闕家奇，曹素功，范厚彬

(1.浙江省交通投資集團有限公司，浙江 杭州，310014；2.浙江省交通運輸科學研究院，浙江 杭州，311305；3.浙江舟山跨海大橋有限公司，浙江 舟山，315040)

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大跨懸索橋主纜防腐及內(nèi)部溫濕度變化機理研究綜述

闕家奇1，曹素功2*，范厚彬3

(1.浙江省交通投資集團有限公司，浙江 杭州，310014；2.浙江省交通運輸科學研究院，浙江 杭州，311305；3.浙江舟山跨海大橋有限公司，浙江 舟山，315040)

大跨懸索橋的主纜長期處于潮濕易腐蝕的海洋環(huán)境中及其容易生銹，以致發(fā)生斷裂而影響大橋的安全性能.從橋梁主纜鋼絲及錨固區(qū)的防腐措施與其腐蝕現(xiàn)狀、主纜內(nèi)部溫濕度分布情況及其變化機理等方面詳細闡述了國內(nèi)外學者進行的一系列調(diào)查與研究.同時總結(jié)了當前研究中存在的一些主要問題，明確了今后的主要研究方向，可為延長大跨徑懸索橋的使用壽命等提供理論支持和實際指導.

大跨懸索橋；主纜；防腐；溫濕度；變化機理；綜述

隨著改革開放的迅速發(fā)展尤其是近20年的發(fā)展，我國橋梁建設取得了世人矚目的成就.像西堠門大橋這樣的一批結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)難度高的大跨徑懸索橋相繼建成[1].與此同時，隨著橋梁跨度的進一步增大，許多問題也隨之而來，其中以安全性問題尤為突出.主纜是懸索橋的主要受力結(jié)構(gòu)，并且由于主纜無法進行更換，因此主纜的壽命決定了懸索橋的使用壽命，是懸索橋的“生命線”[2].

主纜面臨的主要威脅是腐蝕，當主纜鋼絲長期處于潮濕易腐蝕的環(huán)境中，很可能生銹斷裂而影響大橋的安全.傳統(tǒng)的防護方式是在主纜鋼絲進行緊纜處理后，首先沿主纜連續(xù)纏繞一層鋼絲，形成第一道防護；然后在鋼絲外再纏聚乙烯帶或橡膠防腐帶，形成第二道防護；最后用特殊涂料安裝在聚乙烯帶或橡膠防腐帶外，形成第三道防護[3].此類主纜涂裝體系雖然能起到一定的水密性和氣密性作用，但是國內(nèi)外通過對主纜進行檢測后發(fā)現(xiàn)主纜鋼絲依舊受到了不同程度的腐蝕.經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)主纜鋼絲腐蝕的原因，主要是在漫長的主纜架設時期附著在主纜上的水分不能排出，以及運營期內(nèi)滲透進主纜的水分被密封在主纜內(nèi)，導致在主纜內(nèi)部形成了鋼絲的腐蝕條件，造成鋼絲腐蝕.此外，主纜系統(tǒng)錨固區(qū)(錨室)內(nèi)部散索股部分一般只采用：涂覆磷化底漆+涂覆環(huán)氧底漆+涂覆聚氨酯面漆的體系，而這種體系也無法滿足主纜系統(tǒng)防腐要求.這是由于主纜系統(tǒng)散索股一直存在著應力腐蝕的危害，而應力腐蝕又可以在環(huán)境相對濕度很低的情況下發(fā)生.另外，錨室內(nèi)的空氣不流通，一定時間段后，主纜鋼絲表面就會有鋅鹽的出現(xiàn)，將縮短鍍鋅的防腐蝕壽命.因此，涂層對主纜系統(tǒng)的散索股起不到密封作用，只能保護涂料涂覆到的表面，而沒有被涂料涂覆到的表面將遭受腐蝕.

懸索橋的養(yǎng)護特別是懸索橋主纜的養(yǎng)護及其耐久性是決定橋梁服務時間能否達到設計使用年限的關鍵，并且是安全運營的重要因素，而目前檢查主纜腐蝕的主要手段主要為目視巡檢(有損傷)和電磁檢測(無損).針對內(nèi)部的溫濕度變化以及其演變規(guī)律還缺乏有效的檢查手段.

