悬索桥主缆防腐系统的现状分析_李闯.pdf

第 4 期公 路 交 通 技 术No. 4 2003年 8 月Technology of Highway and TransportAug . 2003收稿日期: 2003- 05- 29作者简介: 李 闯( 1969- ) , 男, 重庆市璧山县人, 大专, 工程师.悬索桥主缆防腐系统的现状分析李 闯 黎世彬 徐绍机( 重庆万桥交通科技发展有限公司 重庆 400067)摘 要 悬索桥主缆钢丝腐蚀是国外悬索桥普遍存在的问题, 也在国内引起越来越多的关注, 对主缆防腐的现状以及新出现的防腐方法进行了阐述, 并对国外主缆防腐系统检验结果和研究计划进行了简要介绍 关键词 悬索桥 主缆 防腐 现状 检测随着我国经济的飞速发展, 特大跨径桥梁越来 越多的出现在大江大河上 ,悬索桥作为特大跨径桥梁的经济桥形之一, 也逐渐被普遍采用 作为悬索桥的主要承重构件的主缆 ,其防腐效果直接影响到 悬索桥的正常使用在国外做的多座桥梁的开索检查来看,传统的主缆防腐方式虽然在短期内有效 ,但 还没有彻底解决防腐问题 ,甚至在某些情况下还导致高额的后续维护费用主缆钢丝腐蚀严重地危及到悬索桥的安全性。

腐蚀减少了有效的索股面积和强度 美国纽约市运输局在最近出版的一份关于悬索桥缆索状况的报告中得出结论 :“由于腐蚀 ,纽约市区的几乎所有大型 悬索桥都存在强度损失的问题, 主缆强度损失的范围从微乎其微到约 35% ( Williamsburg 桥) ” 1 主缆索股钢丝防止主缆钢丝腐蚀是从原材料精练和钢丝产品 生产开始的 ,需要用良好的生产工艺和有效的质量控制程序来生产满足化学 、 物理特性要求的最终钢丝产品,还需要将材料中的杂质降到最少,因为杂质 会导致腐蚀加速或钢丝破断用于主缆钢丝生产的钢材可以用平炉法或电炉 法生产原材料加工流程包括将炉中的高温钢水浇入固定式的铸模 ,重新加热并轧制成钢坯,并进一步轧制形成钢盘条( 圆钢) , 然后拉拔成成品钢丝也 可以从炉中直接加工( Strand-Cast Method) ,无需重新加热 在上述两种方法中, 能去除很多杂质和废料,减少引起原料钢丝加速腐蚀的杂质和有害材料 用于桥梁缆索钢丝的化学成分通常控制在下列 范围内 :碳 : 0. 75- 0. 85% 锰: 0. 55- 0. 75%磷 : 小于 0. 04%硫: 小于 0. 04% 现代悬索桥中, 所有主缆用钢丝都是采用高强镀锌钢丝。

镀锌可通过热浸锌或电镀法进行( 多采 用热浸锌法) 用于平行钢丝索股系统的镀锌钢丝的镀锌量为 200 g m2、 300 g m2和 600 g m2,其中 300g m2最常见2 索缆腐蚀因素桥梁索缆腐蚀可分为均匀腐蚀 、 凹痕腐蚀 、 裂缝 腐蚀、应力腐蚀、氢裂化和疲劳腐蚀 悬索桥主缆钢丝的腐蚀与具体的桥梁防护情况和当地的环境条件 密切相关,也与索缆生产过程、索缆钢丝的搬运和储存 、 水上运输 、架设程序、缠丝程序和缆索防腐层的养护密切相关 与索缆腐蚀机理相关的其它因素包括湿度 、粉尘 、 氧气含量 、 酸碱度 、 钢丝应力( 包括荷载应力和残留应力) 、 空气盐含量等等 这些因素直接影响悬索 桥使用寿命和运营期间维护成本3 防腐措施目前世界各地悬索桥主要采用如下的 3种主缆防护措施: 圆钢丝缠绕涂层法( 19 世纪 40 年代早期由 JohnReobling 开发) ;合成护套防护法( 20世纪60 年代早期由Bethle-hem 钢铁公司和 Du Pont 化学公司开发) ;缠绕 S 形钢丝和除湿法( 由日本开发) 3. 1 圆钢丝缠绕涂层法John Roebling 首先在 Pittsburgh 桥上采用圆钢丝 缠绕涂层法保护悬索桥主缆。

