劉學(xué)青,莊琳，舒健

(1.湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410004；2. 中國水電建設(shè)集團(tuán)房地產(chǎn)(長沙)有限公司，湖南 長沙 410007；3. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

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懸索橋主纜加隙輔助除濕研究

劉學(xué)青1,莊琳2，舒健3

(1.湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410004；2. 中國水電建設(shè)集團(tuán)房地產(chǎn)(長沙)有限公司，湖南 長沙 410007；3. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

采用S形鋼絲纏繞和除濕技術(shù)進(jìn)行主纜除濕，干燥空氣進(jìn)入米級直徑主纜內(nèi)層以及鋼絲間有效層流非常困難。等間距改變鋼絲斷面成非標(biāo)準(zhǔn)圓，增大成纜時絲間空隙；將S形鋼絲纏繞改成波形斷面鋼帶纏繞，增大主纜表層與纏繞物料間間隙；在纏繞物料間夾塞密封用軟質(zhì)材料，提高主纜外包防護(hù)自密性和耐候能力；通過以上輔助措施，可增大表層和絲間間隙，使氣流沿主纜表層縱覽向流動通暢，并有效紊流貫通于內(nèi)層鋼絲間，能顯著提高主纜除濕效率。

纜索；除濕；鋼絲

隨著科技發(fā)展和現(xiàn)實(shí)需求，越來越多的項(xiàng)目選擇修建斜拉橋和懸索橋，在重載鐵路、公鐵兩用橋梁領(lǐng)域，如蒙西華中鐵路洞庭湖大橋、五峰山長江特大橋都選擇了索支橋梁。對于斜拉橋和懸索橋，索體是主承力結(jié)構(gòu)，其防腐直接影響使用壽命。

對于斜拉橋，采用整體制索工藝或是單根防護(hù)現(xiàn)場制索工藝，能夠較好地解決索體防腐問題。而懸索橋主纜防腐工藝復(fù)雜，效果不佳，國外修建懸索橋歷史悠久，許多已經(jīng)出現(xiàn)主纜腐蝕問題。主纜鋼絲腐蝕后強(qiáng)度沒有降低，但延性和疲勞強(qiáng)度顯著下降。很明顯，腐蝕會減小鋼絲斷面，甚至引起斷絲，從而減小了主纜有效應(yīng)力。有資料表明，腐蝕導(dǎo)致主纜強(qiáng)度損失，嚴(yán)重時減少約35%(Williamsburg橋)[1]。

懸索橋主纜都采用了表層防護(hù)，國外開索檢修結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主纜防腐效果普遍不太理想，橋梁后續(xù)換索和維護(hù)費(fèi)用相當(dāng)高昂。受海洋強(qiáng)腐蝕環(huán)境所需，日本加強(qiáng)了主纜防護(hù)研究，率先開發(fā)并應(yīng)用了主纜干燥除濕腐蝕防護(hù)系統(tǒng)，江蘇潤揚(yáng)大橋南漢懸索橋引入該技術(shù)，該方法在國內(nèi)迅速得到了應(yīng)用。

1　纜索腐蝕機(jī)理及危害

研究表明,主纜腐蝕大多是從內(nèi)部開始,主要是內(nèi)部水分引起銹蝕，其它因素包括空氣濕度、粉塵種類、氧氣含量、酸堿度、鋼絲應(yīng)力、空氣鹽含量等等。主纜腐蝕形式有均勻腐蝕、凹痕腐蝕、裂縫腐蝕、應(yīng)力腐蝕、氫裂化和疲勞腐蝕等，與纏絲和涂裝等具體防護(hù)方式密切相關(guān)，也受橋梁所在地空氣條件影響。[1-4]

Suzumural研究表明，厚度50 μm的熱鍍鋅層在潮濕的腐蝕環(huán)境中，10 a內(nèi)可能完全腐蝕消耗掉并露出底層鋼絲，而在相對濕度小于60%環(huán)境中則需要211 a[1]。文獻(xiàn)[2]也指出，濕氣作用下的鋼絲鍍鋅在10 a內(nèi)會被消耗殆盡。

