悬索桥主缆加隙辅助除湿研究

刘学青,庄琳，舒健

(1.湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南 长沙 410004；2. 中国水电建设集团房地产(长沙)有限公司，湖南 长沙 410007；3. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)



悬索桥主缆加隙辅助除湿研究

刘学青1,庄琳2，舒健3

(1.湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南 长沙 410004；2. 中国水电建设集团房地产(长沙)有限公司，湖南 长沙 410007；3. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

采用S形钢丝缠绕和除湿技术进行主缆除湿，干燥空气进入米级直径主缆内层以及钢丝间有效层流非常困难。等间距改变钢丝断面成非标准圆，增大成缆时丝间空隙；将S形钢丝缠绕改成波形断面钢带缠绕，增大主缆表层与缠绕物料间间隙；在缠绕物料间夹塞密封用软质材料，提高主缆外包防护自密性和耐候能力；通过以上辅助措施，可增大表层和丝间间隙，使气流沿主缆表层纵览向流动通畅，并有效紊流贯通于内层钢丝间，能显著提高主缆除湿效率。

缆索；除湿；钢丝

随着科技发展和现实需求，越来越多的项目选择修建斜拉桥和悬索桥，在重载铁路、公铁两用桥梁领域，如蒙西华中铁路洞庭湖大桥、五峰山长江特大桥都选择了索支桥梁。对于斜拉桥和悬索桥，索体是主承力结构，其防腐直接影响使用寿命。

对于斜拉桥，采用整体制索工艺或是单根防护现场制索工艺，能够较好地解决索体防腐问题。而悬索桥主缆防腐工艺复杂，效果不佳，国外修建悬索桥历史悠久，许多已经出现主缆腐蚀问题。主缆钢丝腐蚀后强度没有降低，但延性和疲劳强度显著下降。很明显，腐蚀会减小钢丝断面，甚至引起断丝，从而减小了主缆有效应力。有资料表明，腐蚀导致主缆强度损失，严重时减少约35%(Williamsburg桥)[1]。

悬索桥主缆都采用了表层防护，国外开索检修结果发现，主缆防腐效果普遍不太理想，桥梁后续换索和维护费用相当高昂。受海洋强腐蚀环境所需，日本加强了主缆防护研究，率先开发并应用了主缆干燥除湿腐蚀防护系统，江苏润扬大桥南汉悬索桥引入该技术，该方法在国内迅速得到了应用。

1　缆索腐蚀机理及危害

研究表明,主缆腐蚀大多是从内部开始,主要是内部水分引起锈蚀，其它因素包括空气湿度、粉尘种类、氧气含量、酸碱度、钢丝应力、空气盐含量等等。主缆腐蚀形式有均匀腐蚀、凹痕腐蚀、裂缝腐蚀、应力腐蚀、氢裂化和疲劳腐蚀等，与缠丝和涂装等具体防护方式密切相关，也受桥梁所在地空气条件影响。[1-4]

Suzumural研究表明，厚度50 μm的热镀锌层在潮湿的腐蚀环境中，10 a内可能完全腐蚀消耗掉并露出底层钢丝，而在相对湿度小于60%环境中则需要211 a[1]。文献[2]也指出，湿气作用下的钢丝镀锌在10 a内会被消耗殆尽。

2　缆索腐蚀防护方法

叶华文等分别对未镀锌平行钢丝股、吊杆和拉索用钢绞线两种不同缆索形式的试件，采用富锌漆涂装法、环氧树脂漆涂装法、锌粉膏涂装法、环氧树脂填充法、油填充法和除湿法等6种常规防护方法进行加速腐蚀试验，通过分析腐蚀造成的质量损失和外观来对比各防护方法的有效性。试验表明，平行钢丝股经加速腐蚀试验l5个月后，除湿法对表层钢丝防护最有效，其后依次是环氧树脂填充法、锌粉膏涂装法、环氧树脂漆涂装法和富锌漆涂装法，油填充法效果不明显，而内部钢丝腐蚀程度远低于表层钢丝。加速腐蚀试验16个月后的防护钢绞线与未防护比较，结果表明大多数防护方法有效[5]。

主缆防护方法目前主要有3种，1种是采用圆形钢丝缠绕主缆配合涂层防护，第2种是采用合成护套封闭主缆表层进行防护，最新主流方法源自日本，采用S形钢丝缠绕主缆配合干燥空气除湿。日本采用S形钢丝缠绕和除湿技术之前，专门做了针对性试验，试验结果[3]表明，干燥空气能带走缆内水分，使缆内空气湿度降到60%以下，从而防止钢丝腐蚀；

