纜索安全問(wèn)題的成因和機(jī)理

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

纜索防護(hù)密封失效和銹蝕機(jī)理

橋梁主纜最外層的防護(hù)體系主要采用聚硫密封膠涂層防護(hù)和纏包帶防護(hù)兩大類。由于纜索受溫度、風(fēng)載、車輛荷載等影響處于長(zhǎng)期振動(dòng)和應(yīng)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(dòng)現(xiàn)象。部分橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在通車3年后，索夾的緊筘力下降近一半，當(dāng)纜索采用密封膠防護(hù)時(shí)，密封膠固化后抗拉強(qiáng)度低，加上固化密封膠的自重力作用，將導(dǎo)致防護(hù)結(jié)構(gòu)局部開(kāi)裂，水、濕空氣和有害物質(zhì)從開(kāi)裂位置進(jìn)入，將造成主纜銹蝕和加速老化；當(dāng)采用纏包帶密封防護(hù)時(shí)，由于纏包帶的接縫量多，熱熔固化工作量大、工藝復(fù)雜，且纏包帶不具有自黏附性，同時(shí)，纏包基面無(wú)法到達(dá)理想的平整狀態(tài)，僅依靠熱熔固化工藝難以實(shí)現(xiàn)防護(hù)體系整體耐久密封的效果，目前該防護(hù)體系實(shí)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(hù)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(zhǎng)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(qiáng)聚酯纖維帶加雙層高密度聚乙烯（HDPE）防護(hù)結(jié)構(gòu)，制造、運(yùn)輸、施工過(guò)程，均可能造成HDPE局部破損，水與有害空氣從破損部位進(jìn)入索體內(nèi)部，并在錨頭或吊點(diǎn)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(diǎn)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(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的橋梁纜索在腐蝕過(guò)程中，可以分為纜索外部防護(hù)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(gè)階段。首先，纜索外部防護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露在外部環(huán)境中，在經(jīng)歷一定的循環(huán)應(yīng)力作用或者遭受到一些難以預(yù)期的外力作用后，外部護(hù)套會(huì)發(fā)生破損現(xiàn)象。之后，由于纜索外部防護(hù)結(jié)構(gòu)受損，外界雨水、濕空氣和有害物質(zhì)等進(jìn)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(zhǎng)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(shí)，水汽大概率在纜索錨固位置匯聚，導(dǎo)致纜索錨固區(qū)域銹蝕，錨固區(qū)域的錨固能力和力學(xué)性能發(fā)生折減，從而威脅整個(gè)纜索系統(tǒng)安全。

表2 鋼材強(qiáng)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(hù)結(jié)構(gòu)早期開(kāi)裂、老化破壞、帶火燃燒和錨頭防水等問(wèn)題。

纜索系統(tǒng)火損失效機(jī)理

在火災(zāi)中，橋梁纜索防護(hù)結(jié)構(gòu)的損傷過(guò)程可以分為三個(gè)階段。首先，在火災(zāi)的作用下，纜索周邊溫度上升，通過(guò)對(duì)流、輻射等作用加熱纜索外部防護(hù)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致溫度提升，使外部防護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)始融化、燃燒，在外界環(huán)境對(duì)流風(fēng)、護(hù)套帶火熔滴等因素的影響下，保護(hù)結(jié)構(gòu)的燃燒將極易發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象，不僅會(huì)導(dǎo)致火焰在一根纜索上的持續(xù)擴(kuò)散，還可能會(huì)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(chǎng)作用下鋼絲溫度快速上升，達(dá)到一定溫度后，鋼絲力學(xué)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(qiáng)度的持續(xù)下降，鋼絲將在兩端拉力作用下發(fā)生破斷。

對(duì)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(zāi)過(guò)程中的高溫作用下易產(chǎn)生區(qū)域升溫快、構(gòu)件力學(xué)性能迅速下降等問(wèn)題，若不施加額外防護(hù)措施，火災(zāi)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(huì)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(dǎo)致錨固失效的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外已就鋼絲強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律開(kāi)展研究，歐洲規(guī)范《Eurocode3-EN1992-1-2》認(rèn)為，高溫下鋼絲力學(xué)性能變化規(guī)律可用強(qiáng)度折減系數(shù)表述，如表2所示，將400攝氏度溫度場(chǎng)作為鋼絲損傷判別標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)溫度超過(guò)400攝氏度時(shí)，規(guī)范中強(qiáng)度折減系數(shù)開(kāi)始小于1，鋼絲發(fā)生損傷。

美國(guó)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(guò)300攝氏度可持續(xù)90分鐘。該規(guī)范認(rèn)為溫度場(chǎng)不超過(guò)300攝氏度時(shí)，鋼絲不會(huì)發(fā)生損傷。

纜索防火防腐分級(jí)保護(hù)體系技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和不同火場(chǎng)纜索結(jié)構(gòu)有效保護(hù)的設(shè)計(jì)方案，解決了纜索防火設(shè)計(jì)沒(méi)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和有效技術(shù)方案的問(wèn)題。

我國(guó)現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)纜索防火沒(méi)有具體要求，設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)采用的纜索防護(hù)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(chǎng)即燃燒起火，明火迅速超過(guò)300攝氏度并對(duì)纜索鋼絲造成傷害。

橋梁纜索抗火密封綜合防護(hù)

纜索抗火防護(hù)圍繞耐火隔熱這一技術(shù)路線展開(kāi)，主要研究如何采用可靠的技術(shù)措施，應(yīng)對(duì)隨時(shí)隨地可能發(fā)生的火災(zāi)，并確保在實(shí)施有效救援之前保證索體結(jié)構(gòu)完好安全。另外，為了確保抗火防護(hù)能夠耐久使用和起到最佳防護(hù)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(hù)系統(tǒng)長(zhǎng)期有效性，需采用既能耐火隔熱、又能密封防腐的綜合防護(hù)方案，即需要研究一種既耐火、隔熱、阻燃，又能保證長(zhǎng)期密封效果的綜合防護(hù)技術(shù)。

傳統(tǒng)防火防護(hù)技術(shù)方案一般采用防護(hù)材料和消防手段，而采用的防火材料大多數(shù)不具備長(zhǎng)時(shí)間耐火或隔熱功能，消防和救援手段則難以及時(shí)覆蓋每一個(gè)角落，對(duì)于開(kāi)放式的纜索防火更是難以實(shí)現(xiàn)有效防護(hù)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些研究單位開(kāi)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(jī)械拉伸性能差，既不耐磨又不耐碰撞，不能抵抗纜索長(zhǎng)期存在的力學(xué)變形和腐蝕環(huán)境的侵蝕，相關(guān)試驗(yàn)未能滿足預(yù)期效果，因此，國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)橋梁纜索抗火防護(hù)的成功實(shí)施案例。在國(guó)外，一些公司開(kāi)發(fā)了集防火和抗爆于一體的拉索防護(hù)盔甲，該防護(hù)盔甲能夠防火、防爆、防彈及其他外力破壞，國(guó)內(nèi)一些單位也參照此法開(kāi)展研究，但其使用效果和經(jīng)濟(jì)性難以得到認(rèn)可。