更換的第一大原因，斜拉索索力超限是導致斜拉索更換的第二大原因[1]。拉索的腐蝕主要是因為梁端預埋管積水導致索體和錨頭腐蝕。調查發現，大部分橋梁梁端預埋管內均存在不同程度的積水現象，幾乎所有的拉索梁端預埋管因密封不嚴均有冷凝水存在。某些橋梁預埋管太短，沒有高于橋面，水直接流入預埋管造成梁端預埋管的積水和形成冷凝水，使預埋管及索體內的潮濕度增加，導致拉索錨頭腐蝕[2]。

1 分析斜拉索下端預埋管的密封結構存在的問題

隨著斜拉橋的應用發展，由于防水罩的單一防水效果不好，為解決此問題，其中一部分的研究提出了在預埋管內灌注密封材料的解決措施，具體表現有：

（1）最初斜拉索的拉索梁端防腐體系是在預埋管管口設置一個防水罩，在預埋管內部灌注防腐油脂，但油脂存在油分離造成環境的污染以及遇水后乳化而失去保護作用。油脂之所以存在油的分離，主要是因為油脂的鋼網分油量的指標太低。

（2）接著提出了在梁端預埋管內部灌注發泡劑的防腐蝕措施，但由于缺少必要的指標約束以及經濟競爭的原因，其效果不是很好，發泡劑不僅具有儲水作用同時給后期的維護造成了困難。[=XQS（]橋梁拉索新型橡膠防水罩密封結構研究與應用/龐賢劍[=JP2] （3）到目前為止，有許多橋梁設計圖紙上橋梁梁端預埋管采用灌注非硫化不干性防腐密封膠以及硫化密封膠的密封措施（圖1）[3]，但目前在采用此種密封措施的多座橋梁中發現有油分離的現象，給生態環境造成了影響。由于HDPE與大部分材料的粘接性不好，隨著拉索的振動，水汽很容易從此處進入，這也是為什么防水罩無法起到很好密封效果的原因。

綜合以上目前所采取的密封措施，并未能真正解決拉索錨頭腐蝕這一問題，不僅花費大量金錢用于預埋管內部密封，而且還給后期如何檢測與維護拉索梁端密封結構這一個問題造成非常大的困擾，對后期拉索的智能化發展具有阻礙作用。

由此，預埋管管口的密封逐漸得到了更多的關注與研究，具體表現如下：

目前國內外斜拉橋梁端預埋管與索體結合處的防水措施是設置防水罩或密封氣囊的方式，而防水罩主要有鑄鐵、不銹鋼、橡膠、HDPE四種材質形式。鑄鐵防水罩采用鑄造模具分兩半制造實現可更換，但重量重，規格越大安裝越不方便，后期需要增加二次防腐施工，其總的費用中等;不銹鋼防水罩是用不銹鋼板卷制后現場焊接而成，而不銹鋼的現場焊接是否對HDPE產生影響較難判定且不好更換，其總的費用比較高。此外，前兩種的材料均屬于鋼材，由于重量較重，安裝時往往防水罩的下端需要靠預埋管來支撐，安裝后就形成了防水罩上、下兩端約束，因此當斜拉索產生振動時防水罩與索體之間的密封材料容易被破壞而造成密封失效。HDPE防水罩是目前一種新型的防水罩，在防水罩焊接段內壁預埋電阻絲，通過加熱焊接的方式使防水罩與拉索HDPE護套形成一體[4]。這種方式很好地解決了防水罩與索體的過渡密封問題，但成本較高。由于防水罩采用焊接造成更換困難，且對后期預埋管里的錨頭檢測與維護帶來了困難。根據廣西路建工程集團有限公司與四川大學對拉索HDPE過早出現老化開裂原因進行的研究可知，當HDPE的拉應力>4 MPa時對拉索的過早開裂有顯著的影響，隨著HDPE的應力增大影響更顯著。平行鋼絲拉索經過熱擠冷卻到張拉安裝一系列工藝操作，HDPE將會存留一些內應力，當再次焊接加熱后會造成應力重新分配，局部的應力會更大，正如焊接薄鋼板時為什么鋼板會發生變化一樣。前三種防水罩還有一個共同點就是必須保證防水罩與預埋管不能產生直接約束，否則會對防水罩與索體的密封產生直接破壞從而導致密封失效。因此以上防水罩無法實現全密封，對于梁端預埋管積水及冷凝水密封問題仍無法徹底解決。