1　主纜及錨固區(qū)防腐措施與其腐蝕現(xiàn)狀

1989年日本對建成6年的因島大橋主纜鋼絲進行檢查，發(fā)現(xiàn)主纜底部存有積水，主纜內(nèi)部濕度較大，主纜的側(cè)面和下部都可以看到明顯的腐蝕，并且發(fā)現(xiàn)鋼絲的鋅皮已經(jīng)耗盡，并有一定的銹蝕，側(cè)面的銹蝕比底部嚴重[4].1990年日本對建成使用5年的大鳴門橋主纜鋼絲進行檢查，也發(fā)現(xiàn)了相似的情況.

1996年美國對紐約地區(qū)的橋梁主纜進行了詳細的開放性檢測，對美國紐約市市區(qū)內(nèi)的懸索橋主纜進行檢測發(fā)現(xiàn)：由于腐蝕，紐約市內(nèi)的懸索橋主纜都存在一定的強度損失問題，其中Williamsburg橋強度損失最大，約為35%[5].Bear Mountain橋主纜外層鋼絲的腐蝕相當嚴重，但是主纜內(nèi)部的鋼絲銹蝕較輕[6]，如圖1所示.

(a)主纜鋼絲腐蝕

(b)緊纜鋼絲腐蝕

懸索橋主纜的防護系統(tǒng)是一般是在主纜的表面敷涂一層防護膩子(如紅丹或鋅粉膏)，外面用圓形的鍍鋅軟鋼絲纏包，再在纏繞鋼絲的外表面進行防腐涂裝[7].在這種相對傳統(tǒng)的懸索橋主纜防護體系當中，實際上是通過對懸索橋的主纜外層進行密封包裹來防止水分侵入主纜的內(nèi)部以達到防腐蝕目的.20世紀建成通車的絕大多數(shù)懸索橋普遍都是采用的這種防護體系.

懸索橋主纜表層的防護膩子對防腐起到?jīng)Q定性的作用，因其有柔韌性好、不易脆裂、延展性好、收縮變形小等特性.常見的膩子有兩種，一種為不干性油，另一種如聚氨酯膩子[8].等主纜上完成緊纜和索夾安裝后，便開始在鋼絲表面涂抹膩子隔離外部水汽.紅丹膩子在土耳其的博斯甫羅橋、英國恒伯爾大橋和我國香港的青馬大橋等中應用，但是環(huán)境與健康問題比較突出.鋁片膩子的主要不足是不能有效填滿纏絲縫隙.鋅粉膩子用亞麻油作為調(diào)和劑，需要8小時以上的干燥固化時間，其高純度的金屬鋅粉可對裸露的鋼絲產(chǎn)生陰極保護作用[9，10].主纜的涂裝是在膩子纏絲后進行的.在纏絲上涂裝的底層涂層應具有較強的附著力，并有良好的防腐性能[11].懸索橋主纜的防護施工對氣候和環(huán)境要求很高，特別是膩子和油漆的施工.起霧、結(jié)霜、下雨、飄雪及主纜上結(jié)露而潮濕或者涂料在最初的干燥階段發(fā)生結(jié)露的時候均不能施工[12].

近年來，國內(nèi)外的一些學者對懸索橋主纜防護系統(tǒng)進行調(diào)查研究.結(jié)果表明，防護膩子的防護效果并不理想.比如日本學者在對獺戶大橋的主纜纏絲的開纜檢查中發(fā)現(xiàn)，運營才10年的主纜表面己經(jīng)產(chǎn)生了較為嚴重的銹蝕，銹蝕發(fā)生在主纜表面與纏繞鋼絲接觸的部位和部分索股的內(nèi)層，主要分布在主纜側(cè)面和底部[13].再如1988年日本對本州和四國之間的聯(lián)絡線上的懸索橋主纜腐蝕情況進行了調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示以往所采用的防腐方法不完善.后來經(jīng)相關部門反復論證，研發(fā)出一種全新的主纜防腐系統(tǒng)——干燥空氣注入系統(tǒng)[14].

