桥梁缆索系统的腐蚀与防护（建筑钢结构技术论文） .pdf

叶觉明 等 桥 梁缆索系统的腐蚀与防护 桥梁缆索系统的腐蚀与防护 叶觉明 中铁大桥局桥梁科学研究院武汉4 3 0 0 3 4 钟 建驰 江苏省长江大桥建设指挥部镇江2 1 2 0 0 2 摘要 大跨度桥梁的缆索系统是悬索桥 斜拉桥和拱 吊桥的主要承重结构 由于处在跨越 江河湖海和承 力的环 境下 承受动栽和静栽 长期暴露在风雨 潮湿和污染空气的环境 中 既有应 力腐蚀 疲 劳腐蚀 又有金属腐蚀 索体 和锚具结构件都容 易遭受腐蚀破坏 为了保证桥梁和缆索结构的安全 必须对缆索进行 防腐保护 结合工程实践 讨论缆索实用防腐蚀保护 系统 分析和探讨新的长效缆索防腐蚀保护技术及其应用 关键词 桥 梁 缆索 锚具 涂料涂装 密封 干燥 空气除湿 corros i on and p rot ecti on of b ri dge cable s ys tem s y e j u e min g ac a d e my o f b r l a g e s c i e n c e u n d e r ch i n a r a i l wa y b r i age b u r e a u wu h a n 4 3 0 0 3 4 z h o n g j i a n c h i j i a n g s u c h a n g i i a n g riv e r b r i d g e c o n s t r u c t i o n head q u a r t e r s z h e n j i a n g 2 1 2 0 0 2 ab a c t t h e c a b l e s y s t e ms f o r mo d e r n lo n g s p a n b r i d g e s a t e t h e ma j o r b e a r i n g s t r u c t u r es o f s u s p e n d e d b ri d g e s t a y ed c a b l e b r i d g e a n d a r c h ed d r a w b r i dge wh i c h mu s t b e s u b j e c t e d t o s t r e s s f a t i g u e a nd me t a l c o r r o s i o n s d u e t o t h e i r c r o s s i n g r i v e r s l a k e s a nd sea s a l s o b e c a u s e t h e y ate i n l o a d b e a r i n g e n v i r o n me n t a n d mu s t b e a r d y n a mi c a n d s t a t i c l oa d s a s we l l a s b e f o r a l o n g t i me i n t h e e n v i r o n me n t s o f wi nd r a i n mo i s t ure a n d p o l l u t ed a i r th e r e f o r e t h e c a b l es a n d a n c h o rin g a c c e s s o r i es a r e eas i l y d a ma g ed b y c o r r o s i o n s so t h e y mu s t b e p r o t ect ed i n o r d e r t o g u a r a n t e e t h e s a f e t y of b rid g es a nd c a b l e s t r u c t u r es th e p r a c t i c a l a n t i corro s i v e s y s t e ms