曾 勇，周 靜，譚紅梅

(1. 重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶市 400074；|2. 重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)與材料教育部工程研究中心 重慶市 400074)

※基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51908093)；重慶市留創(chuàng)計(jì)劃創(chuàng)新類資助入選項(xiàng)目(cx2020117，cx2018113)；山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(CQSLBF-Y14-3，CQSLBF-Y16-10) ；山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)與材料教育部工程研究中心開(kāi)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(lián)系，這個(gè)構(gòu)件對(duì)懸索橋的結(jié)構(gòu)起著重要的用處[1-2]?，F(xiàn)如今，懸索橋的主纜在使用壽命期間檢查中或多或少出現(xiàn)了腐蝕和損傷的現(xiàn)象[3-4]。在大多數(shù)失效的懸索橋中，可以發(fā)現(xiàn)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(guān)鍵構(gòu)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(hù)措施。由此可見(jiàn)，保證主纜的可靠度是十分關(guān)鍵的[5]。

與懸索橋的建設(shè)相比，懸索橋主纜相應(yīng)的病害成因及檢查策略研究還相對(duì)較少，有必要進(jìn)一步對(duì)主纜進(jìn)行典型病害分析及維修策略方面的相關(guān)研究[2,5-6]。此文在了解到近些年來(lái)主纜的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)主纜的各種失效原因進(jìn)行了分析，并對(duì)主纜關(guān)鍵部位的常規(guī)檢查以及維修保護(hù)進(jìn)行關(guān)注，同時(shí)對(duì)于不一樣的類型、不同程度的損傷以及病害現(xiàn)象，提出了相應(yīng)的平常檢查和保養(yǎng)的策略。

1 主纜的病害類型與產(chǎn)生原因

懸索橋在其運(yùn)營(yíng)使用壽命的時(shí)間段里，主纜的松動(dòng)現(xiàn)象和橋面荷載作用的改變，會(huì)對(duì)主纜的外形產(chǎn)生一系列的改變，同時(shí)主纜外形的不斷累計(jì)，到一定程度時(shí)便會(huì)對(duì)橋梁的可靠度產(chǎn)生影響[1]。由于主纜鋼絲損傷情況的存在會(huì)對(duì)索股的受力面積和強(qiáng)度產(chǎn)生影響，便會(huì)使主纜的可靠度發(fā)生改變，當(dāng)今懸索橋的主纜腐蝕造成的損傷現(xiàn)象備受人們的重點(diǎn)關(guān)注。實(shí)際橋梁所在特定環(huán)境下對(duì)主纜鋼絲的銹蝕現(xiàn)象以及保護(hù)措施起著關(guān)鍵的作用，同時(shí)也影響著主纜的制造運(yùn)營(yíng)、安裝架設(shè)、纏繞工序等步驟[6-9]。

現(xiàn)從主纜的病害類型進(jìn)行闡述，并將其中危害較為普遍的病害原因機(jī)理進(jìn)行分析，為后續(xù)的主纜檢查內(nèi)容提供依據(jù)。

1.1 病害類型

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

(2)主纜中的索股鋼絲發(fā)生松弛、鼓絲和斷絲的現(xiàn)象。主纜鋼絲常見(jiàn)的病害形式有：應(yīng)力腐蝕、凹坑、應(yīng)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(fā)生起泡、開(kāi)裂、脫起、粉化或生銹。

(5)主纜存在滲漏水現(xiàn)象。

鋼絲的延展性與強(qiáng)度由于病害的存在而有所降低，當(dāng)損傷進(jìn)一步擴(kuò)展，主纜的安全使用時(shí)間也會(huì)減少[3-8]。

1.2 主纜滲漏水原因

索夾在制造時(shí)其密封是無(wú)法保證的，這將會(huì)讓主纜露出，水便會(huì)從跨中最低點(diǎn)或錨室淌出[6]。漏水情況主要有：

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

(2)當(dāng)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(xiàn)一定程度的改變。

(4)在纏絲縫處當(dāng)主纜保護(hù)層出現(xiàn)不同程度的開(kāi)裂時(shí)，涂層的表面便會(huì)存在粉化情況。當(dāng)外涂層失效后，變形性能達(dá)不到原來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于主纜的變形是有害的。

