大跨度懸索橋主纜病害成因及檢查策略研究

曾 勇，周 靜，譚紅梅

(1. 重慶交通大學 山區橋梁及隧道工程國家重點實驗室 重慶市 400074；|2. 重慶交通大學 山區橋梁結構與材料教育部工程研究中心 重慶市 400074)

※基金項目：國家自然科學基金項目(51908093)；重慶市留創計劃創新類資助入選項目(cx2020117，cx2018113)；山區橋梁及隧道工程國家重點實驗室開放基金(CQSLBF-Y14-3，CQSLBF-Y16-10) ；山區橋梁結構與材料教育部工程研究中心開放基金 (QLGCZX-JJ2017-5)

0 引言

主纜的使用壽命極大程度與懸索橋的安全度有著密切的聯系，這個構件對懸索橋的結構起著重要的用處[1-2]。現如今，懸索橋的主纜在使用壽命期間檢查中或多或少出現了腐蝕和損傷的現象[3-4]。在大多數失效的懸索橋中，可以發現其原因是主纜的全部或局部失效。懸索橋的吊桿堪比斜拉橋的拉索，主纜是懸索橋的關鍵構件，所以為了主纜的使用壽命得到保證需要采用更加小心的維護措施。由此可見，保證主纜的可靠度是十分關鍵的[5]。

與懸索橋的建設相比，懸索橋主纜相應的病害成因及檢查策略研究還相對較少，有必要進一步對主纜進行典型病害分析及維修策略方面的相關研究[2,5-6]。此文在了解到近些年來主纜的研究現狀的基礎上，對主纜的各種失效原因進行了分析，并對主纜關鍵部位的常規檢查以及維修保護進行關注，同時對于不一樣的類型、不同程度的損傷以及病害現象，提出了相應的平常檢查和保養的策略。

1 主纜的病害類型與產生原因

懸索橋在其運營使用壽命的時間段里，主纜的松動現象和橋面荷載作用的改變，會對主纜的外形產生一系列的改變，同時主纜外形的不斷累計，到一定程度時便會對橋梁的可靠度產生影響[1]。由于主纜鋼絲損傷情況的存在會對索股的受力面積和強度產生影響，便會使主纜的可靠度發生改變，當今懸索橋的主纜腐蝕造成的損傷現象備受人們的重點關注。實際橋梁所在特定環境下對主纜鋼絲的銹蝕現象以及保護措施起著關鍵的作用，同時也影響著主纜的制造運營、安裝架設、纏繞工序等步驟[6-9]。

現從主纜的病害類型進行闡述，并將其中危害較為普遍的病害原因機理進行分析，為后續的主纜檢查內容提供依據。

1.1 病害類型

(1)主纜外表面出現破損(如裂紋、粉化、碎屑、針孔等)或鋼絲出現銹蝕；外表涂漆可能出現氣泡、針孔、孔洞、表面油漆老化、密封膠開裂等外觀病害。

(2)主纜中的索股鋼絲發生松弛、鼓絲和斷絲的現象。主纜鋼絲常見的病害形式有：應力腐蝕、凹坑、應力疲勞等。

(3)鞍罩密封門失效，密封門橡膠條老化。

(4)主纜的外部涂層發生起泡、開裂、脫起、粉化或生銹。

(5)主纜存在滲漏水現象。

鋼絲的延展性與強度由于病害的存在而有所降低，當損傷進一步擴展，主纜的安全使用時間也會減少[3-8]。

1.2 主纜滲漏水原因

索夾在制造時其密封是無法保證的，這將會讓主纜露出，水便會從跨中最低點或錨室淌出[6]。漏水情況主要有：

(1)主纜的保護層厚度是比較小的，自然的老化和脫落現象以及檢測人員的行徑都會對涂層造成一定程度的損傷。

(2)當局部纏絲縫隙太大，油漆涂層要完全覆蓋上是有一定困難的。

(3)主纜底部油漆的鋅粉膏黏度出現一定程度的改變。

(4)在纏絲縫處當主纜保護層出現不同程度的開裂時，涂層的表面便會存在粉化情況。當外涂層失效后，變形性能達不到原來的標準，對于主纜的變形是有害的。

(5)表面保護層由于有著很多大大小小的孔洞，當下雨以后，主纜外表面就會出現大部分水跡的點。

1.3 鋼絲銹蝕原因

依照國內外對許多懸索橋的主纜的勘測狀況的調研[9]，得出了主纜鋼絲腐蝕損傷是施工以及使用途中的保護層的損傷，讓雨水有機會進入并滯留而導致的。主纜保護層一旦出現損壞后，外部雨水和水汽的蒸發會進入到內部，同時大風的存在會使主纜外表面的水更快地進入損壞部位的縫隙。而且空氣環境里存在著一定量的腐蝕性氣體，主纜鋼絲在這種環境下就會逐漸開始腐蝕，當腐蝕程度逐漸嚴重，就會影響橋梁的常規使用。

鋼絲腐蝕的發生主要是因為高強度鋼絲在一定的環境下出現了電化學反應。進入主纜的雨水順著主纜外表面在自重的作用下向下流動，在遇到護套破裂的地方進入主纜內部。由于鋼絲繩之間的間隙和主纜的振動，雨水繼續沿著纜索中的間隙向下流動，最終匯聚到主纜跨的中部。空氣中的氧、氯離子和二氧化硫會從破壞的位置進到主纜，從而讓鋼絲的腐蝕變得嚴重[10-11]。

