懸索橋主纜系統(tǒng)的檢查、評(píng)估與維護(hù)技術(shù)介紹
2018-03-12
1．前言
1.1 主纜防護(hù)技術(shù)概述
1883年布魯克林大橋竣工通車，標(biāo)志著以平行鍍鋅高強(qiáng)鋼絲作為主纜材料的現(xiàn)代懸索橋的開端。主纜鋼絲在自然環(huán)境和應(yīng)力下的腐蝕是難以避免的，必須進(jìn)行主纜防護(hù)，以延長懸索橋的安全使用壽命。主纜的典型防護(hù)是：主纜鋼絲表面紅丹膩?zhàn)樱≒b3O4與亞麻籽油的混合物）嵌縫、圓鋼絲纏絲和鉛基涂料涂裝。20世紀(jì)60～70年代由美國開發(fā)的玻璃纖維樹脂涂料復(fù)合防護(hù)方法和橡膠纏帶涂層方法，在美國的紐伯特大橋首次采用，此后該技術(shù)常用于既有懸索橋主纜檢查后，覆蓋在原來的主纜纏繞鋼絲上，解決原有涂層易開裂的問題。近十年來，日本、歐洲的許多懸索橋研究和應(yīng)用了主纜內(nèi)部通干燥空氣除濕法新技術(shù)，以向主纜內(nèi)部注入干燥空氣，使主纜鋼絲保持在鋼材腐蝕的臨界濕度以下（≤60%）的環(huán)境中，防腐可靠性明顯提高。
1．2 主纜檢查和評(píng)估的指導(dǎo)方針
美國現(xiàn)代懸索橋有著百年的歷史，從20世紀(jì)80年代開始，美國政府以法規(guī)形式加強(qiáng)了對(duì)懸索橋主纜的檢查和研究。美國交通研究局1999年11月組建了國家合作公路研究計(jì)劃(NCHRP)，花費(fèi)5年時(shí)間進(jìn)行專題研究，2004年通過NCHRP報(bào)告534，發(fā)布了平行鋼絲纜索的專業(yè)檢查評(píng)估指南，用于主纜的專項(xiàng)檢查，內(nèi)容包括如何打開并楔入主纜進(jìn)行檢查，并建立了受到了腐蝕的主纜的剩余強(qiáng)度的估算模型，規(guī)定了何時(shí)進(jìn)行主纜的檢查、在哪里進(jìn)行檢查以及取多少試樣等等，以便于從試驗(yàn)結(jié)論中獲得準(zhǔn)確的主纜強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。
2．主纜的檢查和評(píng)估過程介紹
2.1 外部目視檢查
首先是主纜的外部的目視檢查。檢驗(yàn)員在檢修道上先檢查主纜表面的纏繞防護(hù)層是否出現(xiàn)銹蝕、是否有滴水、涂層是否有脫落、開裂，是否有水滲入主纜的痕跡等等。外部的目視檢查也包括吊索、索夾、填充材料、扶手繩、立柱、索鞍、索箍、散索套以及相關(guān)錨固附件的檢查。通過外部檢查的數(shù)據(jù)和試驗(yàn)報(bào)告決定在哪里打開主纜進(jìn)行檢查。由于跨中位置是主纜的較低點(diǎn)，水份由于重力作用容易集中，一般建議在主纜的跨中位置進(jìn)行打開檢查。通常主纜的1/4跨也被選作檢查點(diǎn)，主要是因?yàn)樵诖宋恢?，主纜的位移量最大。有時(shí)，也選擇散索鞍點(diǎn)、塔頂主鞍點(diǎn)、索箍等位置作為檢查點(diǎn)。各檢查點(diǎn)都需要去除表面涂層、拆除纏繞鋼絲、清理紅丹膩?zhàn)拥?，需要制定詳?xì)的檢查計(jì)劃。檢查的主要目標(biāo)是尋找主纜破壞最嚴(yán)重的部位，為確定主纜的剩余強(qiáng)度提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。
2.2 主纜內(nèi)部檢查
主纜的內(nèi)部檢查不同于常規(guī)的日常檢查，因此應(yīng)該選擇有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)隊(duì)伍，并配備專門的工作平臺(tái)、設(shè)備、工具和材料。典型的檢查流程如下：安裝工作臺(tái)→檢查纏繞鋼絲和涂層→測量主纜的直徑→去除現(xiàn)有的纏繞材料→用鋼絲刷以及空氣泵清潔主纜表面→檢查主纜外觀及外層鋼絲→沿著主纜表面鋼絲縫隙楔入主纜內(nèi)部→檢查內(nèi)部主纜鋼絲的狀況→取出鋼絲試樣→接長因取出試樣而切斷的鋼絲→重新緊纜→重新纏繞鋼絲→重新防護(hù)涂裝。在以上檢查中，有時(shí)也需要移除吊索和索夾，以檢查索夾內(nèi)的主纜鋼絲。因此吊索、索夾及其連接件也需要檢查。取出的鋼絲以及發(fā)現(xiàn)的斷裂鋼絲需要送到專業(yè)的試驗(yàn)室進(jìn)行檢查分析。
