編者按

    從19世紀中葉起，當羅布林開啟了懸索橋設計之門，其主纜防護就是由較柔的纏絲緊緊包裹在主纜外，中間墊層是密封膏，通常是含有紅鉛（Pb3O4）的亞麻籽油；外層再用油漆覆蓋。有的橋卻不同，如新港橋（美國羅德島，1969年）和比德韋爾欄橋（美國加州奧路委，1965年），采用了玻璃纖維增強的丙烯酸。威廉·普雷斯頓·蘭恩紀念橋（切薩皮克2橋，美國馬里蘭州，1973年）則采用了氯丁橡膠帶。

 

    正確的主纜防護對懸索橋的重要性

    2007 年，新港橋的主纜首先進行內檢，玻璃纖維增強的丙烯酸防護效果非常好，這與美國其他纏絲防護主纜的防護結果完全不同。認識到主纜上覆蓋不透水層的優勢后，很多美國懸索橋在纏絲保護層的外面增加了彈性覆蓋層。現在，歐洲和日本有很多橋梁采用了除濕系統對主纜防護，干空氣充滿主纜與彈性覆蓋層可以確保濕氣不會進入主纜。

    正確的主纜防護對任何懸索橋都很重要，因為：1. 極長的設計壽命（ 超過120 年）；2. 主纜更換困難，尤其很長的主纜，雖然近些年也有些更換主纜的案例（例如法國的唐卡維爾橋），對于大跨度懸索橋的主纜長度和直徑，其更換工作非常艱巨；3. 比較惡劣的環境；4. 高應力條件下的主纜鋼絲。

圖1 傳統主纜防護系統

    傳統的主纜防護系統絕大多數橋梁仍然在用，羅布林為布魯克林大橋設計的主纜防護系統，平行鋼絲鍍鋅、涂抹密封膏、纏繞軟鍍鋅鋼絲、再進行油漆涂裝，又稱為四元系統。（如圖1）

    主纜防護的關鍵部位，在塔頂主索鞍及錨室內，這些部位的主纜鋼絲裸露出來，只能靠表面鍍鋅層保護，在鞍室和錨室安裝除濕設備成為常見措施，能夠保證這兩個關鍵區域內的主纜壽命。

    現代的主纜防護系統

圖2 日本來島海峽大橋的預制平行鋼絲束架設 （PPWS）

    在過去20 年中，美國深入檢查了幾座懸索橋的主纜，發現了不同程度的銹蝕，并促使在新建橋梁和修復橋梁中采用不同的主纜防護方案。類似的檢查也在英格蘭和蘇格蘭進行，通過這些主纜檢查和測試獲得的信息，對開發新型的主纜防護方法非常有用。

    防水鋅密封膏

圖3

    傳統防護在過去幾十年中普遍采用紅鉛膏密封，但是，由于鉛基材料對健康和環境的危害，一家意大利公司專門開發了具有專利權的彈性富含鋅的密封膏（Elettrometall8870），應用在丹麥大貝爾特大橋（Storebelt East Bridge） 主纜上，并于1998 年完工。（如圖3）其材料的基本成分在大壩防水方面的應用已超過20 年，但為適應主纜環境需求，把材料的混合配方進行了修改，同時保證其耐久性滿足大貝爾特大橋設計要求。這種密封膏在采用前經過了業主的詳細測試和嚴格審查，由一種濕固化的液態聚氨酯彈性體與鋅粉混合，金屬鋅占重量的95%，確保對主纜的最佳陰極保護。密封膏凝固成彈性殼，充滿了纏繞鋼絲和主纜間的縫隙，防止水進入主纜。

    這種密封膏被用于美國加州的新卡齊尼茲海峽大橋（New Carquinez Straits Bridge），同時也在紐約的喬治華盛頓大橋（George Washington Bridge）、舊金山的金門大橋（Golden Gate Bridge） 上進行了試用。它的彈性性能在主纜的保護方面要比紅鉛膏優秀很多。

