高耐候悬索桥主缆密封防护系统

商汉章*，白华栋，刘伟，张亮，师华，房志安

（中航百慕新材料技术工程股份有限公司，北京 100095）

【涂装】

高耐候悬索桥主缆密封防护系统

商汉章*，白华栋，刘伟，张亮，师华，房志安

（中航百慕新材料技术工程股份有限公司，北京 100095）

分析了目前悬索桥主缆密封防护技术的优点和不足，提出了一种高耐候悬索桥主缆柔性密封防护系统，通过抗裂纹性、气密性、抗老化性试验和变形量测试证明了其具有优异的柔韧性、抗大变形性、长期气密性和耐老化性，便于维修维护，可为悬索桥长期正常使用提供可靠的保障。

悬索桥；主缆；防护；柔性密封防护；耐候性

First-author's address： AVIC New Materials Technology and Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100095， China

俗话说“要致富，先修路”，我国经济蓬勃发展的背后便是我国基础以及路桥建设的飞速发展。随着桥梁事业的飞速发展，尤其是近10多年的发展，我国已成为世界范围内举足轻重的桥梁大国。

悬索桥是现代桥梁技术要求最高的桥型，而其主缆设计及防护是整个桥梁的重中之重。主缆被称为“悬索桥的生命线”，因其在桥梁设计生命周期内是不可更换构件，作为主要承力结构，直接关系到整座桥的使用寿命。

国外研究表明，使用超过30年的悬索桥出现了多种腐蚀防护问题。1996年美国对纽约地区的桥梁主缆进行了详细的开放性检测，发现主缆钢丝的锈蚀相当严重［1-2］。传统的主缆保护系统──Roebling并不能完全防止腐蚀，仅能延缓腐蚀的速率。再加上新的大跨度悬索桥主缆的设计安全系数较小，更加重了其对腐蚀的敏感度。

日本从1994年开始研究送风干燥系统，即采用高气密性材料包覆，缆索内部吹入干燥空气防腐，并首次应用在濑户桥上。通过研究多座采用送风干燥系统防护主缆的桥梁发现，干空气除湿是有效的，但它运行的经济性和方便性需改进［3］。根据该系统，国内发展了 S型钢丝的柔性涂料体系。以润扬长江公路大桥为例，其涂装方案［4］采用的S型缠丝外防护体系为200 μm的涂层。一旦涂层出现老化或其他原因引起涂层开裂，可能会对主缆的防腐带来不良影响，使除湿系统不能完全发挥其功效。

在欧美，较新的钢丝表面防腐防护技术是由 D.S. Brown公司发明的缠包带防护体系（Cableguard™Elastomeric Wrap System）。这种技术也是从缠丝外层防护层入手，用具有更高韧性及强度的高分子保护层在主缆表面形成高分子套筒，同样增加了空气逸出的阻力，减少内部空气泄漏。但该系统在国内的大型悬索桥主缆防护中还没有实际应用案例，实际效果有待考察。另外，此种物理屏蔽防护方案一旦出现破损或穿刺，必须及时进行修补。在海洋环境和大气腐蚀相当严重的区域需特别关注。

本文提出了一种高耐候悬索桥主缆密封防护系统（以下称为“柔性密封防护体系”），是由北京航空材料研究院根据国内已成功应用的主缆防护系统，并结合柔性涂料防护系统的实际使用情况而开发、改进和完善的防护系统。

1　柔性密封防护体系

柔性密封防护体系是在已有密封防护体系成功应用的基础上，本着可靠、成熟技术延伸升级、创新的原则，考虑S型缠丝及除湿系统的使用趋势，弥补日本柔性涂层体系不足，结合润扬长江大桥、泰州长江大桥实际运行中存在的问题［5］加以改进完善而研制的创新体系，来满足主缆长寿命防护需求。该防护体系满足JT/T 694-2007《悬索桥主缆系统防腐涂装技术条件》的要求，具体情况见表1。

表1　原有刚性防护体系与柔性密封防护体系涂装厚度Table 1　Layer thicknesses of the original inflexible protection system and flexible seal protection system