保護套的保養是否得當對鋼絲的損傷程度是有著密切關系的。而且鋼絲腐蝕的兩個顯著特征：一是遵循“上輕下重”的原則，也就是說上部鋼絲腐蝕比其矮的地方來說損傷的現象是較低的；另一種是保護套附近損壞的零件和損壞的附件往往是腐蝕較嚴重的零件。當主纜在一個比較高的位置且保護套未出現損壞時，主纜鋼絲是基本不存在銹蝕的，甚至鍍鋅層的銹蝕也不容易發現[11]。

主纜鋼絲腐蝕形式有以下幾種情況：常見的情形有均勻腐蝕(也稱為大氣腐蝕)、坑蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕、氫脆和疲勞腐蝕等[10]，有些時候也會出現電解質腐蝕的情形。鋼絲腐蝕中以上的情況都曾出現過，當腐蝕累加到合適的程度就會發生脆斷。

空氣中的氯離子，它不僅在電化學銹蝕的過程中具有導電性能，同時它也具有催化劑的作用，即加速腐蝕反應的進一步發展[11]。讓鋼絲發生銹蝕的要素有許多，如有溫度、相對濕度、年日照時數、粉塵、雨水PH值、污染物等。對外層鍍了鋅的鋼絲而言，其外表有水的時間越長，其相對濕度也越高，環境的氣溫越高，腐蝕速度也會越高；雨水在金屬開始腐蝕的時候會出現減速腐蝕發生的速度，但腐蝕一段時間后會使腐蝕速度加速[5]。

2 主纜的檢查

主纜定期進行檢查，可以把控主纜各階段的承載力，可見主纜的定期檢查是十分必要的。檢查的內容包括主纜內外表面、環境狀況、溫濕度等方面。

檢查主纜的保護漆。如果發現漆膜損壞或剝落，應清洗并進行重新涂漆。檢查中如發現繞組線斷裂、散落，應先檢查主纜繞組線的銹蝕情況。把已經銹蝕的部位進行去除銹漬，再用新的繞組線纏好，并在新的線上刷上保護漆。主纜保護層完好，能防止水或外部腐蝕性介質滲入主纜。

錨房內的空氣狀況應常常保持在一定的溫濕度，并日常進行檢查和記錄，避免主纜股的腐蝕的現象。因而室內的溫度與濕度是需要維持在一定范圍內的，溫度在22℃上下，濕度是不能超過50%。需經常檢查通風、恒濕、恒溫設備是否有損害，運行是否正常。檢查錨室是否漏雨或積水。如有，則須及時處理。

在主纜中需要常常檢查和維修的地方也包括檢查通道。主塔頂部的主鞍座應經常清潔，以防止鳥類進入鳥巢和蓄水造成生銹，并防止灰塵和碎片的堆積[7]。懸索橋的日常檢查中包含的有：主纜的線形形狀、索股以及錨頭錨桿的正常與否；主纜纏絲是否完好；主索鞍、散索鞍是否正常使用狀態，有無腐蝕現象等。

3 主纜的溫度監測

大跨度懸索橋對其進行健康監控時可以監控和把握大跨度懸索橋的健康情況，當檢查中感知到潛在危害的存在時，可及時給懸索橋提供養護建議，并確保橋梁使用運營階段里的安全度。懸索橋中的數據信息收集方法有許多種，其中就包含溫度采集，即主纜的溫度監測[12]。

主纜力的溫度監控是健康監控測試里的關鍵步驟，代表著一種安全預警體系[12]。若異常情況被察覺，就需要及時找出緣由并馬上采取措施，避免結構應力超限對結構造成損壞甚至破壞。

溫度的影響分為兩種：一是季節溫差，二是晝夜溫差。研究發現，主纜的線形形狀以及索塔都會伴隨著溫度的變化而隨之改變。因而大跨懸索橋中也不可忽視溫度的效應。

因而可以采用數字型溫度傳感器對溫度分布狀況進行監控，可為之后主纜設計中溫度的影響計算分析提供初始依據。在主纜溫度監測的過程中，各溫度傳感器以并聯方式與需監測節點連接，通過網絡總線實現與計算機通信，達到對主纜溫度的監測。

4 主纜的檢查周期

依照主纜的各項檢測和日常監測評價得出的結論，來決定主纜的檢測周期以及是否需要采取保養策略。

通過得出的結論可察覺主纜是否出現銹蝕以及腐蝕程度的大小，若出現銹蝕的現象就需要馬上除銹防銹。定期檢查得到的結論可以看出主纜系統是否存在腐蝕嚴重的現象、吊索張力是否出現變動、高強拉桿是否存在活動等要素對懸索橋的使用是否存在影響。依照按時查驗得到的結論，給橋梁專家進行報備，再來定奪要不要替換主纜纏繞鋼絲繩以及吊索，和全部懸掛體系是否要徹底的防銹處置。若要吊索進行變更倒帶鋼絲，應提前對施工程序進行制定，通過專家評價審核后即可實行。主纜需要檢查維修的部位、時間間期與方法方式見表1。

表1 主纜的檢修內容、間隔與方法

5 結論

在對懸索橋關于主纜病害方面進行總結歸納的基礎上，分析主纜病害成因并提出相應的檢查監測內容。對主纜典型病害成因及檢查策略開展了研究，分析總結了主纜典型病害，并對主纜典型病害進行了成因分析，可供合理防治主纜病害參考。確定了主纜日常檢測與維護的各個項目，主要針對典型的主纜失效情形，提出了常規檢查與保護的方法，并提出了主纜的檢修部位、時間間期與方法。

懸索橋的關鍵構件主纜，對懸索橋是否能夠安全使用起著關鍵的效果，在安全使用期間內其作用是十分重要的。為了保證懸索橋主纜正常使用的時間更長，主纜保持安全可靠的狀態是十分關鍵的。同時為了保證主纜的使用壽命，需要使用嚴謹的維護保養措施。