悬索桥主缆系统的检查、评估与维护技术介绍
2018-03-12
1．前言
1.1 主缆防护技术概述
1883年布鲁克林大桥竣工通车，标志着以平行镀锌高强钢丝作为主缆材料的现代悬索桥的开端。主缆钢丝在自然环境和应力下的腐蚀是难以避免的，必须进行主缆防护，以延长悬索桥的安全使用寿命。主缆的典型防护是：主缆钢丝表面红丹腻子（Pb3O4与亚麻籽油的混合物）嵌缝、圆钢丝缠丝和铅基涂料涂装。20世纪60～70年代由美国开发的玻璃纤维树脂涂料复合防护方法和橡胶缠带涂层方法，在美国的纽伯特大桥首次采用，此后该技术常用于既有悬索桥主缆检查后，覆盖在原来的主缆缠绕钢丝上，解决原有涂层易开裂的问题。近十年来，日本、欧洲的许多悬索桥研究和应用了主缆内部通干燥空气除湿法新技术，以向主缆内部注入干燥空气，使主缆钢丝保持在钢材腐蚀的临界湿度以下（≤60%）的环境中，防腐可靠性明显提高。
1．2 主缆检查和评估的指导方针
美国现代悬索桥有着百年的历史，从20世纪80年代开始，美国政府以法规形式加强了对悬索桥主缆的检查和研究。美国交通研究局1999年11月组建了国家合作公路研究计划(NCHRP)，花费5年时间进行专题研究，2004年通过NCHRP报告534，发布了平行钢丝缆索的专业检查评估指南，用于主缆的专项检查，内容包括如何打开并楔入主缆进行检查，并建立了受到了腐蚀的主缆的剩余强度的估算模型，规定了何时进行主缆的检查、在哪里进行检查以及取多少试样等等，以便于从试验结论中获得准确的主缆强度统计分析数据。
2．主缆的检查和评估过程介绍
2.1 外部目视检查
首先是主缆的外部的目视检查。检验员在检修道上先检查主缆表面的缠绕防护层是否出现锈蚀、是否有滴水、涂层是否有脱落、开裂，是否有水渗入主缆的痕迹等等。外部的目视检查也包括吊索、索夹、填充材料、扶手绳、立柱、索鞍、索箍、散索套以及相关锚固附件的检查。通过外部检查的数据和试验报告决定在哪里打开主缆进行检查。由于跨中位置是主缆的较低点，水份由于重力作用容易集中，一般建议在主缆的跨中位置进行打开检查。通常主缆的1/4跨也被选作检查点，主要是因为在此位置，主缆的位移量最大。有时，也选择散索鞍点、塔顶主鞍点、索箍等位置作为检查点。各检查点都需要去除表面涂层、拆除缠绕钢丝、清理红丹腻子等，需要制定详细的检查计划。检查的主要目标是寻找主缆破坏最严重的部位，为确定主缆的剩余强度提供准确的数据。
2.2 主缆内部检查
主缆的内部检查不同于常规的日常检查，因此应该选择有经验的专业队伍，并配备专门的工作平台、设备、工具和材料。典型的检查流程如下：安装工作台→检查缠绕钢丝和涂层→测量主缆的直径→去除现有的缠绕材料→用钢丝刷以及空气泵清洁主缆表面→检查主缆外观及外层钢丝→沿着主缆表面钢丝缝隙楔入主缆内部→检查内部主缆钢丝的状况→取出钢丝试样→接长因取出试样而切断的钢丝→重新紧缆→重新缠绕钢丝→重新防护涂装。在以上检查中，有时也需要移除吊索和索夹，以检查索夹内的主缆钢丝。因此吊索、索夹及其连接件也需要检查。取出的钢丝以及发现的断裂钢丝需要送到专业的试验室进行检查分析。
①检查缠绕钢丝和涂层
将可移动工作平台安装在要检查的主缆的节段处，近距离的观察检查主缆外表面，主要检查防护涂层是否有损伤和异常。检查的过程中拍照并采用文字记录。
②测量主缆直径
在拆除主缆原有缠丝及涂层之前，需要测量主缆直径。以便于在检查，并重新涂装防护后，监测主缆的直径没有出现异常。如果主缆在外观看来已经失圆了，需要检查主缆横竖径。
③内部检查
内部检查，通过在主缆圆周上， 12点、1点半、3点、4点半、6点、7点半、9点和10点半等8个位置楔入木楔，撑开主缆钢丝进行检查。对于主缆直径大于609mm以上的主缆，楔子楔入的位置要更多一些。
图1 楔子在主缆上楔入的位置
为保证楔子楔入合适的深度，需拆除被检查的节段索夹间的缠绕钢丝。首先用黄铜做的楔子在检查节段的最中点楔入，然后再用成对的塑料楔子往两边延伸，一直延伸到两边的索夹边上，从而在被检查的主缆上形成一条楔形检查缝。楔子的顶端需要达到检查段主缆的中心。为了提高速度，可以同时在8个检查位置处形成楔形检查缝，由此需要计算由此产生的主缆钢丝的附加应力是否会对主缆造成影响。
主缆的检查
图2 主缆内部钢丝检查图3 在主缆上进行钢丝取样
④确定钢丝的锈蚀等级
钢丝根据锈蚀状况，可分为以下4个等级：
等级Ⅰ—钢丝表面没有锈蚀，只有锌被氧化的斑点；
等级Ⅱ—钢丝表面布满白锈；
等级Ⅲ—表面出现铁锈斑点，面积达到30%；
等级Ⅳ—表面大面积出现铁锈，面积超过了30%。
等级1等级2等级3等级4
图4 钢丝锈蚀等级示例照片
在整个检查节段中，在一个截面上，选择四个锈蚀比较严重的检查区域，以代表钢丝最差的状况。沿着楔形缝上的四个位置的钢丝状况得到检查记录后，汇总成综合各节段的钢丝状况排列图，见图5。
图5 主缆界面的钢丝锈蚀分布示意图
⑤钢丝取样分析
在主缆检查时，对钢丝进行取样并送试验室进行有关分析。一般情况下，在一个楔形缝中取出一根代表性的钢丝进行试验室分析，并进行强度和其他性能的测试，主要包括以下内容：钢丝强度的分析、钢丝断口的分析、有裂纹的钢丝的分析、化学成分的分析等等。
A钢丝强度的测试
钢丝的强度需要批量的抗拉强度试验，以确定平均强度和不同的锈蚀程度造成的统计离散偏差。检验的结果将用于确定主缆最终的强度。包括钢丝的破断荷载、屈服强度、抗拉强度、延伸率、断面收缩率以及弹性模量。抗拉强度和屈服强度的计算必须基于钢丝的公称面积。另外，在以上基础上，必须记录钢丝的应力应变曲线，并确定极限应变下所对应的强度。
B钢丝断口分析
断裂钢丝的断口必须经过组织分析，以确定断口是延性断裂还是脆性断裂。脆性断裂的断口一般有凹坑或者裂纹，断口几乎没有延性伸长，延伸率较低，且一般没有或者很少有断面颈缩现象。在断口的观察中，必须注意以上现象。对于断口组织，建议采用具有立体画面效果的光电显微镜以及扫描电镜进行分子。必要的时候，可以采用X光谱分析仪进行锈蚀物以及其他污染物的成分分析。
