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商漢章，白華棟，劉偉，馮剛，師華，楊震波
（北京航材百慕新材料技術(shù)工程股份有限公司，北京 100095）
摘要：概述了近年來國內(nèi)外懸索橋主纜腐蝕防護(hù)新技術(shù)，包括日本的S型纏絲系統(tǒng)、D．S．Brown公司的Cableguard系統(tǒng)和國內(nèi)的不干性密封膏+纏絲+聚硫橡膠包覆層+881系統(tǒng)重防腐涂裝材料防護(hù)體系。分析了引進(jìn)S型纏絲系統(tǒng)工藝中在生產(chǎn)和施工工藝、涂裝材料及密封方面存在的問題。認(rèn)為引進(jìn)、吸收S型纏絲系統(tǒng)，深化Cableguard系統(tǒng)的研究，使它們國產(chǎn)化，結(jié)合中國現(xiàn)狀研發(fā)新的密封系統(tǒng)，提高施工人員以及施工管理人員的綜合素質(zhì)等是解決懸索橋主纜腐蝕防護(hù)問題的關(guān)鍵。
關(guān)鍵詞：懸索橋；主纜；腐蝕防護(hù)；纏絲；除濕；柔性涂層
中圖分類號(hào)：TG178 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：1004 - 227X (2012) 09 - 0071 - 04
1前言
主纜防護(hù)系統(tǒng)的作用是保護(hù)主纜免受腐蝕侵害。懸索橋的主纜在其橋梁設(shè)計(jì)生命周期內(nèi)是不可更換構(gòu)件，是懸索橋的主要承力結(jié)構(gòu)，其防腐質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到大橋的使用壽命。國外超過30年服務(wù)期的懸索橋出現(xiàn)的種種腐蝕防護(hù)問題說明，傳統(tǒng)的主纜保護(hù)系統(tǒng)-Roebling系統(tǒng)不能完全防止腐蝕，僅僅是能夠延緩腐蝕速度。再加上新的大跨度懸索橋主纜的設(shè)計(jì)安全系數(shù)較小，加重了其對(duì)腐蝕的敏感度。1996年，美國對(duì)紐約地區(qū)的橋梁主纜進(jìn)行了詳細(xì)的開放性檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)主纜鋼絲的銹蝕相當(dāng)嚴(yán)重[1-2]。因此，主纜防護(hù)新技術(shù)的開發(fā)和研究刻不容緩。
2國外主纜新防護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀
目前，國際上主流的主纜防護(hù)新技術(shù)是一種干燥空氣防護(hù)體系，即將干燥空氣通過壓力注入主纜內(nèi)部，使其形成干燥的主纜內(nèi)環(huán)境，阻止主纜的腐蝕。這一體系得到了廣泛的認(rèn)可及應(yīng)用，且在提高干燥空氣利用率以及降低損耗方面，發(fā)展出了不同的防護(hù)技術(shù)，主要有以日本為代表的S型纏絲系統(tǒng)和以歐美為代表的Cableguard系統(tǒng)。2種系統(tǒng)的目的相同，即加強(qiáng)主纜防護(hù)層的密封、減小干空氣的泄漏，但其各自的研究重點(diǎn)不同。
日本S型纏絲技術(shù)從纏絲層的材料形狀入手，將圓形纏絲的貼合構(gòu)造改為異型纏絲的扣合構(gòu)造，形成了類似螺紋的結(jié)構(gòu)，在主纜表面形成了金屬套筒，增大了空氣逸出的阻力，減少了內(nèi)部空氣的泄漏。S型鋼絲纏繞完畢之后要對(duì)其進(jìn)行防腐涂裝。目前，S型鋼絲的外涂裝系統(tǒng)主要是由日本起源的柔性涂料體系，其涂裝方案031（以潤揚(yáng)長江公路大橋?yàn)槔┤绫?所示。S型纏絲的外防護(hù)體系為200 μm的涂層，一旦涂層出現(xiàn)老化或由其他原因引起涂層開裂，就可能對(duì)主纜的防腐帶來不良影響，使主纜除濕系統(tǒng)不能完全發(fā)揮其功效。