?、贆z查纏繞鋼絲和涂層
將可移動(dòng)工作平臺(tái)安裝在要檢查的主纜的節(jié)段處，近距離的觀察檢查主纜外表面，主要檢查防護(hù)涂層是否有損傷和異常。檢查的過程中拍照并采用文字記錄。
?、跍y量主纜直徑
在拆除主纜原有纏絲及涂層之前，需要測量主纜直徑。以便于在檢查，并重新涂裝防護(hù)后，監(jiān)測主纜的直徑?jīng)]有出現(xiàn)異常。如果主纜在外觀看來已經(jīng)失圓了，需要檢查主纜橫豎徑。
?、蹆?nèi)部檢查
內(nèi)部檢查，通過在主纜圓周上， 12點(diǎn)、1點(diǎn)半、3點(diǎn)、4點(diǎn)半、6點(diǎn)、7點(diǎn)半、9點(diǎn)和10點(diǎn)半等8個(gè)位置楔入木楔，撐開主纜鋼絲進(jìn)行檢查。對(duì)于主纜直徑大于609mm以上的主纜，楔子楔入的位置要更多一些。
圖1 楔子在主纜上楔入的位置
為保證楔子楔入合適的深度，需拆除被檢查的節(jié)段索夾間的纏繞鋼絲。首先用黃銅做的楔子在檢查節(jié)段的最中點(diǎn)楔入，然后再用成對(duì)的塑料楔子往兩邊延伸，一直延伸到兩邊的索夾邊上，從而在被檢查的主纜上形成一條楔形檢查縫。楔子的頂端需要達(dá)到檢查段主纜的中心。為了提高速度，可以同時(shí)在8個(gè)檢查位置處形成楔形檢查縫，由此需要計(jì)算由此產(chǎn)生的主纜鋼絲的附加應(yīng)力是否會(huì)對(duì)主纜造成影響。
主纜的檢查
圖2 主纜內(nèi)部鋼絲檢查圖3 在主纜上進(jìn)行鋼絲取樣
?、艽_定鋼絲的銹蝕等級(jí)
鋼絲根據(jù)銹蝕狀況，可分為以下4個(gè)等級(jí)：
等級(jí)Ⅰ—鋼絲表面沒有銹蝕，只有鋅被氧化的斑點(diǎn)；
等級(jí)Ⅱ—鋼絲表面布滿白銹；
等級(jí)Ⅲ—表面出現(xiàn)鐵銹斑點(diǎn)，面積達(dá)到30%；
等級(jí)Ⅳ—表面大面積出現(xiàn)鐵銹，面積超過了30%。
等級(jí)1等級(jí)2等級(jí)3等級(jí)4
圖4 鋼絲銹蝕等級(jí)示例照片
在整個(gè)檢查節(jié)段中，在一個(gè)截面上，選擇四個(gè)銹蝕比較嚴(yán)重的檢查區(qū)域，以代表鋼絲最差的狀況。沿著楔形縫上的四個(gè)位置的鋼絲狀況得到檢查記錄后，匯總成綜合各節(jié)段的鋼絲狀況排列圖，見圖5。
圖5 主纜界面的鋼絲銹蝕分布示意圖
?、蒌摻z取樣分析
在主纜檢查時(shí)，對(duì)鋼絲進(jìn)行取樣并送試驗(yàn)室進(jìn)行有關(guān)分析。一般情況下，在一個(gè)楔形縫中取出一根代表性的鋼絲進(jìn)行試驗(yàn)室分析，并進(jìn)行強(qiáng)度和其他性能的測試，主要包括以下內(nèi)容：鋼絲強(qiáng)度的分析、鋼絲斷口的分析、有裂紋的鋼絲的分析、化學(xué)成分的分析等等。
A鋼絲強(qiáng)度的測試
鋼絲的強(qiáng)度需要批量的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，以確定平均強(qiáng)度和不同的銹蝕程度造成的統(tǒng)計(jì)離散偏差。檢驗(yàn)的結(jié)果將用于確定主纜最終的強(qiáng)度。包括鋼絲的破斷荷載、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率以及彈性模量。抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的計(jì)算必須基于鋼絲的公稱面積。另外，在以上基礎(chǔ)上，必須記錄鋼絲的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并確定極限應(yīng)變下所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度。
B鋼絲斷口分析
斷裂鋼絲的斷口必須經(jīng)過組織分析，以確定斷口是延性斷裂還是脆性斷裂。脆性斷裂的斷口一般有凹坑或者裂紋，斷口幾乎沒有延性伸長，延伸率較低，且一般沒有或者很少有斷面頸縮現(xiàn)象。在斷口的觀察中，必須注意以上現(xiàn)象。對(duì)于斷口組織，建議采用具有立體畫面效果的光電顯微鏡以及掃描電鏡進(jìn)行分子。必要的時(shí)候，可以采用X光譜分析儀進(jìn)行銹蝕物以及其他污染物的成分分析。
