在役老懸索橋主纜的檢查與評估狀況介紹
2018-05-21
前言
這座懸索橋總長914.4米，主跨455.7米，邊跨228.6米，共2根主纜，每根主纜由6080根鍍鋅鋼絲組成。緊纜后主纜的直徑為425mm，主纜長度約為1000米。主纜的架設開始于1929年12月2日，架設工期近3個半月，在索夾安裝之前，清潔主纜表面，并涂裝紅鉛底漆。索夾安裝后，其接縫采用含紅鉛的填充材料進行密封。所有鋼結構完成后，兩個索夾之間的主纜表面用紅鉛膩子填縫，并采用鍍鋅軟鋼絲進行纏繞,纏繞后主纜整體采用三層鉛及油性涂料進行涂裝。
二、檢查及評估過程介紹
該懸索橋1930年建成，1969年進行第一次開纜檢查。到了2003年為止，全部檢查可分為4個階段：第一次開纜檢查、小范圍的詳細開纜檢查、大范圍的深入檢查、采取防腐措施后檢查。
?。ㄒ唬┏醪介_纜檢查（1969年到1986年）
鑒于以上情況，決定在主跨跨中位置一側主纜，打開2米長度范圍內的纏繞鋼絲，打開纏繞鋼絲后先檢查主纜表面狀況，選取了主纜上面、下面及兩個側面4個均布于主纜圓周的點，，打入木楔子以楔開主纜進行內部的深度檢查，木楔子的楔入深度為50mm到75mm。結果顯示，4個位置都存在白銹，其中3個位置存在棕色銹蝕，但是內部沒有發(fā)現斷絲的情況，檢查發(fā)現，銹蝕主要集中在圓周的2點鐘方向和9點鐘方向，此位置銹蝕最嚴重的鋼絲已經完全發(fā)黑。檢查中也發(fā)現主纜外表面的紅鉛涂層已經干裂、脆化，很容易脫離鋼絲表面。
在完成以上檢查后，對該階段主纜進行重新纏繞，但在纏繞過程中，在纜圓周4點鐘方向的一根外層主纜鋼絲發(fā)生斷裂。通過進一步檢查鋼絲斷口，發(fā)現斷口鋼絲截面的50%出現黑色銹蝕，另一半50%的截面潔凈，并且呈脆斷狀態(tài),鋼絲的黑色銹蝕的表面面向主纜截面的中心。為了進一步掌握此處鋼絲的情況，沿著主纜圓周方向的其他5個位置各取了1.7米長度的鋼絲，在實驗室進一步的觀察分析。在以上檢查中發(fā)現在主纜纏繞鋼絲以后的涂層上有沿著圓周方向的開裂。
?。ǘ┬》秶脑敿氶_纜檢查（1987年-1989年）
1987年到1989年檢查首先選取了5個無索夾區(qū)的位置，選取不等的長度（長度均不小于2米）進行去除纏繞鋼絲后的主纜檢查。檢查方法與前面相同，但楔子的楔入深度增加到為60～150mm。另外，選取了2個索夾區(qū)的位置，拆掉吊索和索夾，進行主纜狀況的檢查。本次檢查結果表明，最嚴重的鋼絲腐蝕和劣化發(fā)生在主纜圓周的下半部分。在該部位，許多內層鋼絲也發(fā)現了銹蝕。在主纜的底部，內層鋼絲銹蝕導致的直徑損失達到0.38mm，而可以測量到的主纜鋼絲的平均直徑損失為0.13mm，鋼絲表面最大的凹坑深度達到0.76mm。鋼絲的銹蝕既有鍍鋅表面的微小氧化，也有伴隨著黑色銹蝕物銹蝕凹坑，銹蝕凹坑導致了主纜鋼絲的有效截面的損失。在主纜內部和表面都有鋼絲斷絲現象，但斷絲均發(fā)生在主纜木楔楔入或者重新纏繞鋼絲的作業(yè)過程。通過對鋼絲斷口的研究，發(fā)現斷口均有應力腐蝕的特征，
此次銹蝕的位置特征也同第一次打開發(fā)現的銹蝕一樣，主要集中在主纜的下半部分的鋼絲的上半個表面。說明在主纜的下半部分，鋼絲之間滯留了大量的濕氣和水分。從主纜上拿下的斷裂鋼絲的斷口組織分析表明，斷裂失效主要為應力腐蝕斷裂。通過對銹蝕樣品的分析，發(fā)現存在大量的硝酸鹽，硝酸鹽可能會加劇主纜鋼絲的銹蝕，因此，對主纜涂裝材料的選型中需要注意硝酸鹽的含量。