2　柔性密封防护系统的特点

2. 1柔韧性

原有的刚性涂层体系使用的是环氧云铁底漆，脆性相对较大，在使用过程中存在开裂的风险，如果底漆开裂，相应聚硫胶的部分也可能会产生裂纹，降低了聚硫胶的防护厚度，对防腐性能产生不利的影响。而柔性密封防护系统用柔性环氧防锈底漆代替原有的环氧底漆，柔性氟碳涂料代替传统的氟碳涂料；相比日本的 S型缠丝系统，在中间增加了一层聚硫胶，明显加大了防护层厚度，即使钢丝在制造和施工中有一些缺陷，也可给予很好的防护。图 1对比了刚性涂层和柔性密封防护体系的抗裂纹性，从图中可见刚性涂层体系在弯曲情况下环氧云铁底漆出现裂纹，并且聚硫密封胶也随之出现裂痕，而柔性密封防护系统未出现类似情况。

图1　原有刚性防护体系和柔性密封防护系统的抗裂纹性对比照片Figure 1　Photos showing the comparison of cracking resistance of original inflexible protection system and flexible seal protection system

2. 2抗大形变性

深入到更为具体的主张，我们曾经概括，作为孔子理想人格与社会建构一部分的武德思想，至少具有以下两个基本点：第一，周文统摄下的先“文”后“武”、“文”优于“武”；第二，以“智”“仁”“勇”三达德为核心[6]。从大处着眼，“私淑孔子”的孟子在武德思想上与先师并无明显的龃龉。孟子提倡，在国家治理中，尤其是面向平民阶层，一定以“文”教、“文”化为优先：

悬索桥主缆特殊部位（如索夹环缝处）或者遇到极端天气时可能存在变形量较大的问题，有局部失效的风险。针对这种情况进行了如图2所示的试验，结果见图3。

图2　柔性密封防护系统变形量测试装置示意图Figure 2　Schematic diagram of the set-up for measuring deformation of flexible seal protection system

图3　变形量测试中各粘接点状态Figure 3　States of the connection points in deformation measurement

从图3可知拉伸变形比较大的边角部位即使在拉伸至3 cm的极端情况下，处理过的柔性密封防护系统都不会有开裂、密封失效的问题。

2. 3气密性

为保证主缆送风系统的有效运行，主缆的密封防护是最关键的环节，通过模拟送风的方式考察了柔性密封防护体系的气密性。如图 4所示，用镀锌钢管模拟主缆平行钢丝，其表面打孔，一端封堵并打眼，以利于空气流通。按设计要求涂装柔性密封防护体系后放置20 d，进行气密性试验。

图4　微型主缆模拟件气密性试验示意图Figure 4　Schematic diagram of miniature main cable simulator for air-tight test

通过气管连接主缆模拟件和精密压力表，变换压力以检验主缆模拟件的抗压性和气密性，初始压力分别为50、60、70、80和90 kPa，24 h后主缆模拟件都未发生压力减小的情况。工程上除湿空气的设计压力一般为4 kPa，在90 kPa高压下的试验结果足以证明柔性密封防护系统完全可以满足使用要求。

2. 4抗老化性

考虑到正常使用过程中遇到的高温和长期使用后的老化问题，通过高温加速老化的方式考察了本密封防护系统，按GB/T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》测试了老化前后的断裂伸长率和拉伸强度，结果如表2所示。

表2　常规刚性体系和柔性体系高温加速老化前后拉伸强度及断裂伸长率比较Table 2　Comparison of tensile strength and elongation at break for common inflexible and flexible systemsbefore and after accelerated aging at high temperature

为考察在实际使用过程中自然老化对柔性密封防护体系气密性的影响，分别设计了如下加速老化试验：

（1） 将主缆模拟件置于盐雾箱，经过1 500 h中等盐雾的加速老化试验；

（2） 将主缆模拟件置于紫外老化箱中，经过2 000 h的人工加速老化试验；

（3） 将主缆模拟件置于湿热试验箱中进行1 500 h的耐湿热性试验。

试验结束后再测试其气密性，发现老化后的主缆模拟件在压力70 kPa下保持24 h，都未发生压力减小的情况，说明本密封防护体系具有优异的抗老化性，能满足悬索桥主缆长期密封防护的要求。

