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懸索橋主纜系統的檢查、評估與維護技術介紹
2018-03-12 
   

   1.前言

   1.1 主纜防護技術概述

   1883年布魯克林大橋竣工通車,標志著以平行鍍鋅高強鋼絲作為主纜材料的現代懸索橋的開端。主纜鋼絲在自然環境和應力下的腐蝕是難以避免的,必須進行主纜防護,以延長懸索橋的安全使用壽命。主纜的典型防護是:主纜鋼絲表面紅丹膩子(Pb3O4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60~70年代由美國開發的玻璃纖維樹脂涂料復合防護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用了主纜內部通干燥空氣除濕法新技術,以向主纜內部注入干燥空氣,使主纜鋼絲保持在鋼材腐蝕的臨界濕度以下(≤60%)的環境中,防腐可靠性明顯提高。

   1.2 主纜檢查和評估的指導方針

   美國現代懸索橋有著百年的歷史,從20世紀80年代開始,美國政府以法規形式加強了對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劃(NCHRP),花費5年時間進行專題研究,2004年通過NCHRP報告534,發布了平行鋼絲纜索的專業檢查評估指南,用于主纜的專項檢查,內容包括如何打開并楔入主纜進行檢查,并建立了受到了腐蝕的主纜的剩余強度的估算模型,規定了何時進行主纜的檢查、在哪里進行檢查以及取多少試樣等等,以便于從試驗結論中獲得準確的主纜強度統計分析數據。

   2.主纜的檢查和評估過程介紹

   2.1 外部目視檢查

   首先是主纜的外部的目視檢查。檢驗員在檢修道上先檢查主纜表面的纏繞防護層是否出現銹蝕、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、散索套以及相關錨固附件的檢查。通過外部檢查的數據和試驗報告決定在哪里打開主纜進行檢查。由于跨中位置是主纜的較低點,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行打開檢查。通常主纜的1/4跨也被選作檢查點,主要是因為在此位置,主纜的位移量最大。有時,也選擇散索鞍點、塔頂主鞍點、索箍等位置作為檢查點。各檢查點都需要去除表面涂層、拆除纏繞鋼絲、清理紅丹膩子等,需要制定詳細的檢查計劃。檢查的主要目標是尋找主纜破壞最嚴重的部位,為確定主纜的剩余強度提供準確的數據。

   2.2 主纜內部檢查

   主纜的內部檢查不同于常規的日常檢查,因此應該選擇有經驗的專業隊伍,并配備專門的工作平臺、設備、工具和材料。典型的檢查流程如下:安裝工作臺→檢查纏繞鋼絲和涂層→測量主纜的直徑→去除現有的纏繞材料→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部→檢查內部主纜鋼絲的狀況→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→重新防護涂裝。在以上檢查中,有時也需要移除吊索和索夾,以檢查索夾內的主纜鋼絲。因此吊索、索夾及其連接件也需要檢查。取出的鋼絲以及發現的斷裂鋼絲需要送到專業的試驗室進行檢查分析。

   ①檢查纏繞鋼絲和涂層

   將可移動工作平臺安裝在要檢查的主纜的節段處,近距離的觀察檢查主纜外表面,主要檢查防護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。

   ②測量主纜直徑

   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,并重新涂裝防護后,監測主纜的直徑沒有出現異常。如果主纜在外觀看來已經失圓了,需要檢查主纜橫豎徑。

   ③內部檢查

   內部檢查,通過在主纜圓周上, 12點、1點半、3點、4點半、6點、7點半、9點和10點半等8個位置楔入木楔,撐開主纜鋼絲進行檢查。對于主纜直徑大于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,需拆除被檢查的節段索夾間的纏繞鋼絲。首先用黃銅做的楔子在檢查節段的最中點楔入,然后再用成對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。楔子的頂端需要達到檢查段主纜的中心。為了提高速度,可以同時在8個檢查位置處形成楔形檢查縫,由此需要計算由此產生的主纜鋼絲的附加應力是否會對主纜造成影響。

   

   

   主纜的檢查

   

   

   圖2 主纜內部鋼絲檢查圖3 在主纜上進行鋼絲取樣

   ④確定鋼絲的銹蝕等級

   鋼絲根據銹蝕狀況,可分為以下4個等級:

   等級Ⅰ—鋼絲表面沒有銹蝕,只有鋅被氧化的斑點;

   等級Ⅱ—鋼絲表面布滿白銹;

   等級Ⅲ—表面出現鐵銹斑點,面積達到30%;

   等級Ⅳ—表面大面積出現鐵銹,面積超過了30%。

   

   

   等級1等級2等級3等級4

   圖4 鋼絲銹蝕等級示例照片

   在整個檢查節段中,在一個截面上,選擇四個銹蝕比較嚴重的檢查區域,以代表鋼絲最差的狀況。沿著楔形縫上的四個位置的鋼絲狀況得到檢查記錄后,匯總成綜合各節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

   ⑤鋼絲取樣分析

   在主纜檢查時,對鋼絲進行取樣并送試驗室進行有關分析。一般情況下,在一個楔形縫中取出一根代表性的鋼絲進行試驗室分析,并進行強度和其他性能的測試,主要包括以下內容:鋼絲強度的分析、鋼絲斷口的分析、有裂紋的鋼絲的分析、化學成分的分析等等。

   A鋼絲強度的測試

   鋼絲的強度需要批量的抗拉強度試驗,以確定平均強度和不同的銹蝕程度造成的統計離散偏差。檢驗的結果將用于確定主纜最終的強度。包括鋼絲的破斷荷載、屈服強度、抗拉強度、延伸率、斷面收縮率以及彈性模量。抗拉強度和屈服強度的計算必須基于鋼絲的公稱面積。另外,在以上基礎上,必須記錄鋼絲的應力應變曲線,并確定極限應變下所對應的強度。

   B鋼絲斷口分析

   斷裂鋼絲的斷口必須經過組織分析,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象。在斷口的觀察中,必須注意以上現象。對于斷口組織,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行分子。必要的時候,可以采用X光譜分析儀進行銹蝕物以及其他污染物的成分分析。
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