在歐美，比較新的鋼絲表面防腐防護(hù)技術(shù)是由D．S．Brown公司發(fā)明的纏包帶防護(hù)體系(CableguardTM Elastomeric Cable Wrap System)。Cableguard系統(tǒng)也是從纏絲外層防護(hù)層入手，采用具有更高韌性及強(qiáng)度的高分子保護(hù)層在主纜表面形成高分子套筒，同樣增加了空氣逸出的阻力，減少內(nèi)部空氣的泄漏。其主要性能如表2所示。
Cableguard纏包帶主纜防護(hù)體系有如下特點(diǎn)[4]：(1)不用涂裝色漆，也不會(huì)存在褪色問題；(2)主纜纏包帶系統(tǒng)通過50%的搭接方式對(duì)懸索橋主纜進(jìn)行螺旋纏繞，纏繞系統(tǒng)表面平滑；(3)對(duì)纏繞好的纏包系統(tǒng)通過加熱的方式使搭接部位粘接成一個(gè)密閉的整體；(4)主纜纏包帶施工過程是通過一種專門的半自動(dòng)設(shè)備進(jìn)行，纏包速度快；(5)索夾、索套等部位的密封通過機(jī)器結(jié)合人工操作的方式進(jìn)行。
綜上所述，Cableguard主纜纏包系統(tǒng)具有環(huán)保、施工效率高等特點(diǎn)，但施工時(shí)要求施工人員的素質(zhì)很高，施工以及維護(hù)設(shè)備需要專門的技術(shù)人員操作。
3國內(nèi)懸索橋主纜防護(hù)新技術(shù)現(xiàn)狀及存在的問題
我國現(xiàn)采用的懸索橋主纜防腐技術(shù)主要是由北京航空材料研究院研制的體系，即：不干性密封膏+纏絲+聚硫橡膠包覆層+881系統(tǒng)重防腐涂裝材料。索．夾等結(jié)構(gòu)縫隙采用聚硫橡膠密封劑做防水密封[5]。近年來，該體系已應(yīng)用于國內(nèi)新建造的多座大型懸索橋梁，工藝較成熟，密封性能較好。
從2004年潤揚(yáng)長江公路大橋開始，引進(jìn)全套日本技術(shù)，包括除濕系統(tǒng)、主纜纏絲系統(tǒng)、纏絲后的涂裝系統(tǒng)、施工設(shè)備等，開始了主纜防護(hù)新技術(shù)的探索。2009年，在泰州大橋的應(yīng)用上對(duì)潤揚(yáng)大橋的技術(shù)了全面國產(chǎn)化，并進(jìn)行了小范圍的創(chuàng)新。與此同南京長江四橋與泰州長江大橋走了完全自主創(chuàng)新線，在進(jìn)行國產(chǎn)化纏絲、涂裝的同時(shí)，自主研發(fā)了新型節(jié)能設(shè)備，徹底擺脫了在設(shè)備方面對(duì)日本技術(shù)的依賴。
但在國內(nèi)已經(jīng)實(shí)施或正在實(shí)施的3個(gè)項(xiàng)目中在一些問題的。主要有以下幾方面：
(1)在S型纏絲生產(chǎn)和施工工藝方面，潤揚(yáng)長江公路大橋的S型纏絲為日本新曰鐵產(chǎn)品，生產(chǎn)允偏差為±0.08 nun（寬度、高度），但在泰州大橋與南京四橋國產(chǎn)化中，由于生產(chǎn)工藝原因，這一指標(biāo)降為±0.15 mm（寬度）和±0.08 mm（高度）。此項(xiàng)指標(biāo)的降低使S型纏絲本來就存在的應(yīng)力集中問題更加突出，如在施工過程中個(gè)別部位出現(xiàn)的縫隙達(dá)到2.6 cm，使S型纏絲的密封性能大大下降。
