国内外斜拉桥拉索水密性试验对比研究

□文/闫云友 李华萍 黄芳玮 周俊文

斜拉桥因造型美观、类型丰富，从20 世纪80 年代开始得到广泛应用，特别是从20 世纪90 年代开始，越来越多的大跨度斜拉桥相继建成。目前斜拉桥主跨已超过1 000 m，一些大跨径斜拉桥已经成为所在城市或地区的标志性建筑。但构成斜拉桥关键元素的拉索系统相关标准研究和制订在我国才刚刚起步。

作为桥梁的承重构件，拉索的耐久性关系到桥梁的使用寿命，拉索因结构特点，与桥梁的连接很难做到密封，从而导致部分梁端预埋管出现积水现象，使得下端锚具长期处于潮湿环境中，如果拉索体系中的锚具结构密封性能不过关，水或湿汽很容易侵入锚具内部，在组成拉索索体的钢丝或钢绞线周围形成易腐蚀环境，给桥梁安全埋下隐患。近年来，在拉索失效造成的桥梁事故中，很大部分就是梁端预埋管进水导致拉索腐蚀造成的。

随着技术的发展及国家对质量的重视，已从源头入手，在斜拉索标准编制时参考国际规范引入拉索水密性试验要求，为斜拉桥拉索设计及产品性能检验提供参考依据。

1 国内外斜拉索规范发展现状对比分析

1.1 国际

目前，国际斜拉桥项目设计使用的斜拉索规范有3个，最早编制斜拉索规范的是美国，1986年美国后张技术协会出版了第一版有关斜拉桥拉索的设计、试验及安装推荐性规范“Recommendation for stay cable design, testing, and installation”[1](以下简称PTI 规范)，之后根据斜拉索材料及技术的发展，每隔3～7 a 对标准进行修订，到2018年，已修订6次，

继美国之后，1997年法国预应力技术委员会成立了工作组，对斜拉桥拉索技术问题展开研究并建立了类似预应力体系实施的批准程序。该工作组总结了过去三十年法国和其他国家斜拉桥（包括法国诺漫底大桥）的建设经验，起草了斜拉索系统的设计、鉴定和实施建议“Cable Stays Recommendations of French Interministerial Commission on Prestressing”[2](以下简称CIP 规范)，该规范于2002 年6 月出版发行，其内容包括：

第一部分（第2～8章）：主要回顾关于斜拉桥的科学知识，采用手册形式编写，供设计人员参考；

第二部分（第9～10 章）：描述当时常用的斜拉索体系并对拉索的耐久性技术提出建议；

第三部分（第11～13 章）：是CIP 规范要求的斜拉索体系批准与实施的基准；

第四部分（第14章）：提出了斜拉索体系极限状态的设计规则。

2004 年4 月，由国际结构混凝土联合会（fib）编写的 第30 号 公 报（Bulletin No. 30）“Acceptance of Stay cable Systems Using Prestressing Steels”[3](以 下 简 称fib2005)获得批准并于2005 年1 月出版发行。fib2005只适用于斜拉桥，其在参考了PTI 规范2001 年修订版和CIP 规范的同时，还参考了大量标准和斜拉桥拉索相关的论文。

2018 年，fib 新成立了拉索规范编写任务组，在fib2005基础上对规范进行了更新升级，新的规范名称不变，但编号更改为fib bulletin 89[4]并于2019 年3 月正式出版发行(以下简称fib2019)，与fib2005 不同的是，fib2019 增加了矮塔斜拉桥拉索产品，以大篇幅分别对斜拉桥和矮塔斜拉桥应用的拉索系统和鞍座系统的疲劳试验和水密性试验作了规定，同时对安装减振装置的拉索现场振动检测试验提出了要求。

上述三大国际规范中，CIP规范涉及的内容最广，但因当初的任务组是在规范编写时成立的，规范出版后，任务组不复存在，因此第一次出版发行后，没有再组织修订；然而，因该规范内容全面，在国外很多斜拉桥项目设计中，一直被引用为拉索产品设计及验收的项目规范。

1.2 我国

纵观斜拉桥技术的发展历史，中国斜拉桥的起步比国外晚20 a，因而对斜拉桥拉索标准的研究与制订也相对滞后。

20 世纪90 年代开始，热挤聚乙烯护套高强钢丝拉索在我国斜拉桥建设中得到广泛应用，随着南浦大桥、杨浦大桥等大跨度斜拉桥的相继建成，高强钢丝斜拉索技术趋于成熟，在总结实际应用的基础上，由交通部重庆公路科学研究所负责起草了交通行业标准[5]，该标准填补了当时国内空白，在斜拉桥设计、施工中得到广泛应用，对规范钢丝拉索使用的高强钢丝材料性能、拉索锚具性能及成品索的制备和检验起到了积极作用。

