緬甸某懸索橋主纜開纜檢測及承載力評估

陳小雨 ，唐茂林

（1. 西華大學土木建筑與環境學院， 四川 成都 611756；2. 成都紡織高等專科學校智能建造與環境工程學院， 四川成都 611731；3. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031）

懸索橋主纜的檢測與維護在美國、歐洲和日本已經開展起來[1]. 美國對布魯克林橋、華盛頓橋、威廉斯堡橋、曼哈頓橋等多座服役30 a 以上的懸索橋主纜進行了主纜的開纜檢測，發現纜內的鋼絲腐蝕嚴重，對橋梁的服役造成巨大的安全隱患，并于2004 年整理了NCHRP-534 報告[2]；英國依據534 報告的經驗對福斯橋[3]、塞文橋[4]、亨伯特橋[5]等進行了主纜檢測，這些橋梁的主纜中均出現了同樣的腐蝕問題；日本對本州四國聯絡線上在役的懸索橋纜索系統進行了檢查，發現部分主纜僅僅服役幾年就出現了腐蝕[6].

我國第一批現代懸索橋修建于20 世紀90 年代，距今已紛紛達到了30 a 的服役時間，文獻[7]對某懸索橋中的鋼絲進行了腐蝕檢測，發現我國的懸索橋也無法避免腐蝕問題. 文獻[8-10]通過實驗測量了服役環境下鋼絲的腐蝕速率計算，并提出區域化腐蝕計算方法，但均未對主纜內的鋼絲進行詳細試驗分析和主纜強度評估. 我國正面臨著大跨橋梁纜索體系的逐漸腐蝕退化而又缺乏檢測評估經驗的嚴峻問題. 通過對服役20 a 的懸索橋主纜進行主纜開纜檢測、獲得纜內腐蝕環境分布、分析主纜鋼絲腐蝕特征以及沿徑向腐蝕規律、評估主纜剩余承載力，為我國的主纜腐蝕的研究工作提供最直接的參考數據，積累主纜檢測經驗.

1 開纜檢測

1.1 橋梁概況

該橋1995 年建成通車，主纜由37 根股索組成，主纜采用直徑為5.20 mm、標準強度為1 600 MPa 的高強度鋼絲，主纜的防護結構為傳統的膩子 + 纏絲的方式，環氧富鋅底漆 + 聚氨酯膩子 + 纏絲 + 聚氨酯膩子 + 聚氨酯面漆的防護涂層結構，纏絲采用直徑4.00 mm 的高強度鋼絲，標準強度550 MPa，并于后期養護中增加了密閉劑，柔性面漆等二次涂裝.

橋位處臨海，屬亞熱帶海洋性氣候，受日照時間較長，年平均氣溫25 ℃ ，屬夏長無冬地區，年降雨量1 820.6 mm，空氣濕度大，氯離子含量高，雨水PH 值較低，橋位附加有大型工廠，排放的廢氣中含有NO、SO2等腐蝕性氣體. 橋梁運營近25 a 后，在2019 年12 月對該橋上、下游主纜跨中截面的腐蝕情況進行開纜檢測，查看主纜內部腐蝕狀況，評估其剩余承載力. 主纜開纜過程的現場照片如圖1 所示.

圖1 主纜檢測現場照片Fig. 1 Photos of main cable inspection

首先剝去主纜外防護層，切斷主纜纏絲，剝去防護膩子露出主纜鋼絲，然后用木楔子沿著圓周每隔45° 角楔入一道檢測口，打開主纜后可見主纜跨中節段外層涂裝防護良好，沒有出現明顯的破損開裂，纜內沒有液體滲出；去除最外層涂裝后纏絲總體狀態良好，纏絲局部發生鍍鋅銹蝕，沒有出現斷絲，且能看到金屬光澤；切開纏絲后能夠看見主纜最外層鋼絲均發生了明顯的嚴重腐蝕，附著褐色腐蝕產物，且鋼絲表面出現密集的腐蝕坑，膩子上附著鐵銹；楔開主纜后主纜內層鋼絲狀態良好，可見金屬光澤，未發生腐蝕；開纜位置處未發現斷絲，且沒有發生鋼絲開裂的情況.