平行鋼絲拉索起源于日本，通過調研發現日本的斜拉橋上基本都采用橡膠防水罩。橡膠防水罩具有重量輕、密封性好、變形性好、耐久性好、可更換等優點。由于其重量輕，安裝方便更有利于密封安裝。橡膠防水罩上、下兩端均形成完全密封解決了前三種密封結構無法解決的問題。由于橡膠本身變形好，密封結構不受拉索振動的影響，根據日本設計資料表明，采用橡膠防水罩可實現30年壽命的要求，具有較好的耐久性。由于橡膠防水罩不是整體結構，實現可拆可換，便于后期的檢測與維護。但如果直接借鑒日本的橡膠防水罩結構仍存在以下問題：

（1）由于斜拉索規格比較多，再加上一些橋梁結構原因，即使同一種規格的拉索都需要多套模具制作來滿足其與拉索及預埋管配合要求，從而造成生產成本過大。

（2）對安裝工人的素質、技術要求較高，特別對于有密封及外觀的要求，需有專門的技術工人操作，以確保密封的可靠及外觀的美觀，但目前我國的施工隊員達不到這一要求。

（3）另一決定因素就是材料性能，不同的材料具有不同的密封性能。

關于密封氣囊在橋梁梁端預埋管口的應用，即通過在氣囊內充入高壓氣體，使氣囊在吊桿和預埋管之間形成膨脹擠壓效果，氣囊的柔性變形作用又可抵消振動，防止水從縫隙內滲入，同時為加強密封效果，氣囊密封裝置頂面采用丙酮密封膏進行密封[5]。其密封的關鍵還是在于氣囊不漏氣以及密封膠的密封作用。當氣囊產生漏氣或密封膠與HDPE不貼合時就會造成密封失效。通過國產氣囊在某橋的使用來看均存在漏氣的現象，因此又提出在氣囊內灌注可固化的流體，固化后其流體不如液體，更不如氣體，隨著拉索振動對密封的影響有待進一步的驗證。

針對以上問題情況，本文研究出了一種新型橋梁拉索用柔性橡膠防水罩密封結構，很好地解決了拉索梁端錨固區防水、密封、耐久性問題，其生產成本及維護成本低，產品采用分離結構，制作、安裝施工方便，具有良好的應用前景和推廣價值。

2 橋梁拉索用柔性橡膠防水罩結構改進

2.1 解決模具數量多，生產成本過高的問題

防水罩的模具數量之所以多，是由于索體直徑規格與預埋管規格組合的結果，如單獨以預埋管的規格來定制防水罩的型號系列將會大大減小防水罩的型號，從而減少防水罩的模具數量，使生產成本大幅度降低。通過這一改進的方法，使橡膠防水罩具有很強的價格優勢。

2.2 對結構進行優化，使其具有良好的密封性能

通過一系列的實橋檢測發現，索體與防水罩之間的密封材料因受振動的影響而造成密封失效，是梁端預埋管有水進入的主要原因。在降低橡膠防水罩生產成本的同時，需要解決防水罩與索體之間的密封問題。通過在防水罩與索體之間設置一個壓緊環，并且通過螺栓連接使壓緊環緊緊抱在索體上，防止壓緊環受拉索振動造成密封材料的運動導致密封失效。

通過一些密封槽、凸筋的設置以及壓緊環與防水罩的配合，普通工人只需在相應的位置纏繞密封材料2圈，然后預緊螺栓直到密封材料完全地擠出即可，大大降低了工人的技術要求，并可通過是否有密封材料擠出來判定安裝效果是否達到要求。該工藝使防水罩的安裝簡單、易操作且可以通過肉眼直接判定安裝效果的好壞（見圖2）。

