編者按

    從19世紀(jì)中葉起，當(dāng)羅布林開啟了懸索橋設(shè)計(jì)之門，其主纜防護(hù)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(guó)羅德島，1969年）和比德韋爾欄橋（美國(guó)加州奧路委，1965年），采用了玻璃纖維增強(qiáng)的丙烯酸。威廉·普雷斯頓·蘭恩紀(jì)念橋（切薩皮克2橋，美國(guó)馬里蘭州，1973年）則采用了氯丁橡膠帶。

 

    正確的主纜防護(hù)對(duì)懸索橋的重要性

    2007 年，新港橋的主纜首先進(jìn)行內(nèi)檢，玻璃纖維增強(qiáng)的丙烯酸防護(hù)效果非常好，這與美國(guó)其他纏絲防護(hù)主纜的防護(hù)結(jié)果完全不同。認(rèn)識(shí)到主纜上覆蓋不透水層的優(yōu)勢(shì)后，很多美國(guó)懸索橋在纏絲保護(hù)層的外面增加了彈性覆蓋層?，F(xiàn)在，歐洲和日本有很多橋梁采用了除濕系統(tǒng)對(duì)主纜防護(hù)，干空氣充滿主纜與彈性覆蓋層可以確保濕氣不會(huì)進(jìn)入主纜。

    正確的主纜防護(hù)對(duì)任何懸索橋都很重要，因?yàn)椋?. 極長(zhǎng)的設(shè)計(jì)壽命（ 超過120 年）；2. 主纜更換困難，尤其很長(zhǎng)的主纜，雖然近些年也有些更換主纜的案例（例如法國(guó)的唐卡維爾橋），對(duì)于大跨度懸索橋的主纜長(zhǎng)度和直徑，其更換工作非常艱巨；3. 比較惡劣的環(huán)境；4. 高應(yīng)力條件下的主纜鋼絲。

圖1 傳統(tǒng)主纜防護(hù)系統(tǒng)

    傳統(tǒng)的主纜防護(hù)系統(tǒng)絕大多數(shù)橋梁仍然在用，羅布林為布魯克林大橋設(shè)計(jì)的主纜防護(hù)系統(tǒng)，平行鋼絲鍍鋅、涂抹密封膏、纏繞軟鍍鋅鋼絲、再進(jìn)行油漆涂裝，又稱為四元系統(tǒng)。（如圖1）

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

    現(xiàn)代的主纜防護(hù)系統(tǒng)

圖2 日本來島海峽大橋的預(yù)制平行鋼絲束架設(shè) （PPWS）

    在過去20 年中，美國(guó)深入檢查了幾座懸索橋的主纜，發(fā)現(xiàn)了不同程度的銹蝕，并促使在新建橋梁和修復(fù)橋梁中采用不同的主纜防護(hù)方案。類似的檢查也在英格蘭和蘇格蘭進(jìn)行，通過這些主纜檢查和測(cè)試獲得的信息，對(duì)開發(fā)新型的主纜防護(hù)方法非常有用。

    防水鋅密封膏

圖3

    傳統(tǒng)防護(hù)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(duì)健康和環(huán)境的危害，一家意大利公司專門開發(fā)了具有專利權(quán)的彈性富含鋅的密封膏（Elettrometall8870），應(yīng)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(yīng)用已超過20 年，但為適應(yīng)主纜環(huán)境需求，把材料的混合配方進(jìn)行了修改，同時(shí)保證其耐久性滿足大貝爾特大橋設(shè)計(jì)要求。這種密封膏在采用前經(jīng)過了業(yè)主的詳細(xì)測(cè)試和嚴(yán)格審查，由一種濕固化的液態(tài)聚氨酯彈性體與鋅粉混合，金屬鋅占重量的95%，確保對(duì)主纜的最佳陰極保護(hù)。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(jìn)入主纜。

    這種密封膏被用于美國(guó)加州的新卡齊尼茲海峽大橋（New Carquinez Straits Bridge），同時(shí)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(jìn)行了試用。它的彈性性能在主纜的保護(hù)方面要比紅鉛膏優(yōu)秀很多。