1.2 鋼絲腐蝕分布

根據纜內鋼絲的腐蝕情況，并參考534 報告對鋼絲腐蝕階段的相關規定[2]，通過視覺觀察可以將鋼絲腐蝕分為4 個階段：鋼絲上出現氧化鋅斑點（階段1）；整個鋼絲上都是白色氧化鋅（階段2）；覆蓋鋼絲 30%的長度為 76.2 mm 到 152.4 mm 的棕色銹跡（階段3）；覆蓋鋼絲大于 30%的長度為 76.2 mm到 152.4 mm 的棕色銹跡（階段4）. 4 個腐蝕階段鋼絲外觀對比如圖2 所示.

圖2 4 個腐蝕階段鋼絲外觀對比Fig. 2 Comparison of steel wire appearances in four corrosion stages

4 級腐蝕的劃分為定性劃分，為了彌補定性分級的不足，作者在文獻[9]中對鍍鋅高強鋼絲全壽命腐蝕各階段的腐蝕外觀進行了精細測量，并進行各等級鋼絲強度的實驗，得到更詳細的腐蝕質量損失、直徑變化等，定量分級其對應的剩余承載力. 但在現場由于楔口操作空間較小，僅能采用內窺鏡深入主纜內部，拍攝各層鋼絲的腐蝕外觀照片，無法進行腐蝕定量的測量，因此在提取鋼絲腐蝕樣本時依然主要為定性地判斷. 將主纜內鋼絲腐蝕的分布按上述4 級進行統計，結果如圖3 所示.

圖3 上、下游主纜跨中截面鋼絲腐蝕分布Fig. 3 Corrosion distribution of steel wire at midspan of upstream and downstream main cable

上、下游跨中截面主纜鋼絲腐蝕分布有如下特點：1） 環繞主纜最外層的一周鋼絲均發生了階段4的嚴重腐蝕. 2） 頂部區域腐蝕較其他區域嚴重，頂部階段4 腐蝕的分布有大概9～10 層；兩側位置腐蝕稍輕，階段4 腐蝕的分布大概3～4 層；底部位置腐蝕最輕，階段4 腐蝕鋼絲分布大概1～2 層. 一方面說明主纜中的水分并沒有滲透主纜在底部聚集，因此底部并沒有出現突出的腐蝕狀況，外界進入的水汽大部分匯于主纜頂部使得頂部區域10 層以內鋼絲腐蝕嚴重；另一方面說明頂部區域由于受到陽光直射，導致溫度高于其他區域，腐蝕速率也明顯大于其他區域. 3） 下游截面腐蝕情況略嚴重于上游截面，導致這一現象的主要原因是由于下游區域受到海風的影響較上游更嚴重一些，海風中的氯離子和水分等滲入主纜的情況較上游更多.

2 樣本鋼絲的實驗室檢測

2.1 局部腐蝕檢測

采用高倍電子顯微鏡對4 個腐蝕階段的樣本鋼絲基體腐蝕斑進行觀察，如圖4 所示.

圖4 各腐蝕階段樣本鋼絲腐蝕斑發展Fig. 4 Development of corrosion spots of sample steel wire in each corrosion stage

由圖4 可知：隨著腐蝕程度的加深，腐蝕斑直徑不斷擴大，周圍的鋼絲也由淺白色鍍鋅銹蝕發展成褐色基體銹蝕，腐蝕斑深度方向增大，減小鋼絲局部直徑. 在高倍顯微鏡下對腐蝕斑進行尺寸測量，對于圓形或橢圓形腐蝕斑，測量其最大直徑的長度，邊界模糊的腐蝕斑，測量其中心嚴重腐蝕點的直徑尺寸.每根樣本鋼絲測量5 個腐蝕斑尺寸，取其均值作為該樣本鋼絲腐蝕斑尺寸的值，統計結果如圖5 所示.

圖5 中橫坐標1～10 為階段 1 腐蝕的10 根樣本鋼絲的腐蝕斑尺寸，后面依次類推. 由圖可見：隨著腐蝕等級的增加，腐蝕斑在長度方向出現了明顯的增大趨勢，與腐蝕外觀的總體趨勢一致，腐蝕斑在未來會漸漸連成一片，導致主纜全面腐蝕. 可見鋼絲的腐蝕發展為鍍鋅層腐蝕，發展到基體局部點腐蝕擴大至整體腐蝕的過程.

