大跨度悬索桥主缆病害成因及检查策略研究

曾 勇，周 静，谭红梅

(1. 重庆交通大学 山区桥梁及隧道工程国家重点实验室 重庆市 400074；|2. 重庆交通大学 山区桥梁结构与材料教育部工程研究中心 重庆市 400074)

※基金项目：国家自然科学基金项目(51908093)；重庆市留创计划创新类资助入选项目(cx2020117，cx2018113)；山区桥梁及隧道工程国家重点实验室开放基金(CQSLBF-Y14-3，CQSLBF-Y16-10) ；山区桥梁结构与材料教育部工程研究中心开放基金 (QLGCZX-JJ2017-5)

0 引言

主缆的使用寿命极大程度与悬索桥的安全度有着密切的联系，这个构件对悬索桥的结构起着重要的用处[1-2]。现如今，悬索桥的主缆在使用寿命期间检查中或多或少出现了腐蚀和损伤的现象[3-4]。在大多数失效的悬索桥中，可以发现其原因是主缆的全部或局部失效。悬索桥的吊杆堪比斜拉桥的拉索，主缆是悬索桥的关键构件，所以为了主缆的使用寿命得到保证需要采用更加小心的维护措施。由此可见，保证主缆的可靠度是十分关键的[5]。

与悬索桥的建设相比，悬索桥主缆相应的病害成因及检查策略研究还相对较少，有必要进一步对主缆进行典型病害分析及维修策略方面的相关研究[2,5-6]。此文在了解到近些年来主缆的研究现状的基础上，对主缆的各种失效原因进行了分析，并对主缆关键部位的常规检查以及维修保护进行关注，同时对于不一样的类型、不同程度的损伤以及病害现象，提出了相应的平常检查和保养的策略。

1 主缆的病害类型与产生原因

悬索桥在其运营使用寿命的时间段里，主缆的松动现象和桥面荷载作用的改变，会对主缆的外形产生一系列的改变，同时主缆外形的不断累计，到一定程度时便会对桥梁的可靠度产生影响[1]。由于主缆钢丝损伤情况的存在会对索股的受力面积和强度产生影响，便会使主缆的可靠度发生改变，当今悬索桥的主缆腐蚀造成的损伤现象备受人们的重点关注。实际桥梁所在特定环境下对主缆钢丝的锈蚀现象以及保护措施起着关键的作用，同时也影响着主缆的制造运营、安装架设、缠绕工序等步骤[6-9]。

现从主缆的病害类型进行阐述，并将其中危害较为普遍的病害原因机理进行分析，为后续的主缆检查内容提供依据。

1.1 病害类型

(1)主缆外表面出现破损(如裂纹、粉化、碎屑、针孔等)或钢丝出现锈蚀；外表涂漆可能出现气泡、针孔、孔洞、表面油漆老化、密封胶开裂等外观病害。

(2)主缆中的索股钢丝发生松弛、鼓丝和断丝的现象。主缆钢丝常见的病害形式有：应力腐蚀、凹坑、应力疲劳等。

(3)鞍罩密封门失效，密封门橡胶条老化。

(4)主缆的外部涂层发生起泡、开裂、脱起、粉化或生锈。

(5)主缆存在渗漏水现象。

钢丝的延展性与强度由于病害的存在而有所降低，当损伤进一步扩展，主缆的安全使用时间也会减少[3-8]。

1.2 主缆渗漏水原因

索夹在制造时其密封是无法保证的，这将会让主缆露出，水便会从跨中最低点或锚室淌出[6]。漏水情况主要有：

(1)主缆的保护层厚度是比较小的，自然的老化和脱落现象以及检测人员的行径都会对涂层造成一定程度的损伤。

(2)当局部缠丝缝隙太大，油漆涂层要完全覆盖上是有一定困难的。

(3)主缆底部油漆的锌粉膏黏度出现一定程度的改变。

(4)在缠丝缝处当主缆保护层出现不同程度的开裂时，涂层的表面便会存在粉化情况。当外涂层失效后，变形性能达不到原来的标准，对于主缆的变形是有害的。

(5)表面保护层由于有着很多大大小小的孔洞，当下雨以后，主缆外表面就会出现大部分水迹的点。

1.3 钢丝锈蚀原因

依照国内外对许多悬索桥的主缆的勘测状况的调研[9]，得出了主缆钢丝腐蚀损伤是施工以及使用途中的保护层的损伤，让雨水有机会进入并滞留而导致的。主缆保护层一旦出现损坏后，外部雨水和水汽的蒸发会进入到内部，同时大风的存在会使主缆外表面的水更快地进入损坏部位的缝隙。而且空气环境里存在着一定量的腐蚀性气体，主缆钢丝在这种环境下就会逐渐开始腐蚀，当腐蚀程度逐渐严重，就会影响桥梁的常规使用。

钢丝腐蚀的发生主要是因为高强度钢丝在一定的环境下出现了电化学反应。进入主缆的雨水顺着主缆外表面在自重的作用下向下流动，在遇到护套破裂的地方进入主缆内部。由于钢丝绳之间的间隙和主缆的振动，雨水继续沿着缆索中的间隙向下流动，最终汇聚到主缆跨的中部。空气中的氧、氯离子和二氧化硫会从破坏的位置进到主缆，从而让钢丝的腐蚀变得严重[10-11]。