3　缆索腐蚀部位

从国外多座悬索桥开索检查情况来看，锈蚀主要发生在主缆表面、索股内层和索夹低点，缠绕钢丝接触到的主缆侧面和底部特别严重。日本曾对本州四国联络桥主缆进行过调查，发现主缆内部存在水分，侧面和底部潮湿；索夹气密不严，底部索股有白色腐蚀；防腐涂料只能保护与涂料直接接触的索股[3]。

图1　瑞典霍加库斯腾(Högakusten)桥跨中主缆腐蚀照片[2]Fig.1 Main cable cross corrosion photos of Hoca Cuse Ten of Sweden (H, gakusten) Bridge[2]

4　干燥除湿防护缺陷

目前采用的干燥除湿防护，主缆表面有缠丝和涂装防护，在索夹位置通过敛缝来保证气密性，通过这些措施阻止外界水分进入。一些涂装系统细节缺陷、防护破损或敛缝缺陷，导致主缆不能一直保持完全气密，主缆与外界之间仍会有少量的空气交换。

缆内湿度和计划干燥时间是主缆除湿设计的关键参数，据以决定送气长度、送气流量及送气压力的合理确定，也是决定除湿机工作条件及功率的关键因素。索缆成缆前在空气中暴露时间长，雨水及冷凝水会滞留在索缆内部，受实际施工季节及工程所在地不同影响，每缆实际潮湿程度差别很大。由于目前没有有效的准确检测方法，只能凭工程经验进行推算。润扬大桥除湿系统设计时，主缆内部湿度就是根据因岛大桥湿度测量试验结果,综合明石海峡大桥相关数据后推测出来的。

在浩大的主缆腐蚀防护文献里，干燥除湿方法所援引数据基本上都注明是推测或是经验，极少部分是来自于试验。

主缆制索时对钢丝直线度、镀后直径和表观要求很高，工艺设计有专门的规圆工序，钢丝过模润滑后，圆度很高，表面光滑。经过规圆处理的主缆钢丝，在巨大的纵向拉力下，成缆后相互密贴成环形排列，送气夹将空气从主缆外层钢丝表面压入，干燥空气进入米级直径的主缆内层非常困难，加之缆内纵向送气主要是钢丝间平流，距送气夹一定距离时，内层丝间气体相当微弱，不能有效干燥主缆钢丝。

5　缆索加隙除湿方法

缆索加隙除湿方法，通过增加索内钢丝间隙，加大表层钢丝与索体防护空隙，让干燥空气有效贯通游走于各钢丝间，能大幅度提高除湿效率。

5.1间隔非圆钢丝概念

采用单丝间隔加环能有效增加成缆后钢丝间隙，只是在主缆编索时阻力很大，甚至会出现包环滑移或脱落，不利于施工。经数年研究，笔者提出间隔非圆钢丝概念，即在钢丝拉制时，采用随动夹持装置，对钢丝进行夹压，将钢丝标准的圆形断面改变成预定扁形。该种夹压按2 m或其他预设间距，扁形段长度为4 cm或其他预定长度，夹压变形为1 mm或其他预定量。处理后钢丝成束时扁形处必然出现缝隙，每丝扁形段对齐后能形成纵缆向等间隔的通风环。

图2　通风环示意图Fig.2 Schematic diagram of ventilation ring

5.2宽波钢带复合缠绕

S形钢丝缠绕系日本原生技术，缠绕成形后呈圆环状，与主缆钢丝环表层理论上讲相互密贴，空隙很小，干燥空气在主缆表层纵缆向流动不畅。S形钢丝缠绕系利用企口咬合，虽施以一定的缠绕张力，但必须与外包涂装防护配合，才能完成对主缆的密封。缠绕物料与主缆的相对温度变化、索夹间主缆应力波动等会引起缠绕物料与主缆在纵缆向的相对变形，由于采用企口咬合，与圆形钢丝相比，S形钢丝缠绕整体刚度较大，纵缆向抗变形能力很强，从而将变形集中到敛缝处，造成敛缝破损漏气。

采用宽波钢带缠绕，能增大主缆表层钢丝与缠绕物料间间隙，与表层数目众多的纵向小空隙配合，能显著提高表层纵缆向流动效率；宽波钢带缠绕时，在重叠波层间夹塞密封用软质薄层材料或腻子，施以一定的缠绕张力，能独立完成对主缆的密封；玻形缠绕结构既能适应纵缆向连续缠绕要求，又能均分与主缆的相对变形，免除敛缝因之破损。