    另一種最近發展起來的密封膏是由油脂基材料組成，混合了鋅粉和氧化鋅以及防腐劑。這種專有材料名為“Grikote-Z”， 是在美國主纜修復時開發出來的。在2000-2001 年，被應用于跨紐約哈德遜河的熊山大橋BearMountain Bridge 新建主纜上。2007 年夏主纜被打開時，發現密封膏非常好，仍是柔軟并連續的，這個密封層起到了很好的防水作用。這種材料同時在舊金山新奧克蘭海灣大橋的主纜纏絲中采用。

圖4 Elettrometall在丹麥大貝爾特大橋（Storebelt East Bridge）上施工

    纏絲

    通常情況下，選用圓形纏絲纏包主纜。由于主纜在負載下的伸縮，有可能對纏絲外的涂料造成破壞，水就會通過纏絲間隙進入主纜，尤其是采用非柔性涂料系統時更加嚴重。

圖5 S形纏絲細部構造

    因此，日本開發出一種能提高密封性的新型S 形纏絲。其設計了一種互鎖的截面（如圖5），纏絲間不留空隙，形成一個光滑的表面，有利于提高涂層的耐久性。S 形纏絲已經應用在白鳥大橋（Hakucyo bridge） 和1999 年竣工的來島海峽大橋（Kurushima-Kaikyo bridge） 上。目前在世界其他地方應用不多，因為S 形纏絲需要特殊的安裝設備，但美國舊金山的新奧克蘭海灣大橋采用了此技術。

    彈性纏包

    最近幾年，有幾種新的纏繞材料被應用，有的是用來替代纏絲，有的是提高纏絲的防護等級。這些系統的開發主要是為了解決已有橋梁的主纜出現銹蝕跡象，必須進行改造。這其中表現較好的是氯丁橡膠纏帶系統。

    氯丁橡膠纏帶系統可以防止大氣中的水進入主纜，通過在纏絲或者主纜表面，刷涂一種常溫的液體氯丁橡膠材料，然后用150mm 寬的未固化橡膠，以50% 疊壓的方式，螺旋纏繞在外表面，形成一個“瓦”的效果，并防止水從螺旋接縫進入。索夾部位采用聚氨酯密封膏填縫。然后，用常溫的“海帕龍”涂層涂抹在纏繞帶外部。最后，主纜上部表面涂層上撒一些防滑砂礫，為檢修和養護服務。

圖6 氯丁橡膠纏帶在威廉斯堡橋（Williamsburg Bridge）（上）和布魯克林橋（Brooklyn Bridge） （下）上的應用

    這一系統在纏絲外的補充纏包，于1992 年第一次應用在美國切薩皮克海灣大橋（Chesapeake Bay Bridge） 主纜修復上，1994 年也在紐約威廉斯堡橋（Williamsburg Bridge） 主纜修復上應用（如圖6）。氯丁橡膠纏包系統也在日本的明石海峽大橋上采用了，作為主纜防護的一部分，明石大橋的主纜包括了主纜除濕系統。

圖7 瑞典高海岸橋（HogaKusten Bridge）Cableguard纏包帶加熱固化

    氯丁橡膠纏包系統，在已有纏絲的主纜上，能有效地防止水進入。另一種替代材料被用于美國密蘇里州帕希爾橋（Paseo Bridge） 上材料與氯丁橡膠類似，名為EPDM （三元乙丙橡膠），比氯丁橡膠便宜，施工方式完全相同（如圖7）。

    第三種材料正在興起，與干空氣注入配合，是一個專有系統（ 見圖7），被稱為Cableguard，由美國D.S.Brown公司銷售。這一系統采用氯磺化聚乙烯復合材料，螺旋纏繞安裝，并用特殊的加熱毯進行加熱固化，加熱使材料收緊，并與自身熔接，形成非常可靠的防水罩。

    彈性涂層

圖8 Noxyde涂層被用于美國蒙哥馬利市熊山大橋（Bear Mountain Bridge）主纜防護（上）和葡萄牙里斯本的塔霍河大橋（Tagus River Bridge）（下）