(5)表面保護(hù)層由于有著很多大大小小的孔洞，當(dāng)下雨以后，主纜外表面就會(huì)出現(xiàn)大部分水跡的點(diǎn)。

1.3 鋼絲銹蝕原因

依照國(guó)內(nèi)外對(duì)許多懸索橋的主纜的勘測(cè)狀況的調(diào)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(hù)層的損傷，讓雨水有機(jī)會(huì)進(jìn)入并滯留而導(dǎo)致的。主纜保護(hù)層一旦出現(xiàn)損壞后，外部雨水和水汽的蒸發(fā)會(huì)進(jìn)入到內(nèi)部，同時(shí)大風(fēng)的存在會(huì)使主纜外表面的水更快地進(jìn)入損壞部位的縫隙。而且空氣環(huán)境里存在著一定量的腐蝕性氣體，主纜鋼絲在這種環(huán)境下就會(huì)逐漸開(kāi)始腐蝕，當(dāng)腐蝕程度逐漸嚴(yán)重，就會(huì)影響橋梁的常規(guī)使用。

鋼絲腐蝕的發(fā)生主要是因?yàn)楦邚?qiáng)度鋼絲在一定的環(huán)境下出現(xiàn)了電化學(xué)反應(yīng)。進(jìn)入主纜的雨水順著主纜外表面在自重的作用下向下流動(dòng)，在遇到護(hù)套破裂的地方進(jìn)入主纜內(nèi)部。由于鋼絲繩之間的間隙和主纜的振動(dòng)，雨水繼續(xù)沿著纜索中的間隙向下流動(dòng)，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(huì)從破壞的位置進(jìn)到主纜，從而讓鋼絲的腐蝕變得嚴(yán)重[10-11]。

保護(hù)套的保養(yǎng)是否得當(dāng)對(duì)鋼絲的損傷程度是有著密切關(guān)系的。而且鋼絲腐蝕的兩個(gè)顯著特征：一是遵循“上輕下重”的原則，也就是說(shuō)上部鋼絲腐蝕比其矮的地方來(lái)說(shuō)損傷的現(xiàn)象是較低的；另一種是保護(hù)套附近損壞的零件和損壞的附件往往是腐蝕較嚴(yán)重的零件。當(dāng)主纜在一個(gè)比較高的位置且保護(hù)套未出現(xiàn)損壞時(shí)，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(fā)現(xiàn)[11]。

主纜鋼絲腐蝕形式有以下幾種情況：常見(jiàn)的情形有均勻腐蝕(也稱為大氣腐蝕)、坑蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、氫脆和疲勞腐蝕等[10]，有些時(shí)候也會(huì)出現(xiàn)電解質(zhì)腐蝕的情形。鋼絲腐蝕中以上的情況都曾出現(xiàn)過(guò)，當(dāng)腐蝕累加到合適的程度就會(huì)發(fā)生脆斷。

空氣中的氯離子，它不僅在電化學(xué)銹蝕的過(guò)程中具有導(dǎo)電性能，同時(shí)它也具有催化劑的作用，即加速腐蝕反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)展[11]。讓鋼絲發(fā)生銹蝕的要素有許多，如有溫度、相對(duì)濕度、年日照時(shí)數(shù)、粉塵、雨水PH值、污染物等。對(duì)外層鍍了鋅的鋼絲而言，其外表有水的時(shí)間越長(zhǎng)，其相對(duì)濕度也越高，環(huán)境的氣溫越高，腐蝕速度也會(huì)越高；雨水在金屬開(kāi)始腐蝕的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)減速腐蝕發(fā)生的速度，但腐蝕一段時(shí)間后會(huì)使腐蝕速度加速[5]。

2 主纜的檢查

主纜定期進(jìn)行檢查，可以把控主纜各階段的承載力，可見(jiàn)主纜的定期檢查是十分必要的。檢查的內(nèi)容包括主纜內(nèi)外表面、環(huán)境狀況、溫濕度等方面。

檢查主纜的保護(hù)漆。如果發(fā)現(xiàn)漆膜損壞或剝落，應(yīng)清洗并進(jìn)行重新涂漆。檢查中如發(fā)現(xiàn)繞組線斷裂、散落，應(yīng)先檢查主纜繞組線的銹蝕情況。把已經(jīng)銹蝕的部位進(jìn)行去除銹漬，再用新的繞組線纏好，并在新的線上刷上保護(hù)漆。主纜保護(hù)層完好，能防止水或外部腐蝕性介質(zhì)滲入主纜。