2001年，在文献［5］实际应用的基础上，结合我国交通行业技术的不断发展并借鉴国内外最新技术，将交通部标准上升为国家标准[6]，标准规定了斜拉桥用热挤聚乙烯高强钢丝拉索的规格型号、技术要求、检验规则、试验方法和标志、储存及运输等通用技术条件，适用于斜拉桥；悬索桥，中、下承式拱桥及其他结构的索构件亦可参照使用。

组成拉索索体材料钢丝强度的提高和架桥技术的发展，为大跨度和超大跨度斜拉桥的设计和建造提供了有利条件，2010 年3 月25 日，中交公路规范设计院有限公司牵头起草的关于大跨度斜拉桥平行钢丝斜拉索的标准[7]由交通运输部发布，同年7 月1 日实施。该标准主要定位为跨度＞400 m 的斜拉桥，规定组成斜拉索的钢丝直径7 mm，强度等级1 770 MPa，与文献［6］相比，在拉索疲劳性能方面的要求有所提高并增加了拉索水密性试验要求。

2018 年6 月，GB/T 18365—2018 标准的修订版发布，在文献［5］基础上，增加了锌铝合金镀层钢丝、高强钢丝强度级别、材料试验方法、拉索水密性试验等内容，因内容的升级，标准名称亦升级[8]，适用于斜拉桥用热挤聚乙烯钢丝拉索的生产、检验和使用，删除了“悬索桥，中、下承式拱桥及其他结构的索构件亦可参照使用”的描述。

随着国内斜拉索技术的不断发展，因钢绞线斜拉索体系在产品运输、拉索安装、拉索整体防腐等方面的优势，得到越来越多设计者推崇，但多年来，我国没有钢绞线斜拉索体系标准，在斜拉桥设计中要么参考已有的钢丝拉索标准，要么参考国外规范，制约了钢绞线斜拉索的发展。为了适应设计需求，交通运输部于2009 年发布了交通行业标准[9]，该标准由威胜利工程有限公司和北京建达道桥咨询有限公司起草，编写虽然参考了fib 规范，但拉索结构图及附录中斜拉索锚具主要技术参数表均以威胜利（VSL）公司产品为蓝本，拉索索体材料规定“制作斜拉索的无粘结钢绞线宜选用镀锌钢绞线或光面钢绞线”，而我国斜拉索广泛采用的环氧涂层钢绞线没有列入选择范围，因而，有一定的局限性。

为了适应并推动我国钢绞线斜拉索技术的发展，国家标准化管理委员会下达的2008 年第三批国家标准修订计划的通知(国标委综合[2008]154 号)，计划编号0081754-T-605 将国家标准《钢绞线斜拉索技术条件》列入制定计划，由全国钢标准化技术委员会归口管理，柳州欧维姆机械股份有限公司和同济大学负责主编工作，根据该计划编制的标准[10]于2014年6月24日发布，2015 年4 月1 日实施。该标准的编制参考了国际三大规范对钢绞线拉索的技术要求，结合我国国情对斜拉桥钢绞线拉索的术语和定义、符号和说明、拉索结构、技术要求、拉索产品验收检验、标志、包装、运输及贮存、拉索防腐与防护、拉索安装、拉索更换和拉索的检查作了规定，适用于采用单根PE 防护钢绞线作为受拉构件的斜拉桥钢绞线拉索的设计、试验与安装。

2 国内外斜拉索水密性试验对比分析

2.1 国际

国际斜拉索规范PTI、fib2005 和CIP 均对拉索产品提出了水密性试验要求，但存在较大的差别，见表1。

CIP规范规定的拉索水密性试验安装和试验过程原理见图1和图2。

表1 国际斜拉索规范对拉索试件水密性试验要求

图1 CIP规范水密性试验安装

图2 CIP规范水密性试验原理

如前所述，fib2005 已进行了更新，在水密性试验方面，fib2019除保留了斜拉索锚具的水密性试验要求外，还对矮塔斜拉桥拉索应用的锚具系统和斜拉桥及矮塔斜桥应用的鞍座系统提出了水密性试验要求，见表2；规范规定的水密性试验安装和试验过程原理见图3和图4。

表2 fib2019对拉索和鞍座系统水密性试验要求

图3 fib2019规范水密性试验安装

图4 fib2019规范水密性试验原理

由表1 可以看出，PTI 规范要求拉索试件在完成疲劳试验后再进行水密性试验，试件在≮3 m 水头的染色水中浸泡96 h，属于静态水密性试验，试验过程中，对试件不施加拉力，拉索试件的规格没有明确规定，试验周期短。fib 和CIP 两规范都要求对拉索试件进行动态水密性试验，对拉索的规格有明确要求，试验周期长，在试验过程中，还要对水进行8个周期的加热-冷却循环，在整个试验周期内，分别在室温和高温状态下进行拉索偏摆循环，但两规范对水密性试验装置的安装方法、试验过程和技术要求存在差别，按其中一个规范对拉索产品进行试验，不能覆盖另一规范的试验要求。