2.3 材料的選擇，確保防水罩具有較好的耐久性

橡膠防水罩安裝于橋面，屬于外露零件，一直受到外界光、氧、熱、晝夜溫差大和化學介質等外界因素的影響，對罩體耐老化性能要求極高。國內一些大橋所用的橡膠防水罩的材料采用氯丁橡膠材料，而日本及韓國的橡膠防水罩采用三元乙丙材料。三元乙丙橡膠耐老化性能非常好、耐候性好、電絕緣性能優良、耐化學腐蝕性好及耐水蒸氣、顏色穩定性、沖擊彈性較好，其在臭氧濃度為50 pphm、拉伸30%的條件下，可達150 h以上不龜裂。綜合考慮采用三元乙丙橡膠作為防水罩罩體材料。

關于密封材料的選擇，目前選擇的是拉索上常用的密封材料，如聚硫密封膠、聚丁烯粘彈體密封膠、硅酮密封膠、XM-55密封膠、聚烯烴彈性體等多種材料，分別進行了3 m水深的浸泡密封試驗。其過程試驗有成功的，也有失敗的。最終選擇一種最具性價比、易于安裝的、密封可靠的材料。

3 試驗驗證

為了更好驗證橡膠防水罩密封結構在橋梁拉索上具有良好的密封性能，在試驗工裝的設計方面盡可能地模擬實橋工況，因此專門設計了一套輔助實驗用的底座裝置（底座相當于橋梁梁端預埋管）。橡膠防水罩密封結構的下端依靠特殊的密封結構及密封材料，實現底座與橡膠防水罩的密封;橡膠防水罩的上端直接采用與索體配合進行密封。索體的上端為自由狀態，下端僅僅支撐于底座的套管內，索體相對于底座可以實現繞圓周偏擺模擬拉索振動狀態，且與豎直方向的夾角最大可達到5°。具體安裝如圖3所示。

水密性試驗方法參照美國PTI斜拉索設計、測試和安裝的推薦規范中水密性試驗要求，將密封結構整體置于3 m水深下4 d，然后拿出來拆除密封結構查看結構內部空腔內有無進水。為實現更好的密封性能，其密封材料的選擇也是一個重要環節，采用了多種密封材料進行密封試驗。通過試驗的結果及可安裝性、性價比等綜合考慮，選出了一種最為合適的密封材料。通過該密封材料安裝浸泡后的解剖過程，充分證明了將橡膠防水罩密封結構完全浸泡于3 m水中，仍具有良好的密封性能。

4 結語

本文針對現有梁端錨固區防水措施所存在的問題進行分析，從施工安裝、檢測維護及密封可靠性方面推薦采用橋梁拉索新型橡膠防水罩密封結構。橋梁拉索新型橡膠防水罩密封結構具有耐久性好、成本較低、安裝簡便、易于維護的特點，具有良好的應用前景和推廣價值。為進一步防止水進入梁端預埋管內，可以在預埋管管口再增加一層密封層，目前已研發出使密封膠與索體HDPE具有良好粘接性的方法，采用低成本的方式實現了預埋管口高可靠的密封性能，已成功應用于嘉魚長江大橋、土耳其BB3橋、南寧三岸大橋等國內外十幾座大橋上。通過梁端預埋管口采用雙重密封的方式，為推進拉索下端智能化發展邁出堅實的一步，同時可通過涂層或控制罩體顏色滿足橋梁拉索新型橡膠防水罩密封結構不同外觀的要求。

參考文獻：

[1]舒 林，許紅勝，曾毅杰，等.影響斜拉索運營壽命的各種因素分析[J].中外公路，2017，37（1）：84-88.

[2]張紅利.淺談拱橋吊桿的病害與防護[C].2013年8月建筑科技與管理學術交流會論文集，2013.

[3]馮 華，袁培峰.一種新的斜拉橋梁端預埋管填充防腐方法[J].中國工程咨詢，2014（3）：67-69.

[4]張 恒.HDPE防水罩與斜拉索結合技術研究[J].公路交通技術，2018，34（6）：89-92.

[5]趙雪蓮.拱橋吊桿防腐分析與應對措施[J].中國市政工程，2018（5）：64-66，109-110.