作為主跨世界第一的懸索橋——明石海峽大橋，最早采用了主纜除濕系統(tǒng).系統(tǒng)對主纜表層防護的水密性和氣密性要求較高.一旦主纜密封不好會使得除濕效果降低；泄漏點很多或泄漏量很大，主纜內(nèi)的干燥空氣可能無法貫穿整個纜索，從而失去除濕作用[15].后來采用圓形纏繞鋼絲，外繞包橡膠帶的方法和S型截面纏繞鋼絲的方法來增加主纜纏絲的密封性能[16].

目前大多數(shù)懸索橋采用的防腐方法有漆線包裹法和合成覆蓋層法[17].19世紀40年代約翰、羅伯靈提出了漆線包裹法，這種方法的理念是盡量阻止?jié)駳獾臐B入[18].美國的很多懸索橋都使用了紅色鉛漆作為防腐層，不幸的是大部分都出現(xiàn)了因為鉛漆損壞致使鋼絲銹蝕的跡象[19].20世紀60年代早期，鋼鐵工廠和工程師們在實踐中提出了合成覆蓋層法[20].曾有兩種較為普遍的合成覆蓋層法替代漆線包裹法.一種方法是以彈性氯丁橡膠作覆蓋物的方法，另外一種是以丙烯酸樹脂作涂層的方法[21].但是由于施工復雜，勞動力消耗大，很少應用于懸索橋建設[22].

國內(nèi)外普遍選用柔軟型底漆和中間漆作為主纜防腐材料，因其更能適應懸索橋主纜的變形；選用氟碳系列涂料作為面漆，因其具有良好的耐候性且能提高涂裝系統(tǒng)的抗老化性能；選用硅系密封材作為嵌縫材料，因其具有彈性高、抗老化能力強的特點，使得主纜除濕系統(tǒng)更趨完善[23].

2　主纜及錨固區(qū)內(nèi)部濕度變化機理研究現(xiàn)狀

關于懸索橋主纜及錨固區(qū)內(nèi)部溫濕度分布情況及其變化機理方面國內(nèi)外學者進行了一系列的研究.

Keita Suzumura對主纜的內(nèi)部環(huán)境進行模擬試驗，研究主纜內(nèi)部相對濕度和溫度在一天內(nèi)的變化規(guī)律，并模擬四種可能的鍍鋅鋼絲腐蝕環(huán)境進行加速腐蝕試驗.研究結(jié)果表明，無氯鹽侵蝕且相對濕度低于60%時，壽命可達到211年；相對濕度低于100%時，壽命為34年；完全潮濕狀態(tài)下，壽命不到10年.如果氯離子濃度較高，即使相對濕度低于60%，鋼絲也會很快腐蝕[24].

蘇達根等對海印大橋主纜腐蝕在主纜縱向的分布特點進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)鍍鋅鋼絲腐蝕程度由兩端向內(nèi)部逐步增加，且與主纜密封情況有明顯的對應關系[25,26].

法國學者Darcy于1856提出Darcy定律，首次描述了多孔介質(zhì)內(nèi)單相流體壓降與流速之間的關系[27].Darcy定律公式如下：

Carman[28]認為：多孔介質(zhì)中單相流的壓降是粘性力與慣性力兩部分組成的，在低雷諾數(shù)下可忽略慣性力的作用，但是在高雷諾數(shù)下慣性力的作用不能忽略.

賈代勇等[29]等對干燥空氣在懸索橋主纜內(nèi)的流動阻力進行了理論分析，并搭建了實驗臺進行了試驗研究，通過試驗得到了沿程阻力系數(shù)的計算公式和局部阻力系數(shù)的實驗值.

周曉君和郭慶斌[30]引入了體積平均方法以及體均原理對多孔介質(zhì)內(nèi)流體流動進行了研究，根據(jù)Darcy阻力經(jīng)驗公式以及Forch-heimer修正，獲得了多孔介質(zhì)內(nèi)流體流動的Brinkman-Forch-heimer廣義Darcy定律，并提出了牛頓流體在充滿多孔介質(zhì)通道內(nèi)的結(jié)構(gòu)流概念，通過對邊界層進行動量積分計算證明了流核的存在，并得到了流核流速與流核半徑的計算結(jié)果.