2　纜索腐蝕防護(hù)方法

葉華文等分別對未鍍鋅平行鋼絲股、吊桿和拉索用鋼絞線兩種不同纜索形式的試件，采用富鋅漆涂裝法、環(huán)氧樹脂漆涂裝法、鋅粉膏涂裝法、環(huán)氧樹脂填充法、油填充法和除濕法等6種常規(guī)防護(hù)方法進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)，通過分析腐蝕造成的質(zhì)量損失和外觀來對比各防護(hù)方法的有效性。試驗(yàn)表明，平行鋼絲股經(jīng)加速腐蝕試驗(yàn)l5個月后，除濕法對表層鋼絲防護(hù)最有效，其后依次是環(huán)氧樹脂填充法、鋅粉膏涂裝法、環(huán)氧樹脂漆涂裝法和富鋅漆涂裝法，油填充法效果不明顯，而內(nèi)部鋼絲腐蝕程度遠(yuǎn)低于表層鋼絲。加速腐蝕試驗(yàn)16個月后的防護(hù)鋼絞線與未防護(hù)比較，結(jié)果表明大多數(shù)防護(hù)方法有效[5]。

主纜防護(hù)方法目前主要有3種，1種是采用圓形鋼絲纏繞主纜配合涂層防護(hù)，第2種是采用合成護(hù)套封閉主纜表層進(jìn)行防護(hù)，最新主流方法源自日本，采用S形鋼絲纏繞主纜配合干燥空氣除濕。日本采用S形鋼絲纏繞和除濕技術(shù)之前，專門做了針對性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果[3]表明，干燥空氣能帶走纜內(nèi)水分，使纜內(nèi)空氣濕度降到60%以下，從而防止鋼絲腐蝕；

3　纜索腐蝕部位

從國外多座懸索橋開索檢查情況來看，銹蝕主要發(fā)生在主纜表面、索股內(nèi)層和索夾低點(diǎn)，纏繞鋼絲接觸到的主纜側(cè)面和底部特別嚴(yán)重。日本曾對本州四國聯(lián)絡(luò)橋主纜進(jìn)行過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)主纜內(nèi)部存在水分，側(cè)面和底部潮濕；索夾氣密不嚴(yán)，底部索股有白色腐蝕；防腐涂料只能保護(hù)與涂料直接接觸的索股[3]。

圖1　瑞典霍加庫斯騰(H?gakusten)橋跨中主纜腐蝕照片[2]Fig.1 Main cable cross corrosion photos of Hoca Cuse Ten of Sweden (H, gakusten) Bridge[2]

4　干燥除濕防護(hù)缺陷

目前采用的干燥除濕防護(hù)，主纜表面有纏絲和涂裝防護(hù)，在索夾位置通過斂縫來保證氣密性，通過這些措施阻止外界水分進(jìn)入。一些涂裝系統(tǒng)細(xì)節(jié)缺陷、防護(hù)破損或斂縫缺陷，導(dǎo)致主纜不能一直保持完全氣密，主纜與外界之間仍會有少量的空氣交換。

纜內(nèi)濕度和計劃干燥時間是主纜除濕設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，據(jù)以決定送氣長度、送氣流量及送氣壓力的合理確定，也是決定除濕機(jī)工作條件及功率的關(guān)鍵因素。索纜成纜前在空氣中暴露時間長，雨水及冷凝水會滯留在索纜內(nèi)部，受實(shí)際施工季節(jié)及工程所在地不同影響，每纜實(shí)際潮濕程度差別很大。由于目前沒有有效的準(zhǔn)確檢測方法，只能憑工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推算。潤揚(yáng)大橋除濕系統(tǒng)設(shè)計時，主纜內(nèi)部濕度就是根據(jù)因島大橋濕度測量試驗(yàn)結(jié)果,綜合明石海峽大橋相關(guān)數(shù)據(jù)后推測出來的。

在浩大的主纜腐蝕防護(hù)文獻(xiàn)里，干燥除濕方法所援引數(shù)據(jù)基本上都注明是推測或是經(jīng)驗(yàn)，極少部分是來自于試驗(yàn)。

主纜制索時對鋼絲直線度、鍍后直徑和表觀要求很高，工藝設(shè)計有專門的規(guī)圓工序，鋼絲過模潤滑后，圓度很高，表面光滑。經(jīng)過規(guī)圓處理的主纜鋼絲，在巨大的縱向拉力下，成纜后相互密貼成環(huán)形排列，送氣夾將空氣從主纜外層鋼絲表面壓入，干燥空氣進(jìn)入米級直徑的主纜內(nèi)層非常困難，加之纜內(nèi)縱向送氣主要是鋼絲間平流，距送氣夾一定距離時，內(nèi)層絲間氣體相當(dāng)微弱，不能有效干燥主纜鋼絲。

