商漢章*，白華棟，劉偉，張亮，師華，房志安

（中航百慕新材料技術(shù)工程股份有限公司，北京 100095）

【涂裝】

高耐候懸索橋主纜密封防護(hù)系統(tǒng)

商漢章*，白華棟，劉偉，張亮，師華，房志安

（中航百慕新材料技術(shù)工程股份有限公司，北京 100095）

分析了目前懸索橋主纜密封防護(hù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和不足，提出了一種高耐候懸索橋主纜柔性密封防護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)抗裂紋性、氣密性、抗老化性試驗(yàn)和變形量測(cè)試證明了其具有優(yōu)異的柔韌性、抗大變形性、長(zhǎng)期氣密性和耐老化性，便于維修維護(hù)，可為懸索橋長(zhǎng)期正常使用提供可靠的保障。

懸索橋；主纜；防護(hù)；柔性密封防護(hù)；耐候性

First-author's address： AVIC New Materials Technology and Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100095， China

俗話(huà)說(shuō)“要致富，先修路”，我國(guó)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的背后便是我國(guó)基礎(chǔ)以及路橋建設(shè)的飛速發(fā)展。隨著橋梁事業(yè)的飛速發(fā)展，尤其是近10多年的發(fā)展，我國(guó)已成為世界范圍內(nèi)舉足輕重的橋梁大國(guó)。

懸索橋是現(xiàn)代橋梁技術(shù)要求最高的橋型，而其主纜設(shè)計(jì)及防護(hù)是整個(gè)橋梁的重中之重。主纜被稱(chēng)為“懸索橋的生命線(xiàn)”，因其在橋梁設(shè)計(jì)生命周期內(nèi)是不可更換構(gòu)件，作為主要承力結(jié)構(gòu)，直接關(guān)系到整座橋的使用壽命。

國(guó)外研究表明，使用超過(guò)30年的懸索橋出現(xiàn)了多種腐蝕防護(hù)問(wèn)題。1996年美國(guó)對(duì)紐約地區(qū)的橋梁主纜進(jìn)行了詳細(xì)的開(kāi)放性檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)主纜鋼絲的銹蝕相當(dāng)嚴(yán)重［1-2］。傳統(tǒng)的主纜保護(hù)系統(tǒng)──Roebling并不能完全防止腐蝕，僅能延緩腐蝕的速率。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，更加重了其對(duì)腐蝕的敏感度。

日本從1994年開(kāi)始研究送風(fēng)干燥系統(tǒng)，即采用高氣密性材料包覆，纜索內(nèi)部吹入干燥空氣防腐，并首次應(yīng)用在瀨戶(hù)橋上。通過(guò)研究多座采用送風(fēng)干燥系統(tǒng)防護(hù)主纜的橋梁發(fā)現(xiàn)，干空氣除濕是有效的，但它運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和方便性需改進(jìn)［3］。根據(jù)該系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)發(fā)展了 S型鋼絲的柔性涂料體系。以潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋?yàn)槔?，其涂裝方案［4］采用的S型纏絲外防護(hù)體系為200 μm的涂層。一旦涂層出現(xiàn)老化或其他原因引起涂層開(kāi)裂，可能會(huì)對(duì)主纜的防腐帶來(lái)不良影響，使除濕系統(tǒng)不能完全發(fā)揮其功效。

在歐美，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（Cableguard?Elastomeric Wrap System）。這種技術(shù)也是從纏絲外層防護(hù)層入手，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)部空氣泄漏。但該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的大型懸索橋主纜防護(hù)中還沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用案例，實(shí)際效果有待考察。另外，此種物理屏蔽防護(hù)方案一旦出現(xiàn)破損或穿刺，必須及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)。在海洋環(huán)境和大氣腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重的區(qū)域需特別關(guān)注。

本文提出了一種高耐候懸索橋主纜密封防護(hù)系統(tǒng)（以下稱(chēng)為“柔性密封防護(hù)體系”），是由北京航空材料研究院根據(jù)國(guó)內(nèi)已成功應(yīng)用的主纜防護(hù)系統(tǒng)，并結(jié)合柔性涂料防護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際使用情況而開(kāi)發(fā)、改進(jìn)和完善的防護(hù)系統(tǒng)。