保护套的保养是否得当对钢丝的损伤程度是有着密切关系的。而且钢丝腐蚀的两个显著特征：一是遵循“上轻下重”的原则，也就是说上部钢丝腐蚀比其矮的地方来说损伤的现象是较低的；另一种是保护套附近损坏的零件和损坏的附件往往是腐蚀较严重的零件。当主缆在一个比较高的位置且保护套未出现损坏时，主缆钢丝是基本不存在锈蚀的，甚至镀锌层的锈蚀也不容易发现[11]。

主缆钢丝腐蚀形式有以下几种情况：常见的情形有均匀腐蚀(也称为大气腐蚀)、坑蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、氢脆和疲劳腐蚀等[10]，有些时候也会出现电解质腐蚀的情形。钢丝腐蚀中以上的情况都曾出现过，当腐蚀累加到合适的程度就会发生脆断。

空气中的氯离子，它不仅在电化学锈蚀的过程中具有导电性能，同时它也具有催化剂的作用，即加速腐蚀反应的进一步发展[11]。让钢丝发生锈蚀的要素有许多，如有温度、相对湿度、年日照时数、粉尘、雨水PH值、污染物等。对外层镀了锌的钢丝而言，其外表有水的时间越长，其相对湿度也越高，环境的气温越高，腐蚀速度也会越高；雨水在金属开始腐蚀的时候会出现减速腐蚀发生的速度，但腐蚀一段时间后会使腐蚀速度加速[5]。

2 主缆的检查

主缆定期进行检查，可以把控主缆各阶段的承载力，可见主缆的定期检查是十分必要的。检查的内容包括主缆内外表面、环境状况、温湿度等方面。

检查主缆的保护漆。如果发现漆膜损坏或剥落，应清洗并进行重新涂漆。检查中如发现绕组线断裂、散落，应先检查主缆绕组线的锈蚀情况。把已经锈蚀的部位进行去除锈渍，再用新的绕组线缠好，并在新的线上刷上保护漆。主缆保护层完好，能防止水或外部腐蚀性介质渗入主缆。

锚房内的空气状况应常常保持在一定的温湿度，并日常进行检查和记录，避免主缆股的腐蚀的现象。因而室内的温度与湿度是需要维持在一定范围内的，温度在22℃上下，湿度是不能超过50%。需经常检查通风、恒湿、恒温设备是否有损害，运行是否正常。检查锚室是否漏雨或积水。如有，则须及时处理。

在主缆中需要常常检查和维修的地方也包括检查通道。主塔顶部的主鞍座应经常清洁，以防止鸟类进入鸟巢和蓄水造成生锈，并防止灰尘和碎片的堆积[7]。悬索桥的日常检查中包含的有：主缆的线形形状、索股以及锚头锚杆的正常与否；主缆缠丝是否完好；主索鞍、散索鞍是否正常使用状态，有无腐蚀现象等。

3 主缆的温度监测

大跨度悬索桥对其进行健康监控时可以监控和把握大跨度悬索桥的健康情况，当检查中感知到潜在危害的存在时，可及时给悬索桥提供养护建议，并确保桥梁使用运营阶段里的安全度。悬索桥中的数据信息收集方法有许多种，其中就包含温度采集，即主缆的温度监测[12]。

主缆力的温度监控是健康监控测试里的关键步骤，代表着一种安全预警体系[12]。若异常情况被察觉，就需要及时找出缘由并马上采取措施，避免结构应力超限对结构造成损坏甚至破坏。

温度的影响分为两种：一是季节温差，二是昼夜温差。研究发现，主缆的线形形状以及索塔都会伴随着温度的变化而随之改变。因而大跨悬索桥中也不可忽视温度的效应。

因而可以采用数字型温度传感器对温度分布状况进行监控，可为之后主缆设计中温度的影响计算分析提供初始依据。在主缆温度监测的过程中，各温度传感器以并联方式与需监测节点连接，通过网络总线实现与计算机通信，达到对主缆温度的监测。

4 主缆的检查周期

依照主缆的各项检测和日常监测评价得出的结论，来决定主缆的检测周期以及是否需要采取保养策略。

通过得出的结论可察觉主缆是否出现锈蚀以及腐蚀程度的大小，若出现锈蚀的现象就需要马上除锈防锈。定期检查得到的结论可以看出主缆系统是否存在腐蚀严重的现象、吊索张力是否出现变动、高强拉杆是否存在活动等要素对悬索桥的使用是否存在影响。依照按时查验得到的结论，给桥梁专家进行报备，再来定夺要不要替换主缆缠绕钢丝绳以及吊索，和全部悬挂体系是否要彻底的防锈处置。若要吊索进行变更倒带钢丝，应提前对施工程序进行制定，通过专家评价审核后即可实行。主缆需要检查维修的部位、时间间期与方法方式见表1。

表1 主缆的检修内容、间隔与方法

5 结论

在对悬索桥关于主缆病害方面进行总结归纳的基础上，分析主缆病害成因并提出相应的检查监测内容。对主缆典型病害成因及检查策略开展了研究，分析总结了主缆典型病害，并对主缆典型病害进行了成因分析，可供合理防治主缆病害参考。确定了主缆日常检测与维护的各个项目，主要针对典型的主缆失效情形，提出了常规检查与保护的方法，并提出了主缆的检修部位、时间间期与方法。

悬索桥的关键构件主缆，对悬索桥是否能够安全使用起着关键的效果，在安全使用期间内其作用是十分重要的。为了保证悬索桥主缆正常使用的时间更长，主缆保持安全可靠的状态是十分关键的。同时为了保证主缆的使用寿命，需要使用严谨的维护保养措施。