    最近，包含高彈性的聚合物和固化橡膠涂層的水性丙烯酸涂料已被用于懸索橋主纜防護。因為它們具備高達200%的伸長率且不開裂或不剝落的能力，已經成功應用于一些有纏絲的老橋主纜涂層的維修上（熊山大橋、中哈德遜大橋、塔霍河大橋），以及新建橋梁如卡齊尼茲海峽大橋（Carquinez Strait Bridge）。另外，這種涂層在其他領域的應用已經證明壽命很長，尤其是在耐高鹽霧和化學銹蝕方面。涂層的其中一種成分是Noxyde，最初只在比利時生產，現在也在其他國家授權生產（ 圖8）。在日本，柔性含氟涂層也被應用。

    干燥除濕系統

    在明石海峽大橋選取高強鋼絲的過程中進行了一次有關在役懸索橋主纜防護技術的綜合研究。從1988 年開始，相繼對幾座本州——四國聯絡線上在役懸索橋主纜內部包含索夾部位進行了檢測，檢測結果表明一些主纜僅服役幾年表面便出現了銹蝕現象。這次檢測促使本州——四國聯絡橋管理局開始了對主纜銹蝕原因和修補方法的探究。通過研究美國懸索橋主纜銹蝕典型特征發現，傳統主纜防護系統并不能完全阻止水分的入侵，其通過外包裹層間斷部位進入主纜，或當周圍氣壓改變時以水蒸氣的形式進入主纜。含有水分的空氣進入索股間的空隙部位，并在溫度下降時凝結成液態水。研究試驗表明：主纜索股表面持續保持潮濕，潮濕程度從上到下依次遞減。一般而言，除了主纜索夾部位，無論外界溫度如何，主纜內部的相對潮濕程度一直較高。研究還深入探尋了在役懸索橋鍍鋅鋼絲銹蝕臨界濕度，超過臨界濕度，鋅銹蝕、黑色金屬銹蝕、密封膏損壞將伴隨含有鹽類空氣的侵入而發生。當相對濕度低于60% 時，無論鋼絲是否鍍鋅，或是否在含鹽大氣中，銹蝕都不會發生，將空氣中的鹽分移除也證明了這個結論。

    在研究中，還對不同密封膏材料性能進行了對比測試，包含紅鉛膏、磷酸鋁膏、鉻酸鋅膏以及聚合有機鉛膏，但測試結果表明，沒有一種密封膏可以對主纜進行足夠的密封，特別是在濕熱的環境中。值得注意的是，在日本的某些地區，夏季濕度會超過80%。

    因此，明石海峽大橋最終采用了一種新的主纜防護體系，它包含氯丁橡膠纏包系統以及干燥除濕系統。為了確保系統的氣密性和水密性，氯丁橡膠被用于剔除了密封膏的傳統索股的纏包（氯丁橡膠纏包系統不再需要密封膏）。此外，索夾區域的氣密性是系統的關鍵，應用含有橡膠和硅樹脂的密封劑可以保證索夾區域的氣密性。

    在明石海峽大橋中，干燥空氣每隔約140m 被注入主纜外圍區域，注入氣壓則由密封材料的耐久性以及引入口和索夾處氣壓損失決定，材料耐久性和氣壓損失大小則通過主纜模型試驗和現場實際測量決定。由于每套纜索體系配置都不同，所需注入氣壓應在橋梁設計過程中確定，并與制造商協商。主纜內部氣壓應小于3kPa，在每一進氣口中，空氣的進氣率是1.26m3/min。直徑為0.1-0.2μm的細濾器可以在空氣進入主纜前篩除鹽分粒子。出氣口的空氣相對濕度控制在40%。

圖9 明石海峽大橋干燥除濕系統構造示意圖
1.特種索夾 2.干燥空氣入口 3.潮濕空氣出口分布圖

    明石海峽大橋的空氣注入系統于1997 年11 月29 日啟用，第1 個月，空氣注入氣壓是1kPa，之后增加至2kPa。1 個月之后，主纜內的相對濕度降低至10%;之后在10 年的不間斷觀察中，沒有發現主纜銹蝕現象。在明石海峽大橋干燥除濕系統應用了10 年后，通過消除水分來防止銹蝕的方法得到了充分證明。系統并不需要在主纜內進行大體積的空氣循環，只需要主纜具有足夠的密封性以保證其內穩定的正氣壓，就可以防止其他外界空氣進入，從而防止銹蝕的發生。隨著時間的推移，良好的氣密性須通過合適的日常維護得以保持。在索夾處，就像現有的主纜防護系統一樣，已損壞或者老化的填縫需要及時修理或更換。在塔頂主索鞍及錨室內，注入空氣將會泄漏，因此封閉是必須的，這些簡單的結構則需要較少的維護。