of t h e c a b l es ate d i s c u s s e d t h e n e w a nd l a s t i n g p rot ect i v e t e c h n i q u es o f t h e c a b l es a nd t h e i r u s es a r e a l so a n al y z ed a nd e x p l o r e d b y wa y o f p r o j ect p r a c t i c e key words b r i d g e c a b l e a n c h o ri n g p i ece a p p l i cat i o n o f p a i n t s e a l d esi c cat i o n o f d r y a i r 0 引 言 悬索桥 斜拉桥和拱吊桥等是 目前应用较多的 大跨度桥梁结构 图 1 图 2 桥梁缆索系统是悬索 桥 斜拉桥和拱吊桥的主要承重结构 也可以说是这 类桥梁的 安全生命线 由于处在跨越江河湖海的 自然环境下 长期暴露在风雨 潮湿和污染空气的环 境中 并承受动载和静载 既有应力腐蚀 疲劳腐蚀 又有金属腐蚀 索体和锚具结构件都容易遭受腐蚀 破坏 一旦缆索系统发生腐蚀破坏 后果将不可设 想 国内外都有缆索被破坏失效 的实例 在桥梁领 域 由于缆索系统破坏失效引起的安全事故和经济 上的损失 是非常惨重的 为 了保证桥梁和缆索结 构的安全 必须对缆索进行防腐保护 主鞍 图 1 悬索桥结构示意 第一作者 叶觉明男1 9 5 7年 7 月出生高级工程师 收稿 日期 2 0 0 4 0 8 2 5 s t e e l c o n s t r u c t i o n 2 0 0 5 2 v o 1 2 0 n o 7 8 8 5 维普资讯 防 火与 防腐 主塔 斜拉索 图 2 斜 拉桥 结构示 意 1 桥 梁用缆 索 根据不同用途桥梁缆索有各种不同的结构形 式 其结构相对比较简单 特点是承受荷载张力 一 般都是由索体 钢丝 钢绞线 钢丝绳 等 与锚具组 成 常用的锚固方法有冷铸锚 镦头锚 热铸锚 夹 片锚 群锚 等 按缆索用途分 主要有悬索桥主缆 预制平行钢丝索股 斜拉桥用斜拉索 悬索桥和拱桥 用吊索 还有系杆索 锚固索 施工锚道索 检修道扶 手索等 按锚固结构分 主要有冷铸镦头锚索 热铸 锚索 夹片锚 群锚 索等 按索体材料分 主要有平 行 半平行 钢丝索 钢绞线索 钢丝绳索等 表 1 表 1 常用桥梁缆 索的类型及特点 2 桥梁用缆索索股的防护 2 1 悬索桥 主缆 主缆是悬索桥的 安全生命线 悬索桥的两根 主缆要承受桥梁的全部载荷 是悬索桥最主要 的承 重构件 在整个大桥的使用期内不能更换 悬索桥 主缆由预制平行钢丝索股组成 由于处在跨越江河 湖海的环境下 易受大气和雨水腐蚀 且为主承重构 件 因此必须对主缆进行特殊防护 传统的主缆防 腐蚀系统以高强热镀锌钢丝做索 主缆完成紧缆和 安装索夹后 在其上涂覆防腐腻子 缠绕钢丝和外层 涂料涂装防护相结合 图 3 主缆用腻子要求有优 良的柔韧性 不脆裂 有较高的延展性 挥发物少 收 缩变形小 早期使用较多的是红丹腻子 近年来 采 用的锌粉腻子 用亚麻油作为调合剂 高纯度的锌粉 可以对钢丝产生阴极保护作用 日本应用了一种改 进型腻子材料 它 由铅钙酸 高分子有机铅 碳酸钙 和亚麻油组成 称之为 h s h o n s h u s h i k o k u 腻子 实际应用系统有 丙烯酸树脂底漆 hs腻子缠丝 氯化橡胶面漆 铬酸盐底漆 高分子有机铅腻子 图 3 主缆腻子 缠丝 涂装防护方式 缠丝 聚氨酯面漆和氯化橡胶 面漆等涂装防护方 式 我国悬索桥的主缆涂料涂装防护系统基本上采 用涂覆腻子后缠绕钢丝 然后涂装底漆 中间漆和面 漆的防护方案 通过腻子填塞钢丝缝隙 并使表面 具有一定的覆盖厚度 主缆使用的腻子能与缠丝形 成铠装密水保护 各桥的差别在于腻子材料的选用 和外层涂料系统组成的差异上 