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我国沿海斜拉桥防腐保护探讨

我国沿海斜拉桥防腐保护探讨

       1、引言

 

现代斜拉桥由于跨度较大、造型美观、施工方便等原因,越来越受到各国的青睐。近30年以来,我国修建了教百座斜拉桥,然而,随着我国经济的迅速发展,对交通运输能力要求的不断提高,大量斜拉桥的老化和功能退化已呈加速趋势。

斜拉索是斜拉桥的主要承重传力构件,它主要由高强度钢丝(钢绞线)束和锚具组成。由于斜拉索所处的环境和受力情况复杂,钢丝索体和锚具很容易受到腐蚀破坏,但目前常用的索体防腐保护系统在使用过程中往往几年内就发生应力开裂、老化等现象,从而导致斜拉索锈蚀,直接影响到桥梁的结构安全与使用寿命。本文通过介绍国内、外典型的斜拉桥斜拉索破坏案例,分析了目前国内、外常用的斜拉索防护措施的破坏原因,提出了斜拉索防腐保护的建议。

 

2、国内、外斜拉桥斜拉索的典型破坏案例

 

2.1国内斜拉索破坏案例

我国近20年大规模建设的斜拉桥已陆续出现了斜拉索的腐蚀断丝现象。

广州海印大桥斜拉索使用6年后(1995年)1根斜拉索突然坠落,经检查斜拉索内钢丝严重腐蚀,而2002年该桥又一根斜拉索突然断裂(见图1),在斜拉索坠落到桥面时,击中1辆正在行驶的油罐车。

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该桥后由原施工单位更换全桥斜拉索。

1988年建成的重庆石门大桥(独塔混凝土斜拉桥,主跨230m)在运营17年后,因斜拉索严重锈蚀,于2005年开始全面换索作业,并实施严格酌交通管制,由于塔上操作空间狭小、且旧斜拉索难以拆下,实际每根索的换索周期达7d,近半年完成全部换索工作,不仅耗资巨大,也给正常交通运营造成极大的干扰。

广东九江大桥运营10年后,近70%的斜拉索PE(聚乙烯)护套有不同程度的损坏,个别PE护套内甚至有水流出,斜拉索严重锈蚀,实际索力与设计索力存在较大偏差。1998年对其中11根锈蚀严重的斜拉索实施了更换,2000年更换了87根锈蚀严重的斜拉索。

此外,济南黄河公路大桥、南宁白沙大桥、上海新五桥、广西来宾红水河铁路斜拉桥、柳州壶西大桥、昆明皎平渡大桥、三原新龙桥、珠海淇澳大桥、天津永和斜拉桥、犍为岷江大桥等都在运营数年后进行了换索工程,换索带来的物力、人力消耗均难以想象,且严重影响了正常交通。

2.2国外斜拉索破坏案例

国外斜拉桥起源早,部分早期修建的斜拉桥斜拉索损坏非常严重。

世界上著名的预应力混凝土斜拉桥——委内瑞拉马拉开波(Maracibo)桥在运营16年后,其192根斜拉索中有25根严重锈蚀,1979年2月21日,有1根斜拉索由于腐蚀而突然断裂。1980年开始桥梁的换索工程,斜拉索从192根增加至384裉。

美国黑尔·博格斯(HaleBoggs)桥是第一座跨越密西西比河的斜拉桥,斜拉索防护系统采用PE管注浆,于1983年建成通车。由于施工期间留下了隐患,运营后不久护套就出现了裂缝,1990年在所有斜拉索外面包裹了白色防紫外线胶带,1995年防紫外线胶带也出现了破坏现象(见图2)。该桥运营25年期间,在经过频繁的斜拉索维修、护套保护和锚固组件维修后准备全部换索。

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德国汉堡的科尔布兰特(KohlbrandEstuarV)桥建成3年后就因斜拉索锈蚀严重全部更换了新索,耗资6000万美元。著名的英国伍埃(WYe)桥和美国的P-K桥均因斜拉索锈蚀原因,使用期不到10年即更换了斜拉索。