    另一種最近發(fā)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(guó)主纜修復(fù)時(shí)開發(fā)出來的。在2000-2001 年，被應(yīng)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(shí)，發(fā)現(xiàn)密封膏非常好，仍是柔軟并連續(xù)的，這個(gè)密封層起到了很好的防水作用。這種材料同時(shí)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(fù)載下的伸縮，有可能對(duì)纏絲外的涂料造成破壞，水就會(huì)通過纏絲間隙進(jìn)入主纜，尤其是采用非柔性涂料系統(tǒng)時(shí)更加嚴(yán)重。

圖5 S形纏絲細(xì)部構(gòu)造

    因此，日本開發(fā)出一種能提高密封性的新型S 形纏絲。其設(shè)計(jì)了一種互鎖的截面（如圖5），纏絲間不留空隙，形成一個(gè)光滑的表面，有利于提高涂層的耐久性。S 形纏絲已經(jīng)應(yīng)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(yīng)用不多，因?yàn)镾 形纏絲需要特殊的安裝設(shè)備，但美國(guó)舊金山的新奧克蘭海灣大橋采用了此技術(shù)。

    彈性纏包

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

    氯丁橡膠纏帶系統(tǒng)可以防止大氣中的水進(jìn)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(gè)“瓦”的效果，并防止水從螺旋接縫進(jìn)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(yǎng)護(hù)服務(wù)。

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(yīng)用

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

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(tǒng)，在已有纏絲的主纜上，能有效地防止水進(jìn)入。另一種替代材料被用于美國(guó)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(gè)專有系統(tǒng)（ 見圖7），被稱為Cableguard，由美國(guó)D.S.Brown公司銷售。這一系統(tǒng)采用氯磺化聚乙烯復(fù)合材料，螺旋纏繞安裝，并用特殊的加熱毯進(jìn)行加熱固化，加熱使材料收緊，并與自身熔接，形成非?？煽康姆浪?。

    彈性涂層

圖8 Noxyde涂層被用于美國(guó)蒙哥馬利市熊山大橋（Bear Mountain Bridge）主纜防護(hù)（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(hù)。因?yàn)樗鼈兙邆涓哌_(dá)200%的伸長(zhǎng)率且不開裂或不剝落的能力，已經(jīng)成功應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)證明壽命很長(zhǎng)，尤其是在耐高鹽霧和化學(xué)銹蝕方面。涂層的其中一種成分是Noxyde，最初只在比利時(shí)生產(chǎn)，現(xiàn)在也在其他國(guó)家授權(quán)生產(chǎn)（ 圖8）。在日本，柔性含氟涂層也被應(yīng)用。

    干燥除濕系統(tǒng)

    在明石海峽大橋選取高強(qiáng)鋼絲的過程中進(jìn)行了一次有關(guān)在役懸索橋主纜防護(hù)技術(shù)的綜合研究。從1988 年開始，相繼對(duì)幾座本州——四國(guó)聯(lián)絡(luò)線上在役懸索橋主纜內(nèi)部包含索夾部位進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明一些主纜僅服役幾年表面便出現(xiàn)了銹蝕現(xiàn)象。這次檢測(cè)促使本州——四國(guó)聯(lián)絡(luò)橋管理局開始了對(duì)主纜銹蝕原因和修補(bǔ)方法的探究。通過研究美國(guó)懸索橋主纜銹蝕典型特征發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)主纜防護(hù)系統(tǒng)并不能完全阻止水分的入侵，其通過外包裹層間斷部位進(jìn)入主纜，或當(dāng)周圍氣壓改變時(shí)以水蒸氣的形式進(jìn)入主纜。含有水分的空氣進(jìn)入索股間的空隙部位，并在溫度下降時(shí)凝結(jié)成液態(tài)水。研究試驗(yàn)表明：主纜索股表面持續(xù)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(nèi)部的相對(duì)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(fā)生。當(dāng)相對(duì)濕度低于60% 時(shí)，無論鋼絲是否鍍鋅，或是否在含鹽大氣中，銹蝕都不會(huì)發(fā)生，將空氣中的鹽分移除也證明了這個(gè)結(jié)論。