(2)在涂裝材料方面，按照日本S型纏絲的技術(shù)要求，外層涂料需要具備很好的韌性、密封性及耐久性，并且在施工中，涂料需要嵌入到S型纏絲的縫隙中，以彌補(bǔ)纏絲縫隙的密封不足。這幾點(diǎn)在國產(chǎn)化中均作了一些改進(jìn)，但都沒有做到完善，尤其是材料方面，經(jīng)常顧此失彼，不能全面滿足要求。另外，國內(nèi)對(duì)于材料特性的國家級(jí)檢測(cè)并不嚴(yán)謹(jǐn)，也使得材料方面保證不足，其防腐效果在后期使用過程中有待實(shí)際考察。
(3)在密封方面，由于采用了S型纏絲，主纜伸長變形后，纏絲間環(huán)環(huán)相扣，無法均勻變形，變形位置都集中在索夾根部等纏絲端，造成變形量非常大。但這些部位由于沒有纏絲，需要更好的密封措施，對(duì)密封材料提出了前所未有的要求，如韌性和黏性要求非常高，耐久性也要很好，以及施工要更可靠等。目前，國內(nèi)能滿足這一要求的材料非常少，施工案例更加少，尚不能同時(shí)解決材料與施工的問題。
4懸索橋主纜防護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)及需要解決的問題
懸索橋主纜的防護(hù)采用主動(dòng)的防護(hù)措施，即應(yīng)用除濕系統(tǒng)是大勢(shì)所趨。因?yàn)殇摻z在濕度為60%以下的情況下腐蝕速度非常緩慢，但是主纜除濕系統(tǒng)成功應(yīng)用的一個(gè)前提是對(duì)主纜進(jìn)行良好的密封，所以主纜密封系統(tǒng)的研究成為今后主纜防護(hù)的關(guān)鍵課題之一。
鑒于目前我國主纜防護(hù)存在的問題，國內(nèi)現(xiàn)有防護(hù)體系還有待進(jìn)一步創(chuàng)新，且需要研發(fā)更好的材料和配套體系以及進(jìn)一步提高國內(nèi)施工人員的綜合素質(zhì)。
4.1引進(jìn)吸收日本的防護(hù)技術(shù)，使其國產(chǎn)化
引進(jìn)、吸收和改進(jìn)日本新的主纜防護(hù)系統(tǒng)：主纜除濕系統(tǒng)+S型纏絲+柔性涂料體系。此體系已經(jīng)在潤揚(yáng)長江公路大橋、泰州大橋以及正在施工中的南京四橋得到應(yīng)用，但是國產(chǎn)S型鋼絲的性能與國外公司產(chǎn)品相比有一些差異，閉氣、閉水性能還有待提高。另外，柔性涂料系統(tǒng)還需加快研發(fā)和驗(yàn)證進(jìn)度。由于存在涂層厚度比較薄等隱患，如出現(xiàn)弊病會(huì)直接影響除濕系統(tǒng)的效果。因此，可以通過選擇更合適的防腐材料以及涂層體系設(shè)計(jì)來保證整個(gè)系統(tǒng)的良好運(yùn)行。目前，需要做的工作主要有以下幾點(diǎn)：
(1)S型纏絲的生產(chǎn)工藝需要進(jìn)一步提高。纏絲是主纜防護(hù)的主要材料，只有提高纏絲的性能，才能更好地保證主纜防護(hù)系統(tǒng)的防護(hù)壽命。
(2)S型纏絲外的施工工藝要根據(jù)國內(nèi)的現(xiàn)狀，充分考慮施工人員的綜合素質(zhì)，盡量降低施工難度，研發(fā)更好的纏絲設(shè)備。
(3)柔性涂料防護(hù)體系的研究首先從涂料體系的基本性能入手，研發(fā)性能更優(yōu)異的柔性涂料系列產(chǎn)品，然后從涂層體系包括涂料的配套體系和涂層厚度等方面研究更合適、性能更優(yōu)異的柔性涂料防護(hù)體系。
4.2深化Cableguard系統(tǒng)的研究，使其國產(chǎn)化