 

3、斜拉索防护构造及破坏原因分析

 

3.1斜拉索常用防护形式及构造

斜拉索由主要受拉材料、锚具(张拉端锚具、固定端锚具)、附属装置(减振装置、PE伸缩装置)和防护材料组成。其中主要受拉材料的种类有旋扭钢缆、螺旋形钢缆、平行钢丝索股、平行钢丝索、超长节距索、螺旋形钢绞线索、平行钢绞线索和平行粗钢筋索,而钢绞线索为其常用的受拉材料,一般采用j515的环氧涂层钢绞线或镀锌钢绞线。

钢绞线等受拉材料的外侧即为防护材料,目前常用的防栌形式为:在单根钢绞线外涂环氧树脂或镀锌层,然后涂防腐油脂,同时热挤聚乙烯(PE)护层,最后在多根防腐钢绞线外套高密度聚乙烯(HDPE)护套管(见图3)。其中防腐油脂要充分填满钢绞线和PE护层之间以及钢丝间的空隙。

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图3(b)所示的热挤成型高密度聚乙烯(HDPE)外护套是斜拉索的最外侧防护层,该护套直接暴露在自然环境下,除需经受南方地区的高温、北方地区的严寒外,还受空气中各种有害气体的侵蚀。这就要求HDPE护套具有较高的耐候性、耐腐蚀性和耐光氧老化性能;还需具有化学稳定性,不会和钢丝、涂层或其它结构材料发生化学反应;同时需具有不脆裂或软化、耐氯离子渗透、能承受一定的冲击及耐磨等特性。

HDPE护套主要形式有外圆光面护套、外表带螺旋线的护套(抗风雨激振型)、整圆式护套、HALF式护套(见图4)。主跨500m的荆沙长江公路大桥斜拉索采取HDPE双层护套,内层为德国进口的黑色高密度聚乙烯,厚度为7~9mm,外层为银灰色高密度聚乙烯,厚度为2mm,生产时采用双腔共挤、一次成型技术。HDPE护套基本可保证索体的完全密封和防腐,改善拉索的振动状况,并可以通过选择适应的颜色达到桥梁整体协调美观的要求,图5为武汉二七长江大桥斜拉索安装的HDPE外护套。

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3.2斜拉索防护破坏原因分析

(l)索体应力及构造对HDPE外护套的影响斜拉索长期在高应力疲劳荷载下工作,因此索体自应力和构造使得HDPE外护套始终处于有应力地态下工作,大多数工况还存在交变拉应力。国内、外诸多工程实例表明,索体HDPE外护套由于交变压力一般在几年内就会开裂。

(2)HDPE原材料特性的影响。HDPE原材料的特性直接影响其拉伸强度、耐环境应力开裂性能、老化性能等,不同牌号的HDPE材料,其耐环境应力开裂的性能、老化寿命等差异较大。

(3)自然环境对HDPE外护套的影响。自然环境中温度的冷热变化、紫外线的照射、雨水的冲淋及有害气体的腐蚀等,均会导致HDPE外护龚的开绞线

(c)繁体构造

裂及老化。同时斜拉索截面尺寸较小,对腐蚀作用非常敏感,即使斜拉索发生轻微腐蚀,其抗腐蚀强度也会有较大损伤。

(4)施工作业对HDPE外护套的影响。施工过程中,对索体护套的保护措施普遍不够,往往会导致索体护套的损伤。目前工程上对损伤的HDPE外护套大多采用补焊的方式修补,而补焊修补时HDPE二次加热使得其性能大大下降,索体使用过程中补焊修补处产生裂纹和开裂的机率较大。