張震等[31]采用Brinkman-Darcy- Forchheime模型，利用數(shù)值模擬的方法對各向同性、飽和均勻多孔介質(zhì)通道內(nèi)單相流體絕熱流動的阻力特性進行了研究.研究結(jié)果表明：目前的模型能夠較好地預測多孔介質(zhì)通道內(nèi)單相流體的壓降.但是，損失系數(shù)對流動阻力的影響比較大；高雷諾數(shù)下應該考慮雷諾數(shù)對損失系數(shù)產(chǎn)生的影響.

劉學強等[32]對雷諾數(shù)下多孔介質(zhì)內(nèi)單相流阻力進行了研究.利用空隙有效雷諾數(shù)(Re)對慣性項系數(shù)進行了修正，獲得了多孔介質(zhì)中單相流阻力的關系式，并分析了影響多孔介質(zhì)內(nèi)單相流阻力的因素.

張加晚[33]通過研究發(fā)現(xiàn)主纜橫截面內(nèi)的熱量是通過相鄰鋼絲的接觸面、鋼絲間空隙中的空氣來傳導的.從宏觀上看，主纜橫截面內(nèi)的熱量傳導，可以認為是平面熱傳導問題.

式中：T—t時刻點(x,y)處的溫度；—為熱擴散系數(shù).

Ergun將主纜內(nèi)空氣低速流動等價為空氣在多孔介質(zhì)中的流動，采用Hagen-Poseuille公式與平均水力半徑阻力模型對主纜內(nèi)空氣流動沿程阻力進行了理論分析，推導出了主纜內(nèi)空氣層流流動沿程阻力的計算公式[34].基于毛細血管束模型，將主纜內(nèi)不規(guī)則的流通通道處理為圓形流通通道，利用Hagen-Poseuille公式也推導出了主纜內(nèi)空氣層流流動沿程阻力的計算公式.兩種推導方法所得的結(jié)果一致，為干燥空氣在主纜內(nèi)的層流流動阻力的試驗和模擬研究提供了理論依據(jù).

錢友榮等[35]根據(jù)多孔介質(zhì)的簡化數(shù)學模型，運用FLUNET軟件對二分之一主纜模型和四分之一主纜模型內(nèi)的空氣流動阻力開展了數(shù)值模擬研究工作，結(jié)果表明不同直徑下主纜內(nèi)的空氣層流流動阻力，數(shù)值研究、試驗和半經(jīng)驗公式三者的計算結(jié)果基本一致.為了進一步驗證半經(jīng)驗公式的準確性，現(xiàn)場測試了泰州大橋主纜內(nèi)空氣層流流動阻力，結(jié)果表明試驗段主纜沿程阻力值和半經(jīng)驗公式的計算結(jié)果基本一致.

3　存在的主要問題

從上面論述中可以看出，關于主纜內(nèi)部溫濕度空間分布及其變化機理的研究在主纜內(nèi)部溫濕度日變化規(guī)律、鍍鋅鋼絲腐蝕環(huán)境、腐蝕沿索長分布規(guī)律、多孔介質(zhì)單相流、空氣流動沿程阻力、溫度沿索長分布規(guī)律、主纜橫截面內(nèi)的熱量傳導等方面取得一定成果，但還不足以得到一個對主纜及錨固區(qū)內(nèi)部溫濕度變化機理的全面而清晰的認識.為此，研究者們還需解決如下問題：

(1)通過數(shù)值方法得到水在主纜橫截面和縱向的流動規(guī)律和分布情況.由于水在主纜中的流動復雜且?guī)в泻艽蟮碾S機性，在現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗中，對數(shù)據(jù)進行全面觀測和采集頗有難度.而且現(xiàn)場或室內(nèi)試驗試驗周期長，需要消耗大量的人力物力，因此有必要引入數(shù)值模擬.