该方法由主缆上的防腐油脂和防腐层上的软质退火横向缠绕钢丝组成 横向缠绕钢丝直径一般 Υ 3. 5 ～ 4 mm 之间 缠丝机沿索股轴线均匀移动 ,用约 150N mm2的应力将钢丝紧密缠绕在主缆钢丝外面 整个主缆的防腐系统由 内层的镀锌、 防腐油脂、 镀锌缠绕钢丝和外层缠绕钢丝上的油漆涂层共同组成( 图 1) 这种方法的防腐机理 ,和其它防腐方法一样 ,主 要是将渗入主缆内部的水分最小化 自20 世纪 40 年代以来 , 红铅膏被广泛应用于 悬索桥的防腐油脂层 ,它是铅氧化物( Pb3O4) 和亚麻油按一定比例( 常用的比例为 95 %的红铅和 5%的亚麻油) 混合而成,在实际使用中需使之保持不固化 状态 但是红铅膏对环境有污染同时对防腐工人有轻微毒副作用 美国的许多悬索桥如 Brooklyn 桥( 1883) 、Williamsburg 桥( 1903) 、旧金山 Oakland Bay 桥( 1936) 、 Golden Gate 桥( 1937) 和 Chesapeake( 1973)都采用红铅膏作为防腐油脂层 遗憾的是 ,近年来这些桥的检测都表明主缆有腐蚀的迹象 检测中发 现红铅膏层固化并开裂了 。

干裂的红铅膏不仅不能防止水分渗入主缆 , 其多孔组织还能将渗入的水分 锁紧在钢丝表面并能起贮水槽的作用阻止渗入的水分流出 ,贮存在里面的水分加速了钢丝的腐蚀显然,受损的红铅膏防腐层起到了与原来设计相反的 作用红铅膏防腐层出现以后, 一些项目中又采用了其它的几种油脂防护层包括富锌油脂 、 锌氧化物油脂等, 这些防护层没有红铅膏毒副作用和环境 污染问题 , 并能长期保持不固化状态 虽然这些油脂层还没有广泛的用于悬索桥主缆的防护, 与红铅膏防护层相比,它们已引起了业界的广泛关注 当采用圆钢丝缠绕涂层法时,应注意以下几点 : ( 1) 红铅膏应均匀的敷设在主缆钢丝的表面 2) 红铅膏和选用的油漆应可共存 ,防护时一些红铅膏可能会在外层钢丝缠绕期间慢慢渗出外层 3) 外部油漆层应有高耐久性和高柔韧性的特点 防止主缆在动载作用下油漆层开裂采用该方法防护的悬索桥主缆都存在不同程度的腐蚀有限的检测资料表明, 这种方法在有的桥上很有效,但在有的桥上却防腐失败了虽然主缆钢丝腐蚀在主缆沿线都有发生, 但腐蚀最严重的是主缆索夹处 ,这个地方钢丝应力最大 ,外层防护最容易开裂 水分很容易顺着索夹处防腐层裂纹渗透到 主缆内部。

图 2是日本一座悬索桥主缆开放检验的情况圆钢丝缠绕涂层法防护法 ,是国内悬索桥主缆目前最常用的防腐方法,从以往的经验来看,涂层的干裂以及空缆时缠绕的圆钢丝缠绕层在恒载、动载作用下的裂缝是防腐失败的主要原因要很好解决上述问题,需要考虑的是缠绕的钢丝在恒载和动载时不产生间隙,油膏涂层不能固化3. 2 合成护套防护法合成护套法在 60 年代早期发展起来的一种主缆索股防护方法 ,是圆钢丝缠绕涂层法的替代产品,常用的两种合成护套材料是合成聚氯丁橡胶缠包带 ( 日本明石海峡大桥, 1994 年和日本彩虹桥, 1998年) 和聚丙烯树脂防护带( 美国加州 Bidwell Bar 桥,1965年和New Port 桥 ,1968 年) , 这种方法采用连续的几层材料( 第一层采用尼龙带缠绕 ,其上涂Hypal-on 漆或者粘结剂 、 再用玻璃纤维增强的聚氯丁橡胶缠包带、或聚脂膜、聚丙烯树脂缠包带缠包) 均匀地包裹在主缆的外层Bethlehem 钢铁公司为 Narragansett 海湾桥准备的合成护套缆索防腐法标准工艺如下:( 1) 不需要在主缆表面涂任何油漆或软膏 ,使用Methyl Chloroform 清洁剂去除索股表面钢丝的污染 物 。