(5)斜拉索截面形状对HDPE外护套的影响。

拉索截面形状为非圆形往往会造成HDPE护套的壁厚厚薄不均,如国内某斜拉索厂家曾发生2起索体护套纵向开裂事故,分别为2007年(PEJ15B-27)和2009年(PEJ15B-37)。PEJ15B-27、PEJ15B-37截面均呈六边形(见图6),经认定由于索体截面形状导致的HDPE护套厚度不均是造成护套纵向开裂的主要原因,因此提高索体与护套厚度的均匀性成为解决护套纵向开裂的一条有效措施。

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由于上述因素的影响,使得HDPE外护套在使用过程中较易发生应力开裂、老化等现象。不同条件下HDPE外护套的性能和使用寿命有较大的区别,严重时还会在短期内出现环问开裂(见图7),且开裂状况不易进行预测和评估。

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目前国内、外斜拉索制造公司对于索体HDPE外护套性能尚未展开具体而深入的研究,还无法为生产提供试验信息和为业主方在使用中提供合理、准确的预测方法及养护建议。

 

4、斜拉桥斜拉索防护的建议

 

由于自然环境和原材料特性对目前常用的斜拉索HDPE外护套性能影响较大,而护套原材料聚乙烯属于热塑性材料,其耐紫外线老化性能并不十分优越;两半拼合后焊接的HALF式结构[图4(b)]也存在纵向开裂的诱因,并非斜拉索护套最合适的结构形式。建议后期需重点研制化学稳定性极强的纤维增强热固性或热塑性树脂基复合材料。基体可选用环氧树脂等热固性材料或氯磺化聚乙烯等改性热塑性材料,基体中的连续长纤维材料能有效延缓开裂现象,并采用索体外缠绕结构形式代替HALF式结构。我国建造较早的三台涪江桥和上海泖港桥的斜拉索采用涂黄油后缠包玻璃纤维布后加3层环氧树脂缠绕玻璃丝布的防护方案,至今仍在正常使用,有力地证明了连续玻璃纤维能起到有效避免护套开裂的作用,其长纤维具有明显的环箍效应,其护套制品内部的长纤维可有效增强护套结构的抗裂与抗损伤性能。但前期认为该纤维增强环氧树脂基复合材料的院护工艺相当复杂繁琐,不适合作为斜拉索护套;实际上目前纤维增强复合材料的成型工艺已得到长足发展,出现了拉挤成型、缠绕成型、拉缠一体成型等工业化制造工艺,已能够解决之前工艺复杂的问题。

针对索体交变应力和斜拉索不均匀截面形状对现有HDPE外护套造成的影响,建议在拉索护套与受力钢拉索之间设置粘弹性体隔离层,在承担外护套与钢拉索变形差的同时,形成内阻尼层,能有效隔离复合材料护套结构与受力斜拉索,并通过斜拉索的相对运动消耗振动能量,使得护套不随着斜拉索一起承受较大的拉应力,大幅度改善护套的疲劳抗裂性能(见图8)。建议后期对隔离层粘弹性体材料(如聚氨酯粘弹性体、硅橡胶等)的研制、厚度、分布、基本阻尼参数等进行深入研究,科学评定其阻尼效应,并开展夹置粘弹性体对索体结构的减振机理研究。

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5、结语

 

斜拉索作为斜拉桥的“生命索”,在斜拉桥中承担着不可替代的作用,一旦斜拉索断裂后果将不堪设想。目前斜拉索常用热挤成型的高密度聚乙烯(HDPE)外护套来隔绝拉索和外界环境,但在实际使用中因护套破裂而导致拉索腐诎的案例屡见不鲜,因此斜拉索防腐问题是一个世界范围性的问题。

围绕该问题,在列举了国内、外斜拉索破坏案例的基础上,阐述了目前常用的HDPE防护系统的构造,分析了影响索体HDPE外护套使用性能的主要因素;继而提出了长纤维增强护套结构以及在斜拉索护套与受力钢拉索之间设置粘弹性隔离层的后续研究建议,可供斜拉桥斜拉索防护技术研究与应用

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