由表2 可以看出，更新后的fib2019 在fib2005 对拉索系统的水密性试验基础上，增加了鞍座系统的水密性试验，而且根据斜拉桥拉索和矮塔斜拉桥拉索两种不同的应用，对锚具系统和鞍座系统提出了不同的试验要求，其中矮塔斜拉桥拉索在水密性试验中无需进行4×250次偏转循环运动，而是在锚具下或鞍座下增加10 mrad(0.6°)斜垫板模拟施工过程中的安装误差对密封性能产生的影响，拉索试件规格同样为≮27根直径为15.7 mm的钢绞线。

2.2 我国

2.2.1 钢丝拉索

因交通部标准［5］和由其上升而成的国家标准［6］编制较早，均未对拉索的水密性提出试验要求。

随着国际间技术交流增加，中国越来越多的建桥企业参与国际桥梁工程建设，对国际斜拉索规范的研究越来越深入，给合国内斜拉桥拉索防腐失效案例中梁端预埋管积水情况，对拉索体系过渡段的密封问题有了较为系统的研究，近年来，我国在斜拉桥拉索标准编制过程中，参考国际规范对拉索的水密性提出了要求。

文献［7］和文献［8］对拉索分别规定了静态和动态水密性试验，见表3。

表3 文献［7］和文献［8］水密性试验要求

静态水密性试验方面，文献［7］要求从经轴向疲劳试验后的3 根斜拉索中取1 根做试验，文献［8］要求选取经疲劳试验后的拉索中的1 根做试验；静止后将斜拉索取出，解剖索体及锚具的连接部位，目测有无进水现象，此试验方法参考了美国PTI 规范的水密性试验要求。

动态水密性试验方面，文献［7］在试验拉索生产过程中，在斜拉索钢丝与高强聚酯纤维带之间、护套与密封填料之间及护套与热收缩套之间放入试纸，参考了CIP 规范的试验方法，但在250 次横向偏转运动中，不是规定横向偏转角度1.4°（25 mrad），而是规定横向位移200 mm。而文献［8］没有在拉索内部设置试纸的要求，试验过程参考fib2005 规范的试验方法，但试验方法的描述不是很清晰且在拉索动态水密性试验装置示意图的说明中，水温范围为20～70 ℃，轴向千斤顶加载循环的荷载范围为0.2Pb∼0.5Pb，与试验方法描述的水温20～60 ℃和轴向循环荷载0.2Pb∼0.45Pb不一致，希望标准下次修订时能完善试验方法的描述及统一水温和轴向循环荷载范围。

2.2.2 钢绞线拉索

文献［9］参照fib2005 对拉索锚具组件提出了水密性试验要求，而文献［10］则参考CIP 规范对拉索锚具组件提出了水密性试验要求，见表4。

表4 文献［9］和文献［10］对拉索水密性试验要求

结合表1 和表4 可以看出，文献［9］水密性试验程序和过程完全参考了fib2005 规范，只是试验循环水温上下限有所降低，但温差不变。而文献［10］则等同采用了CIP 规范的水密性试验要求，试验拉索倾斜30°安装，模拟了实际拉索的使用状态，而且拉索试验周期长，拉索横向运动（偏转运动）的频率低、水温循环时间长，更能考验拉索体系过渡段的密封性能。拉索作为斜拉桥的生命索，严格的技术要求是工程质量的有力保证。

3 结 语

我国拉索标准对水密性试验要求存在的主要问题：

1）国际三大斜拉索规范对水密性试验要求各异，我国在制定标准过程中，由于各标准主要起草单位不同，其对标准的理解存在差异，在标准编制中参考的国际规范也不一样，虽然不同的标准给设计提供了更多的参考选择，但各标准对拉索产品水密性试验要求不同，则导致根据不同标准要求需对产品性能进行重复性验证而浪费资源，加大生产企业运营成本；

2）在激烈的市场竞争中，拉索产品存在严重的仿制现象，一些不具备独立研发能力的企业拿到知名企业的产品样册进行仿制，虽然生产出的产品外观一样，但因对关键技术的不理解，产品的密封性很难达到标准要求。

针对上述问题的建议：

1）标准归口部门在标准编制或修订过程中，组织拉索领域的专家对标准关键条款进行深入研究和讨论，统一并提高拉索产品水密性试验要求，简化设计人员对标准的选择，减少生产企业产品水密性试验的重复性验证；

2）统一并提高标准水密性试验要求，有效淘汰不具备研发能力的企业涉足斜拉桥拉索领域，以确保桥梁拉索体系的安全性与耐久性，从而保证桥梁安全。□■