2. 5 便于维修

一般桥梁大修的年限为10到15年，如需维修主缆密封防护系统，一般只需维修维护此密封防护体系的表面涂层，降低了难度，减少了费用。

3　应用实例

柔性密封防护系统中采用的柔性氟碳面漆已于2011年成功应用在宜昌公路长江大桥的主缆维修工程中［6］，经过3年多的实际应用（图5），涂层依然完好无损，无明显老化现象。

图5　柔性密封防护体系应用在宜昌公路长江大桥主缆上的效果Figure 5　Photos showing the flexible seal protection system applied to the main cable of Yichang Yangtze Highway Bridge编者注：图5原为彩色，请见C1页。

2014年本防护体系分别应用在武汉鹦鹉洲长江大桥以及浙江官山桥的主缆密封防护工程中（图 6），实际涂装效果良好，不但能为悬索桥主缆密封提供优异的保障，还具有良好的保光保色性能，为桥梁提供特殊的景观需求。

图6　柔性密封防护体系涂装效果Figure 6　Coating effect of the flexible seal protection system编者注：图6原为彩色，请见C1页。

4　结语

随着干燥空气除湿系统应用在悬索桥主缆防护工程上，主缆的密封性就更加重要。在我国应用最广泛的悬索桥主缆密封防护体系的基础上，克服日本密封技术暴露出的问题而研发出的高耐候悬索桥主缆柔性密封防护体系能够长期保证干燥空气除湿系统的良好运行，为悬索桥的正常使用提供可靠的保障。

［1］ 付春晓， 雷俊卿. 既有悬索桥主缆现状的检测与研究［J］. 世界桥梁， 2002 （4）： 70-74.

［2］ 王永强， 胡定成. 悬索桥主缆的锈蚀机理及其防护措施［J］. 国外桥梁， 2001 （3）： 41-45.

［3］ KITAGAWA M， SUZUKI S， OKUDA M. Assessment of cable maintenance technologies for Honshu-Shikoku Bridge ［J］. Journal of Bridge Engineering， 2001， 6 （6）：418-424.

［4］ 叶建良. 日本新日铁公司主缆防腐技术在润扬长江公路大桥南汊悬索桥中的应用［J］. 公路， 2006， 51 （1）： 21-24.

［5］ 商汉章， 白华栋， 刘伟， 等. 悬索桥主缆防护新技术及发展趋势［J］. 电镀与涂饰， 2012， 31 （9）： 71-74.

［6］ 商汉章， 师华， 马震， 等. 柔性氟碳在宜昌长江公路大桥主缆维修中的应用［J］. 涂料工业， 2012， 42 （11）： 64-66.

［ 编辑：杜娟娟 ］

Highly weather-resistant and flexible seal system for protecting main cable of suspension bridge

// SHANG Han-zhang*， BAI Hua-dong， LIU Wei， ZHANG Liang， SHI Hua， FANG Zhi-an

The advantages and disadvantages of the present seal protection technologies for main cable of suspension bridge were analyzed. A flexible seal protection system with high weather resistance and long lifetime was proposed. This flexible seal protection system is proved to have excellent flexibility， good resistance to large deformation， long-term airtightness， and excellent aging resistance， and is easy to maintain and repair by anti-cracking， air-tight， anti-aging tests and deformation measurement， being able to provide a reliable guarantee for its long-term use.

suspension bridge； main cable； protection； flexible seal； weather resistance

U448.25

A

1004 - 227X （2015） 06 - 0327 - 04

2014-11-21

2014-12-24

商汉章（1982-），男，河北保定人，本科，高级工程师，主要研究方向为桥梁和重防腐领域。

作者联系方式：（E-mail） shanghz0320@163.com。