2) 将尼龙带螺旋形缠绕在压实的索缆上 ,并用玻璃纤维胶带缠包索夹 3) 两道玻璃纤维聚丙烯缠绕层是按比例将粘结剂配合并均匀的涂刷在尼龙带表面 ,在尼龙搭接处缠绕少量玻璃纤维丝 , 随后将玻璃纤维带( 厚度65第 4 期 李 闯 ,等: 悬索桥主缆防腐系统的现状分析 2. 5 mm) 螺旋形缠绕于主缆上, 搭接重叠 50%在层与层之间的胶带和外表面涂刷树脂 , 以确保胶带彻底湿润 重复该过程, 做两道玻璃纤维聚丙烯层,两层之间搭接处必须错开 ,并保证覆盖到索缆的所有部位护套还须延伸到索夹的空隙内 ( 4) 液态聚丙烯外涂层在第二道玻璃纤维聚丙烯缠绕层覆盖后, 立即将预先配制的聚丙烯涂料用刷子均匀的涂刷在索缆表面在索夹处用 Urethan泡沫填充, 保证索夹空隙被充分填满 第一层聚丙烯固化后 ,再做一道聚丙烯外层,第二道外层上表面需要做防滑处理 ,便于检修人员行走 Narragansett 海湾桥检测结果表明, 由于缠绕材料在动载情况下也会在搭接处产生渗水裂纹, 防护效果并不理想 加上该方法工序复杂 ,现场施工强度高 ,并没有在悬索桥建设中得到推广 。

3. 3 缠绕 S 形钢丝和除湿法20 世纪 90 年代早期 ,日本在对现存的几座悬 索桥( Innoshima 桥 , Ohnaruot 桥, Ohshima 桥和 SetoOhashi 桥) 进行检查中发现采用圆钢丝缠绕涂层法防护的主缆中存在大量的自由水, 钢丝已经严重腐蚀日本工程师试图采用其他方法防止水分进入大桥主缆得出结论应改进传统的圆钢丝缠绕涂层法的水密性, 并且需要尽量去除索缆架设期间钢丝内 聚集的水分 由此缠绕S 形钢丝和除湿法索缆防腐系统开始产生该方法采用断面为S 形的钢丝均匀地以螺旋状缠绕在主缆平行钢丝上( 图 3) 用这种断面的钢丝缠绕使得相邻两根钢丝之间的缝隙最小并在表面形成封闭的平面 日本 Hokkaido 发展公司的实验表明 ,在相似的荷载和温度变化下 ,由于 S 形钢丝位移 更小, S 形缠绕钢丝油漆层的裂缝相对于用圆形缠绕钢丝防护层的裂缝小而且少得多 日本近几年采用 S 形钢丝缠绕法防护主缆的悬索桥 如表 1表 1桥梁名称竣工时间 Hakucho 桥1998年 6 月 Kurushima 一桥1999年 5 月 Kurushima 二桥1999年 5 月 Kurushima 三桥1999年 5 月 Akimada 桥2000年 3 月除湿系统是为了解决主缆在施工架设期间索股中的水分残留以及索夹处的水分渗漏问题, 首次在 日本明石海峡桥上得到运用。

这种方法是将干燥的66 公 路 交 通 技 术 2003 年空气吹进成型索股的空隙中, 由干燥空气带走索股钢丝间的水分 这项技术运用之前, 日本针对如下问题在好几座现有桥梁上( 如 Honsha -Shikoku 桥) 做了相应试 验:( 1) 是否主缆的所有部位都能用流动的干燥空 气干燥;( 2) 干燥空气是否能从主缆表面钢丝干燥到主 缆内部钢丝;( 3) 主缆空气中相对湿度多大能防止镀锌钢丝的腐蚀; ( 4) 干燥空气的理想湿度为多少 ;( 5) 干燥空气是否需要将盐粒、 粉尘滤除 试验结果表明:( 1) 主缆所有部位用干燥空气都能充分干燥 ,即 使空气从主缆钢丝表面射入, 也能将内层钢丝的水分带走; ( 2) 主缆内部空气相对湿度低于 60% 就能很好的防止镀锌钢丝的腐蚀; ( 3) 空气射入点 140 m 范围内的主缆钢丝能被有效干燥 ; ( 4) 用于主缆的干燥空气的理想湿度应低于40%; 并需要改进覆盖外层材料的透气性能 ; ( 5) 盐粒 、 粉尘应从干燥空气中滤除明石海峡大桥干燥系统( 图 4) 每间隔 140 m 设 一个干燥空气射入点, 射入空气压力为 3 KPa, 干燥空气湿度小于 40%。

缠绕 S 形钢丝和除湿是近年才出现的新方法, 国内悬索桥还没有采用4 索缆防腐系统检测与研究美国对早期修建的几座悬索桥进行了详细的主缆开放检测 ,检测结果表明主缆钢丝的腐蚀相当严重 部分桥梁主缆钢丝断面损失较大 ,在索夹处甚 至发现了破断的钢丝 常见的情况是外层钢丝腐蚀严重, 越往内层, 腐蚀逐渐减少 但是美国大量的悬 索桥( 包。