    在研究中，還對(duì)不同密封膏材料性能進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，包含紅鉛膏、磷酸鋁膏、鉻酸鋅膏以及聚合有機(jī)鉛膏，但測(cè)試結(jié)果表明，沒有一種密封膏可以對(duì)主纜進(jìn)行足夠的密封，特別是在濕熱的環(huán)境中。值得注意的是，在日本的某些地區(qū)，夏季濕度會(huì)超過80%。

    因此，明石海峽大橋最終采用了一種新的主纜防護(hù)體系，它包含氯丁橡膠纏包系統(tǒng)以及干燥除濕系統(tǒng)。為了確保系統(tǒng)的氣密性和水密性，氯丁橡膠被用于剔除了密封膏的傳統(tǒng)索股的纏包（氯丁橡膠纏包系統(tǒng)不再需要密封膏）。此外，索夾區(qū)域的氣密性是系統(tǒng)的關(guān)鍵，應(yīng)用含有橡膠和硅樹脂的密封劑可以保證索夾區(qū)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(qū)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(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量決定。由于每套纜索體系配置都不同，所需注入氣壓應(yīng)在橋梁設(shè)計(jì)過程中確定，并與制造商協(xié)商。主纜內(nèi)部氣壓應(yīng)小于3kPa，在每一進(jìn)氣口中，空氣的進(jìn)氣率是1.26m3/min。直徑為0.1-0.2μm的細(xì)濾器可以在空氣進(jìn)入主纜前篩除鹽分粒子。出氣口的空氣相對(duì)濕度控制在40%。

圖9 明石海峽大橋干燥除濕系統(tǒng)構(gòu)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(tǒng)于1997 年11 月29 日啟用，第1 個(gè)月，空氣注入氣壓是1kPa，之后增加至2kPa。1 個(gè)月之后，主纜內(nèi)的相對(duì)濕度降低至10%;之后在10 年的不間斷觀察中，沒有發(fā)現(xiàn)主纜銹蝕現(xiàn)象。在明石海峽大橋干燥除濕系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)并不需要在主纜內(nèi)進(jìn)行大體積的空氣循環(huán)，只需要主纜具有足夠的密封性以保證其內(nèi)穩(wěn)定的正氣壓，就可以防止其他外界空氣進(jìn)入，從而防止銹蝕的發(fā)生。隨著時(shí)間的推移，良好的氣密性須通過合適的日常維護(hù)得以保持。在索夾處，就像現(xiàn)有的主纜防護(hù)系統(tǒng)一樣，已損壞或者老化的填縫需要及時(shí)修理或更換。在塔頂主索鞍及錨室內(nèi)，注入空氣將會(huì)泄漏，因此封閉是必須的，這些簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)則需要較少的維護(hù)。

    系統(tǒng)在合理的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)下，出現(xiàn)故障的機(jī)會(huì)將會(huì)很小。即使干燥除濕系統(tǒng)停止工作，在鼓風(fēng)機(jī)照常運(yùn)行的情況下，潮濕空氣的進(jìn)入對(duì)主纜也不會(huì)有太大的影響，這是由于濕度感應(yīng)器和物理設(shè)備的常規(guī)檢查，將會(huì)識(shí)別出這種情況并引起有關(guān)部門的注意。

    干燥空氣注入系統(tǒng)現(xiàn)已被安裝在本州——四國(guó)聯(lián)絡(luò)線上所有懸索橋中，類似的系統(tǒng)也將被應(yīng)用于挪威、丹麥和英國(guó)。一些美國(guó)橋梁業(yè)主也在考慮應(yīng)用干燥空氣注入系統(tǒng)的可能性。

    懸索橋主纜的檢測(cè)與評(píng)估

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

    美國(guó)的懸索橋超過100 座，其中大部分的橋齡都在40 年以上。經(jīng)驗(yàn)告訴他們，懸索橋主纜在建成30 年內(nèi)要進(jìn)行一次深入的檢測(cè)，越早越好。檢測(cè)應(yīng)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(duì)索股進(jìn)行可視檢測(cè)的基礎(chǔ)之上（如圖10）。如果條件許可，還應(yīng)對(duì)索股進(jìn)行采樣用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試分析。