    系統在合理的運營和維護下，出現故障的機會將會很小。即使干燥除濕系統停止工作，在鼓風機照常運行的情況下，潮濕空氣的進入對主纜也不會有太大的影響，這是由于濕度感應器和物理設備的常規檢查，將會識別出這種情況并引起有關部門的注意。

    干燥空氣注入系統現已被安裝在本州——四國聯絡線上所有懸索橋中，類似的系統也將被應用于挪威、丹麥和英國。一些美國橋梁業主也在考慮應用干燥空氣注入系統的可能性。

    懸索橋主纜的檢測與評估

圖10 美國熊山大橋（Bear Mountain Bridge）檢測的主纜楔形裝置，2007年

    美國的懸索橋超過100 座，其中大部分的橋齡都在40 年以上。經驗告訴他們，懸索橋主纜在建成30 年內要進行一次深入的檢測，越早越好。檢測應建立在打開主纜包裹層并選用軟木楔布置于索股間，以便對索股進行可視檢測的基礎之上（如圖10）。如果條件許可，還應對索股進行采樣用于實驗室測試分析。

    基于橋梁業主和顧問的經驗，美國聯邦公路管理局（FHWA）對主纜的這種特殊檢測制定了相應的基本準則，其中包含剖開主纜以及放置楔形裝置的基本方法描述。附加準則還包含了評估銹蝕主纜剩余強度的計算方法。

明石海峽大橋

    主纜特殊檢測的主要內容包括：

    1. 主纜、索夾、吊索、索鞍、索套、索股以及錨固區相關部件的目視檢測。

    2. 基于目視檢測結果，選擇合適的區域剖開主纜進行深入檢查，FHWA 有關橋梁斷裂關鍵部位檢測手冊中，推薦每條主纜選擇4 個區域進行剖開檢查，這4 個區域通常位于主跨最低點、邊跨最低點、主跨較高處某點以及另一主跨邊跨較高處某點。值得注意的是，除了手冊的指導意見外，還應考慮每座橋各自不同的特點。如某些懸索橋從索鞍到錨碇橋面板以下部位的邊跨主纜較長，導致這些部位的主纜較為容易損壞，這些主纜位于行車道以下并且臨近水面，從橋上產生的墜物很可能損傷主纜的包裹層，從而使得水侵入主纜。在這種情況下，雖然這些部位的主纜不易到達，但也應該在這些部位增加一個主纜檢測區域。如果懷疑主索鞍處的纜索防護存在損傷，也應將其保護層打開。

    根據以上檢查結果，后續可能會增加主纜剖開檢查區域，后續檢查將根據橋齡和橋梁所處環境特點進行安排，橋齡可分為5 年、10 年、20 年和30 年4 個等級。

    業主應在選擇區域的多少和成本之間進行權衡。成本受檢測通道難易程度、主纜纏包細節、區域長度和檢測時間的影響。此外，當地環境也是選擇區域多少的一個重要影響因素。在主纜技術狀況較好的情況下，第一次開纜檢查可以選擇在較少的區域進行，之后每隔5 年增加檢查區域的主纜檢測方式。在美國，很多在役的懸索橋主纜檢測都是選擇的這種策略。

    3. 業主應要求具備資質的承包商，在投標過程中闡明剖開現有主纜外殼以放置木楔進行檢測過程中所需的工作平臺、人員、工具、設備以及材料等相關配備情況，闡明切除索股、采用替代索股重新拼接以及重新緊纜和纏包的過程。如果主纜原本的纏包系統工作狀況良好，在剖開區域應采用與原系統相同的材料再次進行纏包。如果主纜原本的纏包系統工作狀況較差，應考慮為整個主纜更換更好的防護系統。