圖5 腐蝕斑長度變化散點圖Fig. 5 Scatter diagram of corrosion spot length changing with corrosion level

為了研究腐蝕對鋼絲直徑減小的影響，觀察階段4 腐蝕的樣本銹層的微觀形貌及測量銹層厚度，采用3D 共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）進行觀察其橫截面的微觀形貌，如圖6 所示.

圖6 鋼絲橫截面銹層3D 共聚焦顯微鏡圖Fig. 6 3D confocal micrograph of rust layer on steel wire cross-section

圖6（a）為4N11 號樣品的橫截面微觀形貌，鍍鋅層耗損完畢，銹層已經全部覆蓋基體，樣品銹蝕層平均厚度大約是100 μm，部分腐蝕坑區域腐蝕厚度達到200 μm. 同方法測量了4 級腐蝕的3 個樣本鋼絲，由于基體銹蝕層較易剝落，測量值有波動，基體銹蝕厚度約為50～150 μm. 從SEM 微觀形貌可以看出試樣銹層比較厚，同時存在大量的裂紋，有些裂紋甚至貫穿了銹層，這可能導致銹層的脫落，使得基底失去保護，與外界直接接觸.

2.2 腐蝕相關液體成分檢測

在開纜過程中主纜內并沒有水分富集，僅收集到一兩滴水滴，現場測量得到水滴的pH 值為5.00，由于現場水滴太少無法進行其他檢測，為分析主纜內的環境，分別檢測了現場收集的雨水以及樣本鋼絲浸泡液（將階段3 腐蝕的10 根樣本鋼絲用200 ml超純水浸泡1 h，取液體直接測試），測量結果見表1.

表1 液體成分測量結果表Tab. 1 Results of liquid composition measurements

由液體成分分析可以看出：1） 雨水外界環境中含有氯離子，到主纜內后氯離子濃度有所富集；2） 外環境和浸泡溶液的pH 值均為弱堿性，外環境中的pH 值受到當地工業及海洋環境的影響，主纜內的pH 值為弱堿性，一方面也受到外環境及海洋氣候的影響，但主纜內的水滴pH 值為酸性，表明鋼絲表面在 C l-的參與下發生的微電池反應.

2.3 鋼絲強度檢測

為了對主纜強度進行評估，對主纜內各腐蝕階段的樣本鋼絲進行強度測量. 從該主纜中取出的每個腐蝕階段10 個樣本鋼絲進行強度實驗，鋼絲公稱直徑5.2 mm，公稱面積21.23 mm2，標距長度50 mm，樣本鋼絲長度為30 cm，采用萬能材料試驗機（Z050）對其進行單軸拉伸試驗，試驗結果見表2. 由表可知：階段1～3 腐蝕鋼絲強度性能變化較小，階段4鋼絲極限強度降低約3.50%，延伸率降低約9.00%，由于腐蝕導致了鋼絲變脆；此處的延伸率測量方法為拉伸前在鋼絲上標記長度為50 mm 的兩個點，拉伸后測量兩個標記點的距離，其變化率即為延伸率.

各階段樣本鋼絲在張拉破斷后斷面的收縮率見表3.

表3 斷面收縮率Tab. 3 Percentage reduction of cross-section area after fracture

4 個腐蝕階段鋼絲的應力-伸長率如圖7 所示.圖中：強度值為實際強度值，各樣本鋼絲的橫截面積為帶腐蝕產物的面積，因此其值小于表2 中的強度值，在計算時統一取為鋼絲未腐蝕時的公稱面積（表2 中的強度值）.

圖7 各腐蝕階段樣本鋼絲應力-伸長率曲線Fig. 7 Stress-strain curves of sample steel wires in various corrosion stages

表2 樣本鋼絲拉伸性能測量結果表Tab. 2 Test results of tensile properties of sample steel wires

階段2 和階段4 鋼絲的應力-應變曲線中有部分鋼絲出現了打滑現象，導致該級鋼絲的應力-應變（圖中伸長率）坐標（橫坐標）增大，但是對數據的值無影響，在進行統計時剔除了該階段中打滑鋼絲的數據.