引進(jìn)、吸收歐美等地區(qū)使用的Cableguard系統(tǒng)，配合主纜除濕以及S型纏絲系統(tǒng)組成防護(hù)系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用了固態(tài)膠帶的方式進(jìn)行纏絲外層防護(hù)，對(duì)主纜進(jìn)行疊加纏繞，并通過熱熔方式實(shí)現(xiàn)密封及穩(wěn)固。由于它具有非常好的密封性能，因此可以降低對(duì)纏絲的密封要求，而能滿足索夾部位的拉伸變形要求。其使用壽命可通過新材料的應(yīng)用不斷延長。更重要的是，這一系統(tǒng)的施工非常方便，而且快捷，在國外的很多老橋改造上得到應(yīng)用，效果良好。但是，此技術(shù)若在國內(nèi)應(yīng)用，還須經(jīng)過充分的論證，并由專業(yè)的施工人員進(jìn)行施工。
由于國內(nèi)尚無Cableguard系統(tǒng)在懸索橋主纜防護(hù)工程中的應(yīng)用實(shí)例，因此，需要將國外的技術(shù)引進(jìn)吸收，在充分了解其物理性能以及施工性能的前提下對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)新。盡管此項(xiàng)技術(shù)在歐美等地區(qū)已經(jīng)成功應(yīng)用，但我國的氣候環(huán)境復(fù)雜，空氣質(zhì)量相對(duì)較差，懸索橋所處腐蝕環(huán)境比較惡劣，國外的Cableguard系統(tǒng)能否完全滿足我國懸索橋的防護(hù)要求，還需大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。筆者認(rèn)為，在充分吸收此項(xiàng)技術(shù)的情況下，可以考慮采用比氯磺化聚乙烯性能更優(yōu)異的丙烯酸改性聚乙烯聚合物或氟改性聚乙烯聚合物等作為纏包帶主要材料，然后采用比熱塑性氯丁橡膠性能更好的粘接系統(tǒng)，使能耗更低，操作更簡便。
4.3結(jié)合我國現(xiàn)狀研發(fā)新的密封系統(tǒng)
懸索橋主纜的防護(hù)在綜合考慮我國現(xiàn)有材料、技術(shù)以及相關(guān)人員和機(jī)構(gòu)的整體素質(zhì)的情況下，可采用主纜除濕+S型纏絲+聚硫密封膠+881防腐涂料的防護(hù)體系。此體系可以通過國內(nèi)現(xiàn)有材料、技術(shù)的良好結(jié)合，既能通過除濕系統(tǒng)主動(dòng)提高主纜的防腐性能，又能結(jié)合S型纏絲防護(hù)系統(tǒng)和密封膠系統(tǒng)形成良好的密封系統(tǒng)，使除濕系統(tǒng)能夠良好運(yùn)轉(zhuǎn)，且施工難度不是很大，防腐性能可靠。
4.4提高主纜防護(hù)相關(guān)人員的素質(zhì)
無論是S型纏絲、纏包帶還是密封膠、涂料，它們?cè)谥骼|防護(hù)中都是半成品，都需要相關(guān)人員進(jìn)行施工才能成為主纜防護(hù)體系。所以，為了推動(dòng)主纜防護(hù)新技術(shù)的應(yīng)用，提高主纜防護(hù)體系的可靠性及使用壽命，需要提高施工人員以及施工管理人員的綜合素質(zhì)。另外，還需加大監(jiān)管部門的監(jiān)管力度，使材料的性能更可靠。
5結(jié)論
主纜除濕系統(tǒng)和S型纏絲系統(tǒng)的應(yīng)用是懸索橋主纜防護(hù)的一個(gè)趨勢(shì)，S型纏絲系統(tǒng)的密封還有不少問題需要解決，此項(xiàng)工作任重道遠(yuǎn)。但是經(jīng)過國內(nèi)相關(guān)人員的共同努力，一定能使國外新技術(shù)國產(chǎn)化，并結(jié)合我國的現(xiàn)實(shí)情況開發(fā)出更適合中國國情的主纜防護(hù)體
系，更好地保證懸索橋主纜的使用壽命。
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