    基于橋梁業(yè)主和顧問的經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)聯(lián)邦公路管理局（FHWA）對(duì)主纜的這種特殊檢測(cè)制定了相應(yīng)的基本準(zhǔn)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(zhǔn)則還包含了評(píng)估銹蝕主纜剩余強(qiáng)度的計(jì)算方法。

明石海峽大橋

    主纜特殊檢測(cè)的主要內(nèi)容包括：

    1. 主纜、索夾、吊索、索鞍、索套、索股以及錨固區(qū)相關(guān)部件的目視檢測(cè)。

    2. 基于目視檢測(cè)結(jié)果，選擇合適的區(qū)域剖開主纜進(jìn)行深入檢查，F(xiàn)HWA 有關(guān)橋梁斷裂關(guān)鍵部位檢測(cè)手冊(cè)中，推薦每條主纜選擇4 個(gè)區(qū)域進(jìn)行剖開檢查，這4 個(gè)區(qū)域通常位于主跨最低點(diǎn)、邊跨最低點(diǎn)、主跨較高處某點(diǎn)以及另一主跨邊跨較高處某點(diǎn)。值得注意的是，除了手冊(cè)的指導(dǎo)意見外，還應(yīng)考慮每座橋各自不同的特點(diǎn)。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(zhǎng)，導(dǎo)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(chǎn)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(dá)，但也應(yīng)該在這些部位增加一個(gè)主纜檢測(cè)區(qū)域。如果懷疑主索鞍處的纜索防護(hù)存在損傷，也應(yīng)將其保護(hù)層打開。

    根據(jù)以上檢查結(jié)果，后續(xù)可能會(huì)增加主纜剖開檢查區(qū)域，后續(xù)檢查將根據(jù)橋齡和橋梁所處環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行安排，橋齡可分為5 年、10 年、20 年和30 年4 個(gè)等級(jí)。

    業(yè)主應(yīng)在選擇區(qū)域的多少和成本之間進(jìn)行權(quán)衡。成本受檢測(cè)通道難易程度、主纜纏包細(xì)節(jié)、區(qū)域長(zhǎng)度和檢測(cè)時(shí)間的影響。此外，當(dāng)?shù)丨h(huán)境也是選擇區(qū)域多少的一個(gè)重要影響因素。在主纜技術(shù)狀況較好的情況下，第一次開纜檢查可以選擇在較少的區(qū)域進(jìn)行，之后每隔5 年增加檢查區(qū)域的主纜檢測(cè)方式。在美國(guó)，很多在役的懸索橋主纜檢測(cè)都是選擇的這種策略。

    3. 業(yè)主應(yīng)要求具備資質(zhì)的承包商，在投標(biāo)過程中闡明剖開現(xiàn)有主纜外殼以放置木楔進(jìn)行檢測(cè)過程中所需的工作平臺(tái)、人員、工具、設(shè)備以及材料等相關(guān)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(tǒng)工作狀況良好，在剖開區(qū)域應(yīng)采用與原系統(tǒng)相同的材料再次進(jìn)行纏包。如果主纜原本的纏包系統(tǒng)工作狀況較差，應(yīng)考慮為整個(gè)主纜更換更好的防護(hù)系統(tǒng)。

圖11 典型索股銹蝕：階段1到4 （從上到下）

    4. 對(duì)索股測(cè)試進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)定，并向具有資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室征求意見。即使發(fā)現(xiàn)主纜的狀況良好，也建議從索股中截取部分樣本帶回實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)其化學(xué)和物理特性。如果一些索股表現(xiàn)為鋅銹蝕，而一些索股表現(xiàn)為不同程度的黑色金屬銹蝕，每種不同銹蝕都應(yīng)截取至少一段樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。相較于將主纜外殼剖開而付出的代價(jià)，截取索股進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的代價(jià)非常小，這種能夠詳細(xì)了解索股工作狀態(tài)的機(jī)會(huì)不應(yīng)被錯(cuò)過。

    5. 監(jiān)督主纜剖開以及放置木楔的過程，檢測(cè)內(nèi)部纜索，并對(duì)楔形槽內(nèi)部狀況進(jìn)行記錄和拍照。整個(gè)主纜截面的狀況可以由不同扇形區(qū)域的狀況外插求得。如果主纜狀況不佳，所獲得的數(shù)據(jù)將被用于計(jì)算主纜的剩余強(qiáng)度。

