橋梁的生命索研究

文/ 石偉 李翔 鄭國(guó)坤 董長(zhǎng)征 蒲永官

斜拉索下端預(yù)埋管的密封方式及存在問(wèn)題

隨著斜拉橋的應(yīng)用發(fā)展，防水罩單一防水效果不好的問(wèn)題逐漸凸顯，為解決此問(wèn)題，部分學(xué)者研究提出了在預(yù)埋管內(nèi)灌注密封材料的解決措施，具體包括：

1.最初斜拉索的下端防腐體系是在預(yù)埋管管口設(shè)置一個(gè)防水罩，預(yù)埋管內(nèi)部灌注防腐油脂，但油脂中的油分離會(huì)造成環(huán)境的污染以及遇水后乳化會(huì)失去保護(hù)作用。油脂之所以存在油的分離，主要是因?yàn)橛椭匿摼W(wǎng)分油量的指標(biāo)太低，如fib規(guī)范對(duì)鋼網(wǎng)分油量的指標(biāo)是在40度時(shí)，其分油量≤2.5%,在100度時(shí)，其分油量≤4%。

2.灌注發(fā)泡劑能夠防止水對(duì)拉索下錨具的腐蝕，但由于缺少必要的指標(biāo)約束以及經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的原因，其效果不是很好，發(fā)泡劑具有的儲(chǔ)水作用也給后期的維護(hù)造成了困難。

3.到目前為止，許多橋梁設(shè)計(jì)圖紙上都采用非硫化不干性防腐密封膠以及硫化密封膠的密封方式，但有些設(shè)計(jì)方案為了進(jìn)一步降低灌注的成本，用聚氨酯發(fā)泡劑替代部份密封膠（如圖1）。

目前在多座橋梁的這一技術(shù)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)灌注非硫化不干性防腐密封膠有油分離的現(xiàn)象，給生態(tài)環(huán)境造成了影響。由于HDPE與大部分材料的粘接性不好，硫化密封膠也同樣存在這個(gè)問(wèn)題，因此隨著拉索的振動(dòng)水很容易從此處進(jìn)入。這也是防水罩無(wú)法起到很好密封效果的原因。

從上述的實(shí)踐可看出，目前所采取的措施，并未能真正解決拉索錨頭腐蝕的這一問(wèn)題，不僅花了大量的金錢用于預(yù)埋管內(nèi)部，而且還給后期如何檢測(cè)與維護(hù)拉索下端這一個(gè)問(wèn)題埋下非常大的隱患。對(duì)后期拉索的智能化發(fā)展具有阻礙作用。

預(yù)埋管管口的密封研究如下：

目前國(guó)內(nèi)外斜拉橋梁端預(yù)埋管與索體結(jié)合處的防水措施采用設(shè)置防水罩或密封氣囊的方式，防水罩的材料主要有鑄鐵、不銹鋼、橡膠、HDPE四種材質(zhì)形式。鑄鐵防水罩通常采用鑄造模具分兩半制造，實(shí)現(xiàn)可更換，但重量重，規(guī)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(fèi)用中等；不銹鋼防水罩是用不銹鋼板卷制后現(xiàn)場(chǎng)焊接而成，而不銹鋼的現(xiàn)場(chǎng)焊接是否對(duì)HDPE產(chǎn)生影響較難判定且不好更換，不銹鋼防水罩的總的費(fèi)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(shí)往往防水罩的下端需要靠預(yù)埋管來(lái)支撐，安裝后就形成了防水罩上、下兩端約束，因此當(dāng)拉索產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)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防水罩，一般以在防水罩焊接段內(nèi)壁預(yù)埋電阻絲，通過(guò)加熱焊接的方式使防水罩與拉索HDPE融合成一體。這種方式很好的解決了防水罩與索體的過(guò)渡密封問(wèn)題，但成本較高。由于防水罩采用的是焊接工藝，因此會(huì)造成后期的更換困難，且對(duì)后期預(yù)埋管里的錨頭檢測(cè)與維護(hù)帶來(lái)了困難。

前三種防水罩密封方式還有一個(gè)共同點(diǎn)就是必須保證防水罩與預(yù)埋管不能產(chǎn)生直接約束，否則會(huì)對(duì)防水罩與索體之間的密封產(chǎn)生直接破壞從而導(dǎo)致密封失效。因此以上防水罩的密封無(wú)法實(shí)現(xiàn)全密封，對(duì)于梁管積水及冷凝水密封問(wèn)題仍無(wú)法解決。