由拉伸數據、應力-伸長率圖以及斷面收縮率可以看出：1） 腐蝕階段1、2、3 樣本鋼絲均出現較為明顯的屈服平臺，屈服平臺的伸長率（橫坐標）約為5%～20%，單根鋼絲屈服平臺長度約為7%～8%，而階段4 腐蝕樣本鋼絲（剔除打滑的鋼絲）的屈服平臺伸長率僅為5%～15%，單根鋼絲的屈服平臺長度約為4%，這是腐蝕導致的鋼絲出現了脆性斷裂的特征，這與隨著腐蝕程度加深樣本鋼絲延伸率降低的特征相吻合；2） 隨著腐蝕級別增加，鋼絲的抗拉強度降低，鋼絲的延性降低，斷面收縮率降低，鋼絲變脆.

3 主纜強度評估

在對該橋的開纜檢測中，并沒有發現鋼絲開裂或者斷裂的情況，采用534 報告中的簡化模型進行評估[2]. 首先根據鋼絲的腐蝕等級將其分組：腐蝕階段1、2 鋼絲基體均未發生嚴重腐蝕，可歸為第1 組；腐蝕階段3 的鋼絲分為第2 組；腐蝕階段4 的鋼絲分為第3 組；開裂的鋼絲單獨分為第4 組.

對上、下游主纜跨中截面的各組鋼絲數量分布和極限強度進行統計，如表4 所示. 表中：Nk為評估工作段內第k（k=1，2，3，4）組鋼絲的數目； μsk為第k組鋼絲的樣本抗拉強度均值； σsk為第k組鋼絲的樣本抗拉強度標準差；Puk為第k組鋼絲所代表的主纜內未破損以及未開裂鋼絲的比例.

表4 上游跨中截面數據統計表Tab. 4 Statistics of parameters of upstream midspan section

依據文獻[2]計算主纜強度為

式中： μs為除去開裂鋼絲外組合鋼絲的樣本抗拉強度均值； σs為除去開裂鋼絲外組合鋼絲的樣本抗拉強度標準差.

則上游主纜承載力為

式中：aw為實驗室分析中每根鋼絲的公稱截面積；Neあ為評估工作段內未破損鋼絲的有效數目；K為減少因子，取值見文獻[2]，本文取0.93.

即上游主纜單根鋼絲極限強度均值為1 624.62 MPa.

同理得下游截面主纜承載力計算結果為

原始主纜的所有鋼絲強度均值為1 723.00 Mpa，則原始主纜承載力約為

由計算得知主纜的平均抗拉強度降低了5.7%，主纜鋼絲的原始檢測數據單根鋼絲的極限強度均值為1 723.00 MPa，則由本次開纜檢測的計算結果可以看出：上、下游主纜單根鋼絲極限強度均值均為1 623.88 MPa，依然大于1 600.00 MPa，滿足設計要求.

4 結 論

本文通過對緬甸某在役懸索橋主纜進行開纜檢測，介紹了主纜開纜檢測及承載力評估的詳細步驟和方法，對主纜現場的開纜檢測和鋼絲腐蝕的實驗測量得到下述結論：

1） 主纜最外層鋼絲均發生嚴重腐蝕，其中頂部鋼絲受到高溫和高濕度的影響發生了9～10 層鋼絲的嚴重腐蝕，兩側和底部鋼絲腐蝕較頂部輕約為3～4 層鋼絲腐蝕.

2） 主纜沿著徑向由外向內腐蝕程度減輕，內層鋼絲僅出現白色鍍鋅腐蝕，鋼絲基體狀況良好.

3） 對鋼絲局部腐蝕形貌和內部腐蝕環境的檢測分析以及鋼絲抗拉強度的測量，得到鋼絲腐蝕發展由鍍鋅層腐蝕發展至基體局部腐蝕到最后基體全面腐蝕的發展過程，并隨著腐蝕加劇，鋼絲強度和延性都降低.

4） 主纜未出現斷絲和開裂，依據534 報告中簡化模型給出了該橋主纜承載力降低約5.7%，仍然符合設計要求.

5） 文中檢測和評估并未考慮主纜中鋼絲的分布對主纜強度的影響，也未考慮沿主纜縱向不同位置的腐蝕是否會對主纜強度造成不同的影響，這些都是日后需要繼續進行探索研究的方向.