在役老懸索橋主纜的檢查與評(píng)估狀況介紹
2018-05-21
前言
這座懸索橋總長(zhǎng)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(zhǎng)度約為1000米。主纜的架設(shè)開(kāi)始于1929年12月2日，架設(shè)工期近3個(gè)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(jìn)行密封。所有鋼結(jié)構(gòu)完成后，兩個(gè)索夾之間的主纜表面用紅鉛膩?zhàn)犹羁p，并采用鍍鋅軟鋼絲進(jìn)行纏繞,纏繞后主纜整體采用三層鉛及油性涂料進(jìn)行涂裝。
二、檢查及評(píng)估過(guò)程介紹
該懸索橋1930年建成，1969年進(jìn)行第一次開(kāi)纜檢查。到了2003年為止，全部檢查可分為4個(gè)階段：第一次開(kāi)纜檢查、小范圍的詳細(xì)開(kāi)纜檢查、大范圍的深入檢查、采取防腐措施后檢查。
?。ㄒ唬┏醪介_(kāi)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(cè)主纜，打開(kāi)2米長(zhǎng)度范圍內(nèi)的纏繞鋼絲，打開(kāi)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(gè)側(cè)面4個(gè)均布于主纜圓周的點(diǎn)，，打入木楔子以楔開(kāi)主纜進(jìn)行內(nèi)部的深度檢查，木楔子的楔入深度為50mm到75mm。結(jié)果顯示，4個(gè)位置都存在白銹，其中3個(gè)位置存在棕色銹蝕，但是內(nèi)部沒(méi)有發(fā)現(xiàn)斷絲的情況，檢查發(fā)現(xiàn)，銹蝕主要集中在圓周的2點(diǎn)鐘方向和9點(diǎn)鐘方向，此位置銹蝕最嚴(yán)重的鋼絲已經(jīng)完全發(fā)黑。檢查中也發(fā)現(xiàn)主纜外表面的紅鉛涂層已經(jīng)干裂、脆化，很容易脫離鋼絲表面。
在完成以上檢查后，對(duì)該階段主纜進(jìn)行重新纏繞，但在纏繞過(guò)程中，在纜圓周4點(diǎn)鐘方向的一根外層主纜鋼絲發(fā)生斷裂。通過(guò)進(jìn)一步檢查鋼絲斷口，發(fā)現(xiàn)斷口鋼絲截面的50%出現(xiàn)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(jìn)一步掌握此處鋼絲的情況，沿著主纜圓周方向的其他5個(gè)位置各取了1.7米長(zhǎng)度的鋼絲，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步的觀察分析。在以上檢查中發(fā)現(xiàn)在主纜纏繞鋼絲以后的涂層上有沿著圓周方向的開(kāi)裂。
（二）小范圍的詳細(xì)開(kāi)纜檢查（1987年-1989年）
1987年到1989年檢查首先選取了5個(gè)無(wú)索夾區(qū)的位置，選取不等的長(zhǎng)度（長(zhǎng)度均不小于2米）進(jìn)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(gè)索夾區(qū)的位置，拆掉吊索和索夾，進(jìn)行主纜狀況的檢查。本次檢查結(jié)果表明，最嚴(yán)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(nèi)層鋼絲也發(fā)現(xiàn)了銹蝕。在主纜的底部，內(nèi)層鋼絲銹蝕導(dǎo)致的直徑損失達(dá)到0.38mm，而可以測(cè)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(dá)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(dǎo)致了主纜鋼絲的有效截面的損失。在主纜內(nèi)部和表面都有鋼絲斷絲現(xiàn)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(guò)程。通過(guò)對(duì)鋼絲斷口的研究，發(fā)現(xiàn)斷口均有應(yīng)力腐蝕的特征，
此次銹蝕的位置特征也同第一次打開(kāi)發(fā)現(xiàn)的銹蝕一樣，主要集中在主纜的下半部分的鋼絲的上半個(gè)表面。說(shuō)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(yīng)力腐蝕斷裂。通過(guò)對(duì)銹蝕樣品的分析，發(fā)現(xiàn)存在大量的硝酸鹽，硝酸鹽可能會(huì)加劇主纜鋼絲的銹蝕，因此，對(duì)主纜涂裝材料的選型中需要注意硝酸鹽的含量。