橡膠防水裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)

如何解決模具數(shù)量多，生產(chǎn)成本過(guò)高的問(wèn)題

防水罩的模具數(shù)量之所以多，是由于索體直徑規(guī)格與預(yù)埋管規(guī)格組合的結(jié)果，如就單獨(dú)以預(yù)埋管的規(guī)格來(lái)定制防水罩將會(huì)減小防水罩的型號(hào)，從而減少防水罩的模具數(shù)量，生產(chǎn)成本大幅度的降低。通過(guò)這一改進(jìn)的方法，橡膠防水罩將具有很強(qiáng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

如何對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，具有良好的密封性能

通過(guò)一些密封槽、凸筋的設(shè)置以及壓緊環(huán)與防水罩的配合，普通工人只需在相應(yīng)的位置纏繞密封材料2圈，然后預(yù)緊螺栓直到密封材料完全的擠出即可，大大降低了工人的技術(shù)要求，并可通過(guò)是否有密封材料擠出來(lái)判定安裝效果是否達(dá)到要求。該工藝使防水罩的安裝簡(jiǎn)單、易操作且可以通過(guò)肉眼直接判定安裝效果的好壞。（如圖2）

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(xué)介質(zhì)等外界因素影響，對(duì)罩體耐老化性能要求極高。國(guó)內(nèi)一些大橋所用橡膠防水罩的材料是氯丁橡膠，而日本及韓國(guó)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(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕性好、耐水蒸氣、顏色穩(wěn)定性、沖擊彈性較好，其在臭氧濃度50pphm、拉伸30%的條件下，可達(dá)150h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。

試驗(yàn)驗(yàn)證

為了更好驗(yàn)證橡膠防水罩在橋梁拉索上具有良好的密封性能，在試驗(yàn)工裝的設(shè)計(jì)方面盡可能的接近實(shí)橋態(tài)況，還專門設(shè)計(jì)了一套輔助實(shí)驗(yàn)用的底座裝置（底座相當(dāng)于橋梁預(yù)埋管），橡膠防水罩的下端依靠特殊的密封結(jié)構(gòu)及密封材料，實(shí)現(xiàn)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(jìn)行密封，索體的上端為自由狀態(tài)，索體的下端僅僅支撐于底座的套管內(nèi)，索體相對(duì)于底座可以實(shí)現(xiàn)繞圓周偏擺，索體與豎直方向的夾角最大可達(dá)到5度，具體安裝見圖3。

水密性試驗(yàn)方法參照美國(guó)PTI斜拉索設(shè)計(jì)、測(cè)試和安裝推薦規(guī)范中的水密性試驗(yàn)。該試驗(yàn)要求將防水罩浸泡在3米水深處4天，拆開組裝件查看防水罩內(nèi)部空腔內(nèi)有無(wú)進(jìn)水。

為實(shí)現(xiàn)更好的密封性能，其密封材料的選擇也是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，我們采用了多種密封材料進(jìn)行密封試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)的結(jié)果及可安裝性、性價(jià)比等綜合考慮，選出了一種最為合適的密封材料通過(guò)對(duì)其中一種密封材料安裝浸泡后的解剖，充分證明了將橡膠防水罩完全浸泡于3米水中，仍具有良好的密封性能。

結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有梁端錨固區(qū)防水措施所存在的問(wèn)題進(jìn)行一一分析，從施工安裝、檢測(cè)維護(hù)及密封可靠性等多方面考慮推薦采用橡膠防水罩的密封結(jié)構(gòu)。

為進(jìn)一步防止提升防水能力，可以在預(yù)埋管管口再增加一道柔性密封，實(shí)現(xiàn)雙重密封保護(hù)。當(dāng)前還未發(fā)現(xiàn)一種密封材料在動(dòng)態(tài)下能實(shí)現(xiàn)百年的可靠密封，提前識(shí)別密封被破壞，及時(shí)地做好低成本的維護(hù)管養(yǎng)，需要引入拉索智能化預(yù)警系統(tǒng)，橡膠防水罩+預(yù)埋管口柔性密封的雙重密封技術(shù)將推進(jìn)拉索下端智能化發(fā)展邁出重要的一步。