錨房?jī)?nèi)的空氣狀況應(yīng)常常保持在一定的溫濕度，并日常進(jìn)行檢查和記錄，避免主纜股的腐蝕的現(xiàn)象。因而室內(nèi)的溫度與濕度是需要維持在一定范圍內(nèi)的，溫度在22℃上下，濕度是不能超過(guò)50%。需經(jīng)常檢查通風(fēng)、恒濕、恒溫設(shè)備是否有損害，運(yùn)行是否正常。檢查錨室是否漏雨或積水。如有，則須及時(shí)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(yīng)經(jīng)常清潔，以防止鳥(niǎo)類進(jìn)入鳥(niǎo)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(tài)，有無(wú)腐蝕現(xiàn)象等。

3 主纜的溫度監(jiān)測(cè)

大跨度懸索橋?qū)ζ溥M(jìn)行健康監(jiān)控時(shí)可以監(jiān)控和把握大跨度懸索橋的健康情況，當(dāng)檢查中感知到潛在危害的存在時(shí)，可及時(shí)給懸索橋提供養(yǎng)護(hù)建議，并確保橋梁使用運(yùn)營(yíng)階段里的安全度。懸索橋中的數(shù)據(jù)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(jiān)測(cè)[12]。

主纜力的溫度監(jiān)控是健康監(jiān)控測(cè)試?yán)锏年P(guān)鍵步驟，代表著一種安全預(yù)警體系[12]。若異常情況被察覺(jué)，就需要及時(shí)找出緣由并馬上采取措施，避免結(jié)構(gòu)應(yīng)力超限對(duì)結(jié)構(gòu)造成損壞甚至破壞。

溫度的影響分為兩種：一是季節(jié)溫差，二是晝夜溫差。研究發(fā)現(xiàn)，主纜的線形形狀以及索塔都會(huì)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(yīng)。

因而可以采用數(shù)字型溫度傳感器對(duì)溫度分布狀況進(jìn)行監(jiān)控，可為之后主纜設(shè)計(jì)中溫度的影響計(jì)算分析提供初始依據(jù)。在主纜溫度監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，各溫度傳感器以并聯(lián)方式與需監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)連接，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)總線實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)通信，達(dá)到對(duì)主纜溫度的監(jiān)測(cè)。

4 主纜的檢查周期

依照主纜的各項(xiàng)檢測(cè)和日常監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)得出的結(jié)論，來(lái)決定主纜的檢測(cè)周期以及是否需要采取保養(yǎng)策略。

通過(guò)得出的結(jié)論可察覺(jué)主纜是否出現(xiàn)銹蝕以及腐蝕程度的大小，若出現(xiàn)銹蝕的現(xiàn)象就需要馬上除銹防銹。定期檢查得到的結(jié)論可以看出主纜系統(tǒng)是否存在腐蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象、吊索張力是否出現(xiàn)變動(dòng)、高強(qiáng)拉桿是否存在活動(dòng)等要素對(duì)懸索橋的使用是否存在影響。依照按時(shí)查驗(yàn)得到的結(jié)論，給橋梁專家進(jìn)行報(bào)備，再來(lái)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(jìn)行變更倒帶鋼絲，應(yīng)提前對(duì)施工程序進(jìn)行制定，通過(guò)專家評(píng)價(jià)審核后即可實(shí)行。主纜需要檢查維修的部位、時(shí)間間期與方法方式見(jiàn)表1。

表1 主纜的檢修內(nèi)容、間隔與方法

5 結(jié)論

在對(duì)懸索橋關(guān)于主纜病害方面進(jìn)行總結(jié)歸納的基礎(chǔ)上，分析主纜病害成因并提出相應(yīng)的檢查監(jiān)測(cè)內(nèi)容。對(duì)主纜典型病害成因及檢查策略開(kāi)展了研究，分析總結(jié)了主纜典型病害，并對(duì)主纜典型病害進(jìn)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(cè)與維護(hù)的各個(gè)項(xiàng)目，主要針對(duì)典型的主纜失效情形，提出了常規(guī)檢查與保護(hù)的方法，并提出了主纜的檢修部位、時(shí)間間期與方法。

懸索橋的關(guān)鍵構(gòu)件主纜，對(duì)懸索橋是否能夠安全使用起著關(guān)鍵的效果，在安全使用期間內(nèi)其作用是十分重要的。為了保證懸索橋主纜正常使用的時(shí)間更長(zhǎng)，主纜保持安全可靠的狀態(tài)是十分關(guān)鍵的。同時(shí)為了保證主纜的使用壽命，需要使用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木S護(hù)保養(yǎng)措施。