汕头海湾大桥 西 陵峡长江大桥 以及后期完工的厦门海沧大桥 重庆 鹅工岩大桥等 使 用了北京航空材料研究 院的防护 系统 应用航空领域的聚异丁烯不干性密封膏作为 腻子材料 在虎门大桥 的主缆防护工程中 原定 的 缠丝涂装方案是 在主缆外表面清洁后涂一层富锌 底漆 富锌底漆的作用主要是对主缆表面镀锌层可 能出现的损伤进行补救 增加主缆本体的防腐蚀性 能 再涂抹聚氨酯腻子 然后缠绕钢丝 当时因施 工原因对腻子施工进行了方案改进 形成了聚氨酯 腻子 缠绕钢丝 聚氨酯腻子嵌缝 第一次和第二次 刮涂的腻子同为双组份聚氨酯密封涂料 聚氨酯腻 子在触干的条件下缠丝 后刮涂嵌缝 表层采用聚氨 酯防水涂料和聚氨酯面漆涂装 希望带来致密严实 的密封效果 江阴长江大桥 主缆 的防护 采用的是 在主缆外表面涂抹亚麻油锌粉膏 腻子 缠绕钢丝 然后涂装底漆 中间漆和面漆 在使用过程中和检修维护时发现上述防护系统 下的主缆仍存在腐蚀问题 主要是主缆内部存在积 水 有的镀锌钢丝也已生锈 研究表明 水和水汽是 钢结构2 0 0 5年第 2 期 第 2 0卷总第 7 8 期 维普资讯 叶觉明 等 桥梁缆索系统的腐蚀与防护 导致主缆生锈的主要原因 为了彻底解决水汽在主 缆内的渗入 基于对该现象的调查研究 日 本对主缆 防护系统进行 了新的探索 通过试验 明石海峡大 桥首先使用了干燥空气除湿方法 用除湿机 系统来 保护主缆 利用除湿机系统输入干燥空气 排出潮 湿空气 使主缆内部湿度保持在一定范围内 就可以 满足主缆内部钢丝索股的防腐蚀要求 同时开发应 用了 s形截面的缠绕钢丝 代替了原来的圆形截面 钢丝 这样就可 以使主缆表面更为光滑 且丝丝相 扣 外层涂料涂装后水汽不易渗入 我国正在建设的润扬大桥南汉悬索桥采用了主 缆干燥空气除湿防护系统和 s形截面的钢丝缠丝后 外部涂装涂料的防护方案 因为主缆采用了干燥空 气除湿措施 所以主缆不再采用腻子来密封 缠丝后 可用橡胶带包扎或进行涂料涂装处理 图4 该防 护方案从根本上 防治了腐蚀 是较理想 的腐蚀 防护 方 法 图 4主缆 缓丝 养装 干燥 空气 除湿 防护 方式 2 2 斜拉索防护 目前我国斜拉桥常用 的斜拉索系统 主要有两 种 一种是用热挤高密度聚乙烯 p e 防护的半平行 钢丝索配以冷铸墩头锚系统的钢丝斜拉索 另一种 是采用不同 防护 的平行 钢绞线 外套 hd p e护 套 管 两端用特殊的夹片锚系统组成的钢绞线索 两 种系统的斜拉索有各 自的防护特点 见表 2所列 表 2 两种索体结构的防护特点 平行钢绞线索采用单根钢绞线张拉夹片群锚体 系 单根钢绞线采用热镀锌 涂专用防腐油脂或石 蜡 热挤 p e套管 环氧涂层等 防护措施 整索外套 hdp e套管防护 国内早期的斜拉桥防腐蚀系统是外涂沥青后缠 包玻璃丝布 待全桥完成后再用三层环氧树脂缠绕 三层玻璃丝布防腐 工艺十分繁复 而后采用过铅 皮套管压注水泥浆的防腐工艺 最终被证明防腐失 效 2 0世纪 8 0年代斜拉索的防腐系统改用 p e管 压浆工艺 如东营黄河桥斜拉索采用热挤 p e护套 的成品拉索 目前应用较多的半平行钢丝斜拉索结 构是由高强度钢丝组成 为制作和成盘运输方便 制 作过程中采用小扭角 2 4 同心绞合工艺扭绞成 型 扭绞后在钢丝索外面缠绕高强度复合胶带 然 后热挤高密度聚乙烯 p e 防护层 以此作为斜拉索 的主要防腐蚀措施 这种斜拉索在精确下料后两端 灌铸冷铸锚具 或热铸锚具 成品索经预张拉 或反 顶 检验合格可以成盘 成圈方式包装运输 在现场架设施工时 一定要注意对斜拉索的保 护 避免将 p e划伤和损坏 对于斜拉索 p e表面小 面积划坏 且深度在 3 mm 以下时 可以用专用焊枪 将相同的 p e原料覆盖并焊接在损坏处 再用电磨 机进行表面处理 使损坏处恢复原有的护层厚度 并 使索表面基本恢复原有平整状态 对于修复面积大 于 1 0 c m 或深度在 3 mm 以上时 须采用加热套管 进行恢复 施工时 先将相同的 p e原料填充在受 损部位 然后用加热套管使 