?。ㄈ┌踩禂档脑u估、防腐措施應用以及后期的檢查（1998年到2004年）
這次評估采用比較比較保守的推算評估法，具體如下：(1)根據現場檢查結果，以主纜內部鋼絲斷裂最嚴重的節(jié)段模型檢查出的斷裂鋼絲占主纜截面上全部鋼絲的比例計算作為全橋主纜鋼絲的減少量。按照以上方法計算，本橋主纜鋼絲的理論減少量為222根鋼絲；(2)假設222根鋼絲在3個主纜節(jié)段模型中的不同位置失效，需要再減少444根鋼絲；(3)主纜底部圓周最外三層鋼絲雖然沒有全部斷裂，但鑒于其嚴重的銹蝕狀況， 被認為已經全部失效，不再承擔荷載，需要去除414根鋼絲；(4)去除斷裂鋼絲和主纜底部嚴重銹蝕的，假設剩余鋼絲的最大抗拉強度也從1480MPa降到1311MPa，強度損失了11%。根據以上預估，該項目主纜的安全系數為3.0，比原來的安全系數降低了22%，初步認為該橋主纜在短期內是沒有危險的。但對主纜采取了以下修復措施：（1）利用木楔子打開主纜，在主纜里面盡可能多地注入了油性防腐材料；（2）在主纜外表面采用紅鉛涂料涂裝。
采取以上修復措施后，以后每隔5年對主纜進行打開檢查，以驗證采取的防腐措施是否有效。1998年7月，該項目選取10個上次檢查位置附近的主纜節(jié)段，再次打開檢查，檢查結果如下：(1)索夾之間的主纜沒有發(fā)生進一步的銹蝕，狀態(tài)較好；(2)主纜傾斜較大的節(jié)段主纜鋼絲處于較好的狀態(tài)； (3)在紅鉛涂層已經干裂，部分剝落；(4)此次沒有在主纜的下半部分發(fā)現水分或者潮濕的現象；(5)主纜上半部分比較干燥；(6)從表面看，明顯的腐蝕已經得到控制，但是由于打開的主纜節(jié)段數量有限，不能得出絕對的絕論；(7)主纜鋼絲的斷絲率并沒有明顯的增加。到了2003年，選取11個主纜階段進行拆除纏繞鋼絲后的檢查，檢查結論如下： (1)上次修復中采取的防止水分滲入主纜的紅鉛涂料涂裝的措施沒有取得預期的效果，部分打開的主纜中仍然發(fā)現有滯留的水份；(2)以前使用紅鉛被發(fā)現脆化和干裂，因此擬采用彎曲柔性較好的富鋅漆來代替紅鉛；(3)加入的油性防腐劑主要集中在主纜的下半部分，發(fā)揮了預期的防腐功效。(4)腐蝕的速度已經減慢，但采取紅鉛涂料的表面涂裝的方式沒有完全阻止水分進入主纜內部。在此次檢查之后，再次加入了油性防腐材料，并對主纜表面進行涂裝，以延展性和柔韌性較好的富鋅漆來代替容易開裂的脆性的紅鉛涂料。
三、結語
最后，結合國內的懸索橋的情況，筆者認為對于主纜安全性的評估，需要結合每個橋梁工程的原設計參數，進行具體分析。我國目前的懸索橋主纜鋼絲的直徑相對較粗（一般在5.2mm到5.4mm之間），同樣程度的銹蝕在鋼絲整個有效面積中所占的比例較小,但我國主纜的設計的安全系數偏小，在主纜發(fā)生斷絲和銹蝕后，主纜剩余的安全系數需要系統評估。
參考文獻:
Evolution OfParallel Wire Cable Condition Assessment –A Case Study ，Barney T. Martin Jr.1