5　纜索加隙除濕方法

纜索加隙除濕方法，通過增加索內(nèi)鋼絲間隙，加大表層鋼絲與索體防護(hù)空隙，讓干燥空氣有效貫通游走于各鋼絲間，能大幅度提高除濕效率。

5.1間隔非圓鋼絲概念

采用單絲間隔加環(huán)能有效增加成纜后鋼絲間隙，只是在主纜編索時阻力很大，甚至?xí)霈F(xiàn)包環(huán)滑移或脫落，不利于施工。經(jīng)數(shù)年研究，筆者提出間隔非圓鋼絲概念，即在鋼絲拉制時，采用隨動夾持裝置，對鋼絲進(jìn)行夾壓，將鋼絲標(biāo)準(zhǔn)的圓形斷面改變成預(yù)定扁形。該種夾壓按2 m或其他預(yù)設(shè)間距，扁形段長度為4 cm或其他預(yù)定長度，夾壓變形為1 mm或其他預(yù)定量。處理后鋼絲成束時扁形處必然出現(xiàn)縫隙，每絲扁形段對齊后能形成縱纜向等間隔的通風(fēng)環(huán)。

圖2　通風(fēng)環(huán)示意圖Fig.2 Schematic diagram of ventilation ring

5.2寬波鋼帶復(fù)合纏繞

S形鋼絲纏繞系日本原生技術(shù)，纏繞成形后呈圓環(huán)狀，與主纜鋼絲環(huán)表層理論上講相互密貼，空隙很小，干燥空氣在主纜表層縱纜向流動不暢。S形鋼絲纏繞系利用企口咬合，雖施以一定的纏繞張力，但必須與外包涂裝防護(hù)配合，才能完成對主纜的密封。纏繞物料與主纜的相對溫度變化、索夾間主纜應(yīng)力波動等會引起纏繞物料與主纜在縱纜向的相對變形，由于采用企口咬合，與圓形鋼絲相比，S形鋼絲纏繞整體剛度較大，縱纜向抗變形能力很強(qiáng)，從而將變形集中到斂縫處，造成斂縫破損漏氣。

采用寬波鋼帶纏繞，能增大主纜表層鋼絲與纏繞物料間間隙，與表層數(shù)目眾多的縱向小空隙配合，能顯著提高表層縱纜向流動效率；寬波鋼帶纏繞時，在重疊波層間夾塞密封用軟質(zhì)薄層材料或膩?zhàn)?，施以一定的纏繞張力，能獨(dú)立完成對主纜的密封；玻形纏繞結(jié)構(gòu)既能適應(yīng)縱纜向連續(xù)纏繞要求，又能均分與主纜的相對變形，免除斂縫因之破損。

圖3　寬波鋼帶示意圖Fig.3 Sketch map of wide wave band

圖4　復(fù)合纏繞示意圖Fig.4 Schematic diagram of compound winding

6　實(shí)際加隙效果

矮寨大橋主纜由169股單股127根φ5.25鋼絲組成，按內(nèi)部每絲互切考慮，緊纜后調(diào)動了846根外層鋼絲位置，理論外徑D=813mm，理論最小空隙率10.5%。矮寨大橋?qū)嶋H緊纜后最小直徑為840mm，空隙率達(dá)16.2%，空隙面積為89 555mm2。

經(jīng)計算，單個三角星形空隙面積1.11mm2，正四角星形空隙為5.91mm2，正六角星形空隙為28.31mm2，表層尖形空隙為2.99mm2，表層鋼絲理論數(shù)為499根，理論上尖形隙總面積為1 490mm2，有7 320個正四角星形和1 581個正六角星形。

由三角星形空隙為0可知，緊纜后鋼絲三絲相切相對較少，基本上以四絲和六絲圍隙為主，非圓鋼絲膨出部分與內(nèi)陷部分可相互抵銷，引起的絲間應(yīng)力集中基本可以忽略，通風(fēng)環(huán)處主纜外徑增加也很微小。