    索股銹蝕等級(jí)可分為：

    （1）無銹蝕（氧化鋅斑點(diǎn)）

    （2）存在白色鋅銹蝕物（整個(gè)表面上）

    （3）偶有黑色金屬銹蝕（最高達(dá)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(jí)的基本劃分辦法（ 如圖11）。括號(hào)中的附加說明項(xiàng)是由國(guó)家合作公路研究項(xiàng)目（NCHRP）制定的新準(zhǔn)則中提出的。

    6. 監(jiān)督索股試驗(yàn)并出具結(jié)果報(bào)告。索股試驗(yàn)是根據(jù)不同性質(zhì)將索股劃分不同銹蝕等級(jí)的基礎(chǔ)，也是在全壽命期內(nèi)日后查看索股銹蝕變化情況的對(duì)比基礎(chǔ)。如果需要，還應(yīng)將試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于計(jì)算主纜的殘余強(qiáng)度。

    7. 撰寫包含以上所有檢測(cè)內(nèi)容的檢測(cè)報(bào)告，對(duì)纜索狀況進(jìn)行評(píng)估，并給出相應(yīng)養(yǎng)護(hù)建議。如果檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)了較為嚴(yán)重的病害，還應(yīng)建立數(shù)值分析模型，進(jìn)行主纜強(qiáng)度計(jì)算，在進(jìn)一步調(diào)查的基礎(chǔ)上給出修復(fù)或者監(jiān)測(cè)的建議。

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

    在美國(guó)，對(duì)于具有損傷的主纜，采用了全長(zhǎng)加油防護(hù)并進(jìn)行重新纏包的修復(fù)方式，這種方式需要在主纜下部搭建施工平臺(tái)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(nèi)，之后再用纏絲和密封膏將主纜重新進(jìn)行纏包，有時(shí)還采用氯丁橡膠再次進(jìn)行包裹（ 如圖12）。

    連續(xù)的主纜監(jiān)測(cè)

    很多在役橋梁都采用了聲學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)探測(cè)主纜鋼絲由于銹蝕或應(yīng)力銹蝕而產(chǎn)生的開裂，通過聲發(fā)射技術(shù)探尋結(jié)構(gòu)變化的原理。但直到現(xiàn)在，基于以上原理的大型結(jié)構(gòu)物的連續(xù)、自動(dòng)化、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)在實(shí)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(fā)了一套包含低成本數(shù)據(jù)獲取和計(jì)算的硬件系統(tǒng)，以及強(qiáng)大分析和數(shù)據(jù)管理的軟件系統(tǒng)的連續(xù)聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Sound Print ，并成功應(yīng)用于無粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的檢測(cè)中。

圖13 距鋼絲斷裂處5m的傳感器識(shí)別時(shí)域和頻譜圖

    連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)以及低成本的集中式數(shù)據(jù)處理是本技術(shù)的核心。系統(tǒng)軟件包含現(xiàn)場(chǎng)電腦的數(shù)據(jù)采集軟件包和數(shù)據(jù)分析及報(bào)告生成軟件包。數(shù)據(jù)采集軟件又會(huì)被更合適的專用軟件所代替。由于在很多早期項(xiàng)目中對(duì)鋼絲斷裂數(shù)據(jù)進(jìn)行了積累，這些數(shù)據(jù)便可用于訓(xùn)練數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)鋼絲斷裂的“識(shí)別”功能（圖13）。當(dāng)某些事件擁有鋼絲斷裂的所有已知特征時(shí)，它們就會(huì)被歸為“極為可能的鋼絲斷裂”事件；當(dāng)擁有鋼絲斷裂的一些已知特征時(shí)，它們就會(huì)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(jì)算鋼絲斷裂而產(chǎn)生的能量波穿越混凝土的時(shí)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(guó)道路中心實(shí)驗(yàn)室也研發(fā)了一款類似的系統(tǒng)，并在諾曼底的Tancarville 懸索橋上得到了應(yīng)用，但該系統(tǒng)不完善的信號(hào)處理技術(shù)，給系統(tǒng)區(qū)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(tǒng)在紐約的布朗克斯白石大橋（Bronx Whitestone Bridge） 進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，該橋主跨701m，于1939 年建成通車。該橋在主纜修復(fù)時(shí)安裝上監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主纜修復(fù)包括剔除主纜外殼、修復(fù)受損鋼絲以及填涂防腐油等，其間可以通過切割鋼絲來驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)鋼絲開裂的識(shí)別和定位能力。