圖11 典型索股銹蝕：階段1到4 （從上到下）

    4. 對索股測試進行相應的規定，并向具有資質的實驗室征求意見。即使發現主纜的狀況良好，也建議從索股中截取部分樣本帶回實驗室檢測其化學和物理特性。如果一些索股表現為鋅銹蝕，而一些索股表現為不同程度的黑色金屬銹蝕，每種不同銹蝕都應截取至少一段樣品進行實驗室檢測。相較于將主纜外殼剖開而付出的代價，截取索股進行實驗室檢測的代價非常小，這種能夠詳細了解索股工作狀態的機會不應被錯過。

    5. 監督主纜剖開以及放置木楔的過程，檢測內部纜索，并對楔形槽內部狀況進行記錄和拍照。整個主纜截面的狀況可以由不同扇形區域的狀況外插求得。如果主纜狀況不佳，所獲得的數據將被用于計算主纜的剩余強度。

    索股銹蝕等級可分為：

    （1）無銹蝕（氧化鋅斑點）

    （2）存在白色鋅銹蝕物（整個表面上）

    （3）偶有黑色金屬銹蝕（最高達30% 表面積）

    （4）大面積黑色金屬銹蝕（大于30% 表面積）

    FHWA 采用了這種索股銹蝕等級的基本劃分辦法（ 如圖11）。括號中的附加說明項是由國家合作公路研究項目（NCHRP）制定的新準則中提出的。

    6. 監督索股試驗并出具結果報告。索股試驗是根據不同性質將索股劃分不同銹蝕等級的基礎，也是在全壽命期內日后查看索股銹蝕變化情況的對比基礎。如果需要，還應將試驗數據用于計算主纜的殘余強度。

    7. 撰寫包含以上所有檢測內容的檢測報告，對纜索狀況進行評估，并給出相應養護建議。如果檢測中發現了較為嚴重的病害，還應建立數值分析模型，進行主纜強度計算，在進一步調查的基礎上給出修復或者監測的建議。

圖12 紐約三區大橋（Triborough Bridge）主纜涂刷亞麻籽油進行防護

    在美國，對于具有損傷的主纜，采用了全長加油防護并進行重新纏包的修復方式，這種方式需要在主纜下部搭建施工平臺從而提供有效工作面，已有的主纜外殼被層層剔除，主纜嵌入木楔后涂油被壓入木楔槽內，之后再用纏絲和密封膏將主纜重新進行纏包，有時還采用氯丁橡膠再次進行包裹（ 如圖12）。

    連續的主纜監測

    很多在役橋梁都采用了聲學監測技術探測主纜鋼絲由于銹蝕或應力銹蝕而產生的開裂，通過聲發射技術探尋結構變化的原理。但直到現在，基于以上原理的大型結構物的連續、自動化、遠程監測技術在實用性和成本控制上還存在缺陷。1994 年，加拿大Pure Technologies 有限公司成功研發了一套包含低成本數據獲取和計算的硬件系統，以及強大分析和數據管理的軟件系統的連續聲學監測系統Sound Print ，并成功應用于無粘結后張拉預應力結構的檢測中。

圖13 距鋼絲斷裂處5m的傳感器識別時域和頻譜圖

    連續自動監測以及低成本的集中式數據處理是本技術的核心。系統軟件包含現場電腦的數據采集軟件包和數據分析及報告生成軟件包。數據采集軟件又會被更合適的專用軟件所代替。由于在很多早期項目中對鋼絲斷裂數據進行了積累，這些數據便可用于訓練數據處理軟件對鋼絲斷裂的“識別”功能（圖13）。當某些事件擁有鋼絲斷裂的所有已知特征時，它們就會被歸為“極為可能的鋼絲斷裂”事件；當擁有鋼絲斷裂的一些已知特征時，它們就會被歸為“可能的鋼絲斷裂”，所以其他則被歸為“非鋼絲斷裂”事件。通過計算鋼絲斷裂而產生的能量波穿越混凝土的時間，還可以獲得鋼絲斷裂的具體位置。