p e原料热熔补充在损 坏的拉索缺口上 热熔完成后用电磨机进行表面处 理 恢复表面平整 若修补不当 p e易再次破损 2 0世纪 9 0年代初建成使用的斜拉桥 经过 1 0 多年的使用 在维护检查时发现斜拉索聚乙烯套管 外壁表面已经开始老化 部分原因是 以前选用的 p e 原料不适宜长期在室外条件下使用 为此专门对斜 拉索 p e管外壁进行涂装防护或缠带防护 由于传 统型涂料不能很好地 与聚乙烯塑料表面相结合 而 且套管杂质向表面析出和积聚 也都不利于涂料的 附着和涂装 维修工程部研制开发了桥梁斜拉索聚 乙烯套管专用含氟涂料 清洗剂和处理剂 拟定了打 磨 涂装 擦拭清洗 偶联剂涂装 氟涂料涂装的涂装 工艺 采用具有防护功能的缠包带对斜拉索 p e外 层缠带防护的方式在多座桥梁中实施过 这种方式 也需要对斜拉索 p e外层进行表面清洁处理 上述 施工均需要专门设计斜拉索维修用或涂装 缠带作 业 用 的吊篮 s t e e l c o n s t r u c t i o n 2 0 0 5 2 vo 1 2 0 no 7 8 8 7 维普资讯 防火 与 防腐 2 3 吊杆 索防护 吊杆索结构基本上与斜拉索相同 索体材料主 要有热镀锌高强度钢丝 钢绞线 钢丝绳 吊杆索与 主缆的连接方式通常有骑跨式和销接式两种 吊杆 索与主梁和主拱的连接方式通常有锚箱套筒承压式 和销接式两种 吊索一般采用与斜拉索相类似的防 护形式 骑跨式结构 的钢丝绳吊索因结构原 因 只 能采用涂料涂装防护 江阴大桥和润扬大桥南汊悬索桥针对吊索防护 进行了一系列 专题研究和试验 包括现场热塑 p e 防护罩 特殊涂料密封 防腐材料和涂料填充等 润 扬大桥南汉悬索桥根据结构防护和密封防护并举的 原则 设计 了新型的吊索锚具系统 并模拟吊索工作 实况 结合吊索结构试验 进行了防雨水渗入 的动 静载试验 取得了较好的效果 2 4锚具结构 的防护 锚具有不 同的类型 各种锚具都有不同的结构 特点 主要是承载形式和锚固形式的差别 按锚 固 方式分 常用 的锚具结构 主要有冷铸镦头锚 热铸 锚 夹片锚 群锚 等 按支承结构分 常用的有支承 型 拉杆型 螺母型 叉耳型等 见表 3 热铸锚的特点是将索体端头钢丝在锚具 内均匀 表 3 锚具类型及特点 分散用锌铜合金锚固为一体 传递张力 有的锚具 为了减小端部疲劳 在锚具上端 口或接长筒部分灌 注冷铸填料或其他填充料 冷铸锚是锚具在组装后灌注环氧铁砂 安装好 接长筒后灌注环氧胶浆 在安装好挡板并完成养护 后 最后还要压铸环氧树脂密封胶 张拉检验结束 后 在锚索连接处按图压铸密封胶 缠 p e防腐胶带 检 查修补损伤的护套 包缠保护拉索护套的包带 如果不对斜拉索的端部和锚具进行较好的防 护 使预埋护筒管内积水 进杂物或锚具发生锈蚀 不仅严重影响斜拉索的使用寿命 而且严重影 响斜 拉桥中期索力调整及将来的换索工作 近年来有采 用封闭性聚氨酯发泡 填充在斜拉索锚具与预埋护 筒管的间隙内 钢管表面和索体表面 p e层粘合成 较牢固的整体 防止水分进入护筒管 使导管内的锚 具与雨水 潮气及其他腐蚀介质相隔离 能在较长时 间内防止索端锚具锈蚀 同时在两端锚具外露部分 的表面涂刷一层锚具专用的防护油脂 然后在锚具 外加盖不锈钢护罩 主缆索股和吊索等外露锚具一般要进行表面涂 料涂装防护处理 吊索锚具一般采用与主缆 主拱 或桥面钢梁相同的涂装系统和表面色彩 表面镀锌 的锚具要注意表层处理和底漆涂料选择 3 缆索防护方法的探讨 1 防腐蚀涂料长期以来一直是简单方便的防腐 蚀方法 它不仅防止结构腐蚀 而且具有美化外观的 作用 随着现代工业的发展 目前环氧树脂涂料 聚 氨酯涂料 氟碳漆 工程聚硅氧烷涂料 富锌漆和玻 璃鳞片涂料以及聚脲涂料等重防腐涂料已逐步开发 并被广泛应用 为新型涂料涂装防护系统应用提供 了基本条件 2 p e外套是电线 电缆行业沿用的一种有效的 防腐蚀方法 而且还兼有美观作用 但如何选用 p e 材料 现在使用的 p e材料的质量是否能在承诺期 限内不失效 