事實(shí)上，緊纜后內(nèi)部圍隙不可能全為正四角星形和正六角星形，會構(gòu)成斜四角星形和斜六角星形，總體空隙率雖沒有變化，但計算通風(fēng)效能時必須考慮。

采用非圓鋼絲加隙后，鋼絲內(nèi)部縱向空隙基本沒有變化，絲間間隙由0增大到某特定值，該值與鋼絲變形性狀有關(guān)，對于預(yù)變形4cm夾壓變形1mm的，每絲每環(huán)有40mm2紊流空隙，比6×6mm方形隙還要大，全環(huán)增加858 520mm2紊流空隙。

采用寬波鋼帶纏繞后，主纜表層鋼絲與纏繞物料間間隙顯著增大，按圖3所示形狀R為5mm進(jìn)行計算，以雙波斷面形式波距20cm為基準(zhǔn)，寬波鋼帶纏繞較S型鋼絲纏繞表層空隙增大89%，結(jié)果如表1所示。

表1　不同纏繞方式縱隙對比表

關(guān)于主纜內(nèi)干燥空氣流計算的有關(guān)文獻(xiàn)資料非常缺乏，關(guān)于干燥效能與主纜空隙率之間關(guān)系的研究尚屬空白，目前只能定性判定，加隙后能顯著提高表層縱流效能，能增加內(nèi)層紊流效能，從而能輔助提高除濕效能。

根據(jù)研究資料，索夾斂縫缺陷比較多見，常規(guī)斂縫是塞入索夾內(nèi)部，施工不便也難以保證質(zhì)量。建議索夾內(nèi)壁設(shè)計專用縱纜向通風(fēng)槽，在索夾縱纜向兩側(cè)設(shè)計環(huán)主纜平接口，與波形斷面纏繞物料彈性相接，既提高干燥空氣過索夾能力，又使斂縫外露利于檢查。

7　結(jié)論

1)采用S形鋼絲纏繞的干燥空氣除濕技術(shù)是目前主纜除濕主流，干燥空氣自外層鋼絲進(jìn)入，在米級直徑主纜內(nèi)部如何有效流動，至今無法準(zhǔn)確檢測和模擬。采用間隔非圓鋼絲形成通風(fēng)環(huán)，能使干燥空氣有效紊流貫通于內(nèi)層各鋼絲間；采用寬波鋼帶纏繞可增大表層鋼絲與纏繞物料間間隙，能使干燥空氣沿主纜表層縱纜向流動通暢；能夠全面提高主纜除濕效率。

2)通過寬波鋼帶夾塞軟質(zhì)材料復(fù)合纏繞，能達(dá)到纏繞物料的自密封，降低對外包涂裝耐候的苛刻要求。

3)纏繞用物料是波形斷面的，可以是雙波也可以是多波，材質(zhì)可以是鋼帶，也可以是耐候高分子材料，也可以是不同材料多層復(fù)合，甚至可引入陽極保護(hù)輔助防腐概念。

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Study on the cable dehumidifition by clearance assisted of the suspension bridge

LIU Xueqing1，ZHUANG Lin2，SHU Jian3

(1. Hunan Road & Bridge Construction Group Co., Ltd., Changsha 410004, China;2. China Hydropower Construction Group Real Estate (Changsha) Co., Ltd, Changsha 410007, China;3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Using sigmoidal wire to wind and dehumidifying technology for main cable to make the dry air into the level meters between the inner diameter of main cable and effective laminar flow of wire difficult. Change the wire section with the same space into non-standard circle, increasing the bundles gap between wires is a kind of effective measures; Change the s-shaped wire winding for wide steel strip coil to increase the clearance between the surface of steel wire ring and winding materials; Clip soft composite material into the wide wave steel belt to wind, improve the ability of main cable air tightness and weather resistance. Through the auxiliary measures above, increase the cable outer longitudinal and inter wire gap, so that the air flows along the surface of the main cable overview to flow smoothly and turbulence through the inner steel wire, which can significantly improve the efficiency of main cable dehumidification.

cable; dehumidify; steel wire

2015-12-20

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(U1361204)

劉學(xué)青(1973-)，男，湖南邵陽人，高級工程師，從事道路橋梁建設(shè)與管理；E-mail：241328053@qq.com

U443.38

A

1672-7029(2016)09-1762-05