    盡管在90 年代初期，法國道路中心實驗室也研發了一款類似的系統，并在諾曼底的Tancarville 懸索橋上得到了應用，但該系統不完善的信號處理技術，給系統區分纜索開裂和其他事件帶來困難。

布朗克斯白石大橋

    1997 年10 月，Sound Print 系統在紐約的布朗克斯白石大橋（Bronx Whitestone Bridge） 進行了系統測試，該橋主跨701m，于1939 年建成通車。該橋在主纜修復時安裝上監測系統，主纜修復包括剔除主纜外殼、修復受損鋼絲以及填涂防腐油等，其間可以通過切割鋼絲來驗證系統對鋼絲開裂的識別和定位能力。

    便攜式采集系統安裝在橋面板附近，系統測試便隨修復工程施工進行。系統識別出了所有被切割的鋼絲以及它們所在的位置，縱向誤差約為0.0-0.7m，環向誤差在7.5°范圍內，鋼絲間由于鋼鑿聲而產生的聲音輕易地被識別并被過濾了。

圖14 錨室中的采集系統（左）纜索傳感器（右）

    數據分析顯示，僅在索夾上安裝一個傳感器就能夠很好地對斷裂進行識別和定位。圖13 是布朗克斯白石大橋在2000 年11 月的傳感器布置形式，并且顯示了一次斷裂的位置是如何依據它與傳感器間的距離被識別的。數據采集設備安裝于錨室中，數據從傳感器經由與主纜的同軸數據線傳送至數據采集系統中。在硬件設備的設計中，還應尤其注意設備的耐久性、安裝難易程度和維護等問題。傳感器支架的設計是為了保證安裝時不對索夾產生影響，以及不對涂層產生損壞（如圖14）。

    數據采集系統包含傳統電話以及備份服務，數據通過因特網傳遞至處理中心進行分析和存儲。數據還會經該中心傳遞至位于行政大樓的第二個數據處理中心，這有利于養護人員及時掌握數據。與主纜同軸的數據線顯著增加了整個監測的造價，且當對主纜進行日常維護作業時，很容易對這些線纜產生損傷，因此無線傳輸系統被應用于數據采集系統中，傳輸所需能量可以來源于低電壓供電或者傳感器附件的太陽能電池板。

圖15 馬里蘭州威廉·普雷斯頓·蘭恩紀念橋（William Preston Lane Bridge）無線數據發送器（美國）

    由于系統本身的敏感性，需要在現場就對采集數據進行過濾，從而減少傳輸數據量。濾波器的設計對于整個監測系統的成功至關重要，如果濾波器沒能準確校準，就可能捕捉不到纜索的斷裂信息。相反，如果濾波器濾波范圍設置得太過寬泛，就會在數據傳輸過程中產生體量龐大的圖14 錨室中的采集系統（左）纜索傳感器（右）數據信息。自布朗克斯白石大橋后（如圖15），這套系統又被安裝于紐約州的熊山橋（BearMountain Bridge）、緬因州的沃爾考克橋（Waldo Hancock Bridge）、法國的Ancenis橋、蘇格蘭的福斯公路橋（Forth Road Bridge）、英格蘭與蘇格蘭間的塞文河大橋（Severn Bridge） 等，具有相似原理的一套監測系統也在賓夕法尼亞州費城的本杰明·富蘭克林大橋（Benjamin Franklin Bridge） 中得到了應用。

    縱覽懸索橋主纜防護的發展歷程，傳統四元系統經歷了增強防水密封膏、增強纏絲、增強彈性涂層之后，防護效果仍不能滿足需求，一些新的元素加入到主纜防護系統中，如彈性纏包、干燥除濕、主纜監測以及主纜檢測評估。這些新元素不僅有保護主纜的新技術，還有主動防腐的新理念，更有監測檢測的智能化新方向，形成更加全面的主纜防護系統。現代的主纜防護系統正沿著多元化的趨勢發展，而新的主纜防護技術涌現，必然在這些新的發展方向中。

 

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org

責任編輯：王元

 

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事
投稿聯系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414