一直是值得关注和探讨 的问题 2 0世 纪 9 0年代初建成使用的斜拉桥 经过 1 0年的使用 维护检查时发现斜拉索聚乙烯套管外壁表面已经开 始老化 为此不得不进行斜拉索 p e管外壁 的涂装 防护或缠带防护 p e材料的种类较多 一定要选用 适合钢桥梁使用环境的防护外套 3 h d p e外套在施工中损坏是难以避免的 目 前的许多修复工作是 由非专业技术人员进行 有 的 只是表面热熔修补 一旦受力 h d p e外套的缺陷会 再次出现 在承载条件下 h d p e外套表面的缺 陷 会快速扩展 hd p e外套二层分挤对阻止表面裂纹 扩展有一定效果 还可以考虑在 h d p e外挤上一层 强度高 耐候性能好的防护层 为了解决 h d p e外 套的 老化 损 坏 和破 损 问题 还 需要 开发适 用 的 h d p e外套修补涂料和修补技术 8 8 钢结构2 0 0 5年第2期第 2 0卷总第 7 8 期 维普资讯 叶觉明 等 桥梁缆索系统的腐蚀与防护 4 制造技术工艺和工装设备是影响防护效果的 重要因素 索体热挤 p e温度和冷却控制不当 成 盘半径较小 制造和架设过程保护不当 都可能造成 p e应力变形和损伤 影响防护套性能 冷 热铸锚 配方不合理 配制加工不规范和灌注填充不实 可能 造成锚固不牢和防腐效果较差 其他填充料和密封 料的防腐效果也受到材料配方和填充工艺的影响 5 腐蚀环境 水和水汽是钢丝 钢绞线 钢丝绳 生锈的主要原因 一方面施工期间由于防护不到位 水分可能在缆索中积存 另一方面 h d p e外套索在 室外环境下经受温度 湿度 变化 内部可能产生水 分 现在有人称之为 冷凝水 为此索体和锚具密 封隔绝空气仍是 防护的有效手段 需要开发应用新 型的密封材料 在密封不完备的条件下 内部干燥 空气除湿是一种有效的腐蚀防护方法 6 在索体和锚具密封不能完全保证的情况下 吊杆索和斜拉索方面已经应用了增设盖帽结构 现 场热塑 p e阻水帽 接长筒内填充耐温油脂 平行钢 绞线涂抹耐温不熔油脂 橡胶 自粘带 热收缩带 醋 酸乙烯带 密封索体和锚具连接部位 特殊涂料封堵 填充 钢丝表层覆盖防护保护层 索体钢丝内部注入 防腐填充物等措施和技术 这些材料和技术已经得 到了开发和试验 需要改进提高并逐步投入工程应用 7 索体钢丝 钢绞线 钢丝绳的防腐是缆索防护 的基础 热镀锌 锌铝合金 环氧涂层 特殊保护层 等钢丝 钢绞线保 护技术 已开发应用 并被证明有 效 在制作缆索和施工过程中要加强对钢丝 钢绞 线 钢丝绳的热镀锌 锌铝合金 环氧涂层 特殊保 护层的保护 新技术 新工艺 新材料的开发应用为 缆索防护提供了新的机遇 例如新的高性能涂料和 密封材料 钢丝 钢绞线热镀锌后表层防护层 高效 能的 h d p e外套材料 填充索体的特殊防护材料和 油脂以及填充技术 应用干燥空气除湿技术 应用纤 维加劲塑料 f r p 代替钢丝 钢绞线 8 缆索断丝和锈蚀监测系统 已被开发并试用 有必要进一步开发缆索无损跟踪检测技术以便及时 发现和解决问题 避免造成不必要 的损失 结合桥 梁安全监测系统和目前已经具备的开发智能缆索条 件 应用先进的光纤技术 传感器技术 计算机技术 制造能显示温度 湿度 张力 应变 腐蚀 锈蚀 的专 用缆索 4 小 结 主缆缆索有与桥梁同寿命 1 0 0 1 2 0年 的要 求 斜拉索和吊索等虽然可以更换 但更换的代价是 很大的 所以必须加强缆索防护技术的研究 目前 缆索的防护仍然是 以钢丝防护 h d p e外套防护 以 及涂料涂装 油脂和其他耐腐蚀材料填充为主 通过 密封 填充的方式隔绝和阻止腐蚀源渗入钢丝等金 属本体 防止缆索腐蚀破坏 由于缆索主要承受动 荷载 新的结构防护和密封防护方案应结合缆索的 动 静载试验 检验防护成果和实施工艺 涂料 密封材料 灌注填料 h d p e外套材料等 的选择直接影响防腐效果 一定要重视对材料采购 和供应的控制 俗称 三分涂料 七分涂装 由于涂 装本身和热铸 冷铸 填充等施 工造成 的问题 比较 多 实用中