在役老悬索桥主缆的检查与评估状况介绍
2018-05-21
前言
这座悬索桥总长914.4米，主跨455.7米，边跨228.6米，共2根主缆，每根主缆由6080根镀锌钢丝组成。紧缆后主缆的直径为425mm，主缆长度约为1000米。主缆的架设开始于1929年12月2日，架设工期近3个半月，在索夹安装之前，清洁主缆表面，并涂装红铅底漆。索夹安装后，其接缝采用含红铅的填充材料进行密封。所有钢结构完成后，两个索夹之间的主缆表面用红铅腻子填缝，并采用镀锌软钢丝进行缠绕,缠绕后主缆整体采用三层铅及油性涂料进行涂装。
二、检查及评估过程介绍
该悬索桥1930年建成，1969年进行第一次开缆检查。到了2003年为止，全部检查可分为4个阶段：第一次开缆检查、小范围的详细开缆检查、大范围的深入检查、采取防腐措施后检查。
（一）初步开缆检查（1969年到1986年）
鉴于以上情况，决定在主跨跨中位置一侧主缆，打开2米长度范围内的缠绕钢丝，打开缠绕钢丝后先检查主缆表面状况，选取了主缆上面、下面及两个侧面4个均布于主缆圆周的点，，打入木楔子以楔开主缆进行内部的深度检查，木楔子的楔入深度为50mm到75mm。结果显示，4个位置都存在白锈，其中3个位置存在棕色锈蚀，但是内部没有发现断丝的情况，检查发现，锈蚀主要集中在圆周的2点钟方向和9点钟方向，此位置锈蚀最严重的钢丝已经完全发黑。检查中也发现主缆外表面的红铅涂层已经干裂、脆化，很容易脱离钢丝表面。
在完成以上检查后，对该阶段主缆进行重新缠绕，但在缠绕过程中，在缆圆周4点钟方向的一根外层主缆钢丝发生断裂。通过进一步检查钢丝断口，发现断口钢丝截面的50%出现黑色锈蚀，另一半50%的截面洁净，并且呈脆断状态,钢丝的黑色锈蚀的表面面向主缆截面的中心。为了进一步掌握此处钢丝的情况，沿着主缆圆周方向的其他5个位置各取了1.7米长度的钢丝，在实验室进一步的观察分析。在以上检查中发现在主缆缠绕钢丝以后的涂层上有沿着圆周方向的开裂。
（二）小范围的详细开缆检查（1987年-1989年）
1987年到1989年检查首先选取了5个无索夹区的位置，选取不等的长度（长度均不小于2米）进行去除缠绕钢丝后的主缆检查。检查方法与前面相同，但楔子的楔入深度增加到为60～150mm。另外，选取了2个索夹区的位置，拆掉吊索和索夹，进行主缆状况的检查。本次检查结果表明，最严重的钢丝腐蚀和劣化发生在主缆圆周的下半部分。在该部位，许多内层钢丝也发现了锈蚀。在主缆的底部，内层钢丝锈蚀导致的直径损失达到0.38mm，而可以测量到的主缆钢丝的平均直径损失为0.13mm，钢丝表面最大的凹坑深度达到0.76mm。钢丝的锈蚀既有镀锌表面的微小氧化，也有伴随着黑色锈蚀物锈蚀凹坑，锈蚀凹坑导致了主缆钢丝的有效截面的损失。在主缆内部和表面都有钢丝断丝现象，但断丝均发生在主缆木楔楔入或者重新缠绕钢丝的作业过程。通过对钢丝断口的研究，发现断口均有应力腐蚀的特征，
此次锈蚀的位置特征也同第一次打开发现的锈蚀一样，主要集中在主缆的下半部分的钢丝的上半个表面。说明在主缆的下半部分，钢丝之间滞留了大量的湿气和水分。从主缆上拿下的断裂钢丝的断口组织分析表明，断裂失效主要为应力腐蚀断裂。通过对锈蚀样品的分析，发现存在大量的硝酸盐，硝酸盐可能会加剧主缆钢丝的锈蚀，因此，对主缆涂装材料的选型中需要注意硝酸盐的含量。
（三）安全系数的评估、防腐措施应用以及后期的检查（1998年到2004年）
这次评估采用比较比较保守的推算评估法，具体如下：(1)根据现场检查结果，以主缆内部钢丝断裂最严重的节段模型检查出的断裂钢丝占主缆截面上全部钢丝的比例计算作为全桥主缆钢丝的减少量。按照以上方法计算，本桥主缆钢丝的理论减少量为222根钢丝；(2)假设222根钢丝在3个主缆节段模型中的不同位置失效，需要再减少444根钢丝；(3)主缆底部圆周最外三层钢丝虽然没有全部断裂，但鉴于其严重的锈蚀状况， 被认为已经全部失效，不再承担荷载，需要去除414根钢丝；(4)去除断裂钢丝和主缆底部严重锈蚀的，假设剩余钢丝的最大抗拉强度也从1480MPa降到1311MPa，强度损失了11%。根据以上预估，该项目主缆的安全系数为3.0，比原来的安全系数降低了22%，初步认为该桥主缆在短期内是没有危险的。但对主缆采取了以下修复措施：（1）利用木楔子打开主缆，在主缆里面尽可能多地注入了油性防腐材料；（2）在主缆外表面采用红铅涂料涂装。
采取以上修复措施后，以后每隔5年对主缆进行打开检查，以验证采取的防腐措施是否有效。1998年7月，该项目选取10个上次检查位置附近的主缆节段，再次打开检查，检查结果如下：(1)索夹之间的主缆没有发生进一步的锈蚀，状态较好；(2)主缆倾斜较大的节段主缆钢丝处于较好的状态； (3)在红铅涂层已经干裂，部分剥落；(4)此次没有在主缆的下半部分发现水分或者潮湿的现象；(5)主缆上半部分比较干燥；(6)从表面看，明显的腐蚀已经得到控制，但是由于打开的主缆节段数量有限，不能得出绝对的绝论；(7)主缆钢丝的断丝率并没有明显的增加。到了2003年，选取11个主缆阶段进行拆除缠绕钢丝后的检查，检查结论如下： (1)上次修复中采取的防止水分渗入主缆的红铅涂料涂装的措施没有取得预期的效果，部分打开的主缆中仍然发现有滞留的水份；(2)以前使用红铅被发现脆化和干裂，因此拟采用弯曲柔性较好的富锌漆来代替红铅；(3)加入的油性防腐剂主要集中在主缆的下半部分，发挥了预期的防腐功效。(4)腐蚀的速度已经减慢，但采取红铅涂料的表面涂装的方式没有完全阻止水分进入主缆内部。在此次检查之后，再次加入了油性防腐材料，并对主缆表面进行涂装，以延展性和柔韧性较好的富锌漆来代替容易开裂的脆性的红铅涂料。
三、结语
最后，结合国内的悬索桥的情况，笔者认为对于主缆安全性的评估，需要结合每个桥梁工程的原设计参数，进行具体分析。我国目前的悬索桥主缆钢丝的直径相对较粗（一般在5.2mm到5.4mm之间），同样程度的锈蚀在钢丝整个有效面积中所占的比例较小,但我国主缆的设计的安全系数偏小，在主缆发生断丝和锈蚀后，主缆剩余的安全系数需要系统评估。
参考文献:
Evolution OfParallel Wire Cable Condition Assessment –A Case Study ，Barney T. Martin Jr.1