?。ㄈ┌踩禂?shù)的評(píng)估、防腐措施應(yīng)用以及后期的檢查（1998年到2004年）
這次評(píng)估采用比較比較保守的推算評(píng)估法，具體如下：(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果，以主纜內(nèi)部鋼絲斷裂最嚴(yán)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(jì)算作為全橋主纜鋼絲的減少量。按照以上方法計(jì)算，本橋主纜鋼絲的理論減少量為222根鋼絲；(2)假設(shè)222根鋼絲在3個(gè)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(méi)有全部斷裂，但鑒于其嚴(yán)重的銹蝕狀況， 被認(rèn)為已經(jīng)全部失效，不再承擔(dān)荷載，需要去除414根鋼絲；(4)去除斷裂鋼絲和主纜底部嚴(yán)重銹蝕的，假設(shè)剩余鋼絲的最大抗拉強(qiáng)度也從1480MPa降到1311MPa，強(qiáng)度損失了11%。根據(jù)以上預(yù)估，該項(xiàng)目主纜的安全系數(shù)為3.0，比原來(lái)的安全系數(shù)降低了22%，初步認(rèn)為該橋主纜在短期內(nèi)是沒(méi)有危險(xiǎn)的。但對(duì)主纜采取了以下修復(fù)措施：（1）利用木楔子打開(kāi)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(fù)措施后，以后每隔5年對(duì)主纜進(jìn)行打開(kāi)檢查，以驗(yàn)證采取的防腐措施是否有效。1998年7月，該項(xiàng)目選取10個(gè)上次檢查位置附近的主纜節(jié)段，再次打開(kāi)檢查，檢查結(jié)果如下：(1)索夾之間的主纜沒(méi)有發(fā)生進(jìn)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(jīng)干裂，部分剝落；(4)此次沒(méi)有在主纜的下半部分發(fā)現(xiàn)水分或者潮濕的現(xiàn)象；(5)主纜上半部分比較干燥；(6)從表面看，明顯的腐蝕已經(jīng)得到控制，但是由于打開(kāi)的主纜節(jié)段數(shù)量有限，不能得出絕對(duì)的絕論；(7)主纜鋼絲的斷絲率并沒(méi)有明顯的增加。到了2003年，選取11個(gè)主纜階段進(jìn)行拆除纏繞鋼絲后的檢查，檢查結(jié)論如下： (1)上次修復(fù)中采取的防止水分滲入主纜的紅鉛涂料涂裝的措施沒(méi)有取得預(yù)期的效果，部分打開(kāi)的主纜中仍然發(fā)現(xiàn)有滯留的水份；(2)以前使用紅鉛被發(fā)現(xiàn)脆化和干裂，因此擬采用彎曲柔性較好的富鋅漆來(lái)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(yù)期的防腐功效。(4)腐蝕的速度已經(jīng)減慢，但采取紅鉛涂料的表面涂裝的方式?jīng)]有完全阻止水分進(jìn)入主纜內(nèi)部。在此次檢查之后，再次加入了油性防腐材料，并對(duì)主纜表面進(jìn)行涂裝，以延展性和柔韌性較好的富鋅漆來(lái)代替容易開(kāi)裂的脆性的紅鉛涂料。
三、結(jié)語(yǔ)
最后，結(jié)合國(guó)內(nèi)的懸索橋的情況，筆者認(rèn)為對(duì)于主纜安全性的評(píng)估，需要結(jié)合每個(gè)橋梁工程的原設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行具體分析。我國(guó)目前的懸索橋主纜鋼絲的直徑相對(duì)較粗（一般在5.2mm到5.4mm之間），同樣程度的銹蝕在鋼絲整個(gè)有效面積中所占的比例較小,但我國(guó)主纜的設(shè)計(jì)的安全系數(shù)偏小，在主纜發(fā)生斷絲和銹蝕后，主纜剩余的安全系數(shù)需要系統(tǒng)評(píng)估。
參考文獻(xiàn):
Evolution OfParallel Wire Cable Condition Assessment –A Case Study ，Barney T. Martin Jr.1