图3　宽波钢带示意图Fig.3 Sketch map of wide wave band

图4　复合缠绕示意图Fig.4 Schematic diagram of compound winding

6　实际加隙效果

矮寨大桥主缆由169股单股127根φ5.25钢丝组成，按内部每丝互切考虑，紧缆后调动了846根外层钢丝位置，理论外径D=813mm，理论最小空隙率10.5%。矮寨大桥实际紧缆后最小直径为840mm，空隙率达16.2%，空隙面积为89 555mm2。

经计算，单个三角星形空隙面积1.11mm2，正四角星形空隙为5.91mm2，正六角星形空隙为28.31mm2，表层尖形空隙为2.99mm2，表层钢丝理论数为499根，理论上尖形隙总面积为1 490mm2，有7 320个正四角星形和1 581个正六角星形。

由三角星形空隙为0可知，紧缆后钢丝三丝相切相对较少，基本上以四丝和六丝围隙为主，非圆钢丝膨出部分与内陷部分可相互抵销，引起的丝间应力集中基本可以忽略，通风环处主缆外径增加也很微小。

事实上，紧缆后内部围隙不可能全为正四角星形和正六角星形，会构成斜四角星形和斜六角星形，总体空隙率虽没有变化，但计算通风效能时必须考虑。

采用非圆钢丝加隙后，钢丝内部纵向空隙基本没有变化，丝间间隙由0增大到某特定值，该值与钢丝变形性状有关，对于预变形4cm夹压变形1mm的，每丝每环有40mm2紊流空隙，比6×6mm方形隙还要大，全环增加858 520mm2紊流空隙。

采用宽波钢带缠绕后，主缆表层钢丝与缠绕物料间间隙显著增大，按图3所示形状R为5mm进行计算，以双波断面形式波距20cm为基准，宽波钢带缠绕较S型钢丝缠绕表层空隙增大89%，结果如表1所示。

表1　不同缠绕方式纵隙对比表

关于主缆内干燥空气流计算的有关文献资料非常缺乏，关于干燥效能与主缆空隙率之间关系的研究尚属空白，目前只能定性判定，加隙后能显著提高表层纵流效能，能增加内层紊流效能，从而能辅助提高除湿效能。

根据研究资料，索夹敛缝缺陷比较多见，常规敛缝是塞入索夹内部，施工不便也难以保证质量。建议索夹内壁设计专用纵缆向通风槽，在索夹纵缆向两侧设计环主缆平接口，与波形断面缠绕物料弹性相接，既提高干燥空气过索夹能力，又使敛缝外露利于检查。

7　结论

1)采用S形钢丝缠绕的干燥空气除湿技术是目前主缆除湿主流，干燥空气自外层钢丝进入，在米级直径主缆内部如何有效流动，至今无法准确检测和模拟。采用间隔非圆钢丝形成通风环，能使干燥空气有效紊流贯通于内层各钢丝间；采用宽波钢带缠绕可增大表层钢丝与缠绕物料间间隙，能使干燥空气沿主缆表层纵缆向流动通畅；能够全面提高主缆除湿效率。

2)通过宽波钢带夹塞软质材料复合缠绕，能达到缠绕物料的自密封，降低对外包涂装耐候的苛刻要求。

3)缠绕用物料是波形断面的，可以是双波也可以是多波，材质可以是钢带，也可以是耐候高分子材料，也可以是不同材料多层复合，甚至可引入阳极保护辅助防腐概念。

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Study on the cable dehumidifition by clearance assisted of the suspension bridge

LIU Xueqing1，ZHUANG Lin2，SHU Jian3

(1. Hunan Road & Bridge Construction Group Co., Ltd., Changsha 410004, China;2. China Hydropower Construction Group Real Estate (Changsha) Co., Ltd, Changsha 410007, China;3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Using sigmoidal wire to wind and dehumidifying technology for main cable to make the dry air into the level meters between the inner diameter of main cable and effective laminar flow of wire difficult. Change the wire section with the same space into non-standard circle, increasing the bundles gap between wires is a kind of effective measures; Change the s-shaped wire winding for wide steel strip coil to increase the clearance between the surface of steel wire ring and winding materials; Clip soft composite material into the wide wave steel belt to wind, improve the ability of main cable air tightness and weather resistance. Through the auxiliary measures above, increase the cable outer longitudinal and inter wire gap, so that the air flows along the surface of the main cable overview to flow smoothly and turbulence through the inner steel wire, which can significantly improve the efficiency of main cable dehumidification.

cable; dehumidify; steel wire

2015-12-20

国家自然科学基金重点资助项目(U1361204)

刘学青(1973-)，男，湖南邵阳人，高级工程师，从事道路桥梁建设与管理；E-mail：241328053@qq.com

U443.38

A

1672-7029(2016)09-1762-05