    便攜式采集系統(tǒng)安裝在橋面板附近，系統(tǒng)測(cè)試便隨修復(fù)工程施工進(jìn)行。系統(tǒng)識(shí)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(huán)向誤差在7.5°范圍內(nèi)，鋼絲間由于鋼鑿聲而產(chǎn)生的聲音輕易地被識(shí)別并被過濾了。

圖14 錨室中的采集系統(tǒng)（左）纜索傳感器（右）

    數(shù)據(jù)分析顯示，僅在索夾上安裝一個(gè)傳感器就能夠很好地對(duì)斷裂進(jìn)行識(shí)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(jù)它與傳感器間的距離被識(shí)別的。數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝于錨室中，數(shù)據(jù)從傳感器經(jīng)由與主纜的同軸數(shù)據(jù)線傳送至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。在硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)中，還應(yīng)尤其注意設(shè)備的耐久性、安裝難易程度和維護(hù)等問題。傳感器支架的設(shè)計(jì)是為了保證安裝時(shí)不對(duì)索夾產(chǎn)生影響，以及不對(duì)涂層產(chǎn)生損壞（如圖14）。

    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含傳統(tǒng)電話以及備份服務(wù)，數(shù)據(jù)通過因特網(wǎng)傳遞至處理中心進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)還會(huì)經(jīng)該中心傳遞至位于行政大樓的第二個(gè)數(shù)據(jù)處理中心，這有利于養(yǎng)護(hù)人員及時(shí)掌握數(shù)據(jù)。與主纜同軸的數(shù)據(jù)線顯著增加了整個(gè)監(jiān)測(cè)的造價(jià)，且當(dāng)對(duì)主纜進(jìn)行日常維護(hù)作業(yè)時(shí)，很容易對(duì)這些線纜產(chǎn)生損傷，因此無線傳輸系統(tǒng)被應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(jì)念橋（William Preston Lane Bridge）無線數(shù)據(jù)發(fā)送器（美國(guó)）

    由于系統(tǒng)本身的敏感性，需要在現(xiàn)場(chǎng)就對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，從而減少傳輸數(shù)據(jù)量。濾波器的設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成功至關(guān)重要，如果濾波器沒能準(zhǔn)確校準(zhǔn)，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(shè)置得太過寬泛，就會(huì)在數(shù)據(jù)傳輸過程中產(chǎn)生體量龐大的圖14 錨室中的采集系統(tǒng)（左）纜索傳感器（右）數(shù)據(jù)信息。自布朗克斯白石大橋后（如圖15），這套系統(tǒng)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(guó)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)也在賓夕法尼亞州費(fèi)城的本杰明·富蘭克林大橋（Benjamin Franklin Bridge） 中得到了應(yīng)用。

    縱覽懸索橋主纜防護(hù)的發(fā)展歷程，傳統(tǒng)四元系統(tǒng)經(jīng)歷了增強(qiáng)防水密封膏、增強(qiáng)纏絲、增強(qiáng)彈性涂層之后，防護(hù)效果仍不能滿足需求，一些新的元素加入到主纜防護(hù)系統(tǒng)中，如彈性纏包、干燥除濕、主纜監(jiān)測(cè)以及主纜檢測(cè)評(píng)估。這些新元素不僅有保護(hù)主纜的新技術(shù)，還有主動(dòng)防腐的新理念，更有監(jiān)測(cè)檢測(cè)的智能化新方向，形成更加全面的主纜防護(hù)系統(tǒng)?，F(xiàn)代的主纜防護(hù)系統(tǒng)正沿著多元化的趨勢(shì)發(fā)展，而新的主纜防護(hù)技術(shù)涌現(xiàn)，必然在這些新的發(fā)展方向中。

 

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責(zé)任編輯：王元

 

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