(2)開展對溫濕度耦合作用的研究.主纜內(nèi)部的濕度變化和分布在很大程度上受到溫度場的影響，同時也反過來影響溫度的分布.主纜中的液態(tài)水受熱汽化成水蒸氣，水蒸氣以氣體的形式在主纜孔隙中流動，然后遇冷凝結(jié)，釋放熱量.在一天中的光照變化會導致主纜內(nèi)部溫度變化不均勻，而一年中氣溫和濕度的變化也會影響到主纜內(nèi)部的溫濕度變化.

(3)明確非飽和多孔介質(zhì)滲流與主纜孔隙滲流的聯(lián)系與區(qū)別.目前缺乏對利用多孔介質(zhì)滲流模擬主纜滲流的可行性研究.主纜構(gòu)造與一般所謂多孔介質(zhì)不同，它的孔隙是在橫截面上均勻分布的沿縱向的細長通道，而從縱剖面上看，這些通道之間也有細縫相連通.一個適合于主纜的合理的多孔介質(zhì)模型需要更大量的研究.

(4)將數(shù)值模擬試驗結(jié)果同現(xiàn)場或室內(nèi)試驗結(jié)果進行對比.數(shù)值模擬試驗可以采用現(xiàn)場或室內(nèi)試驗得到的參數(shù)，如阻力系數(shù)等.同時將兩者結(jié)果進行對比也可以驗證并提高數(shù)學模型和數(shù)值模擬方法的準確性.

(5)開展錨固區(qū)內(nèi)部溫濕度變化的研究.錨固區(qū)主纜的腐蝕將導致主纜系統(tǒng)防腐失效，直接影響橋梁營運安全.錨固區(qū)主纜受到腐蝕的橋梁，其主纜系統(tǒng)錨室內(nèi)的散索股部分雖然安裝有除濕系統(tǒng)，但對于主纜系統(tǒng)防腐蝕仍然是很不理想的.

4　結(jié)論

本文在論述溫濕度變化機理對于主纜防腐重要性的基礎上，詳細分析了國內(nèi)外學者對主纜內(nèi)部溫濕度變化機理方面的相關研究成果，總結(jié)了當前研究中存在的主要問題，如：對主纜及錨固區(qū)內(nèi)部溫濕度變化機理的研究應引入數(shù)值模擬試驗、結(jié)合溫濕度耦合作用研究溫濕度變化機理等，明確了今后的主要研究方向.主纜及錨固區(qū)內(nèi)部溫濕度變化機理研究的主要目的是為更好地維護橋梁的正常運行、科學地進行大跨徑懸索橋主纜養(yǎng)護，為延長大跨徑懸索橋的使用壽命等提供理論支持和實際指導.但是目前仍有許多研究理論尚不夠成熟，需要專家學者們或工程技術(shù)人員進一步開展研究.

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(責任編校：晴川)

Review of Corrosion and Temperature and Humidity Change Mechanism of Large Span Suspension Bridge Main Cable

QUE Jiaqi1，CAO Sugong2*，F(xiàn)AN Houbin3

(1. Zhejiang Communications Investment Group Co., Ltd., Hangzhou Zhejiang 310014, China；2. Zhejiang Scientific Research Institute of Transport, Hangzhou Zhejiang 311305, China；3. Zhejiang Zhoushan Crossing Bridge Co., Ltd., Zhoushan Zhejiang 316031,China)

When the main cable of the suspension bridge is in a humid and easy corrosion environment for a long time, it is likely to be broken and influence the safety of the bridge. The corrosion of main cable steel wire and the measures to prevent corrosion status in the anchorage zone, the distribution and variation mechanism of temperature and humidity of main cable are described in detail with the research of domestic and foreign scholars in this paper. The main problems existing in current research are summarized and the main research direction in the future is defined, at the same time. Also, it can provide theoretical support and practical guidance for prolonging the service life of long span suspension bridges.

long span suspension bridge; main cable; corrosion; temperature and humidity; mechanism; review

2016-08-12

浙江省交通運輸廳科技項目(批準號:2014H20)；浙江省自然科學基金(批準號：Q14E080002)資助項目；浙江省科學技術(shù)廳科技項目(批準號：2015F50026).

闕家奇(1979— )，男，浙江建德人，浙江省交通投資集團有限公司高級工程師.研究方向：公路工程建設與養(yǎng)護管理.

U443.38

A

1008-4681(2016)05-0017-05