1　柔性密封防護(hù)體系

柔性密封防護(hù)體系是在已有密封防護(hù)體系成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，本著可靠、成熟技術(shù)延伸升級(jí)、創(chuàng)新的原則，考慮S型纏絲及除濕系統(tǒng)的使用趨勢(shì)，彌補(bǔ)日本柔性涂層體系不足，結(jié)合潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋、泰州長(zhǎng)江大橋?qū)嶋H運(yùn)行中存在的問(wèn)題［5］加以改進(jìn)完善而研制的創(chuàng)新體系，來(lái)滿(mǎn)足主纜長(zhǎng)壽命防護(hù)需求。該防護(hù)體系滿(mǎn)足JT/T 694-2007《懸索橋主纜系統(tǒng)防腐涂裝技術(shù)條件》的要求，具體情況見(jiàn)表1。

表1　原有剛性防護(hù)體系與柔性密封防護(hù)體系涂裝厚度Table 1　Layer thicknesses of the original inflexible protection system and flexible seal protection system

2　柔性密封防護(hù)系統(tǒng)的特點(diǎn)

2. 1柔韌性

原有的剛性涂層體系使用的是環(huán)氧云鐵底漆，脆性相對(duì)較大，在使用過(guò)程中存在開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，如果底漆開(kāi)裂，相應(yīng)聚硫膠的部分也可能會(huì)產(chǎn)生裂紋，降低了聚硫膠的防護(hù)厚度，對(duì)防腐性能產(chǎn)生不利的影響。而柔性密封防護(hù)系統(tǒng)用柔性環(huán)氧防銹底漆代替原有的環(huán)氧底漆，柔性氟碳涂料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氟碳涂料；相比日本的 S型纏絲系統(tǒng)，在中間增加了一層聚硫膠，明顯加大了防護(hù)層厚度，即使鋼絲在制造和施工中有一些缺陷，也可給予很好的防護(hù)。圖 1對(duì)比了剛性涂層和柔性密封防護(hù)體系的抗裂紋性，從圖中可見(jiàn)剛性涂層體系在彎曲情況下環(huán)氧云鐵底漆出現(xiàn)裂紋，并且聚硫密封膠也隨之出現(xiàn)裂痕，而柔性密封防護(hù)系統(tǒng)未出現(xiàn)類(lèi)似情況。

圖1　原有剛性防護(hù)體系和柔性密封防護(hù)系統(tǒng)的抗裂紋性對(duì)比照片F(xiàn)igure 1　Photos showing the comparison of cracking resistance of original inflexible protection system and flexible seal protection system

2. 2抗大形變性

深入到更為具體的主張，我們?cè)?jīng)概括，作為孔子理想人格與社會(huì)建構(gòu)一部分的武德思想，至少具有以下兩個(gè)基本點(diǎn)：第一，周文統(tǒng)攝下的先“文”后“武”、“文”優(yōu)于“武”；第二，以“智”“仁”“勇”三達(dá)德為核心[6]。從大處著眼，“私淑孔子”的孟子在武德思想上與先師并無(wú)明顯的齟齬。孟子提倡，在國(guó)家治理中，尤其是面向平民階層，一定以“文”教、“文”化為優(yōu)先：

懸索橋主纜特殊部位（如索夾環(huán)縫處）或者遇到極端天氣時(shí)可能存在變形量較大的問(wèn)題，有局部失效的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這種情況進(jìn)行了如圖2所示的試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖2　柔性密封防護(hù)系統(tǒng)變形量測(cè)試裝置示意圖Figure 2　Schematic diagram of the set-up for measuring deformation of flexible seal protection system

圖3　變形量測(cè)試中各粘接點(diǎn)狀態(tài)Figure 3　States of the connection points in deformation measurement

從圖3可知拉伸變形比較大的邊角部位即使在拉伸至3 cm的極端情況下，處理過(guò)的柔性密封防護(hù)系統(tǒng)都不會(huì)有開(kāi)裂、密封失效的問(wèn)題。

2. 3氣密性

為保證主纜送風(fēng)系統(tǒng)的有效運(yùn)行，主纜的密封防護(hù)是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，通過(guò)模擬送風(fēng)的方式考察了柔性密封防護(hù)體系的氣密性。如圖 4所示，用鍍鋅鋼管模擬主纜平行鋼絲，其表面打孔，一端封堵并打眼，以利于空氣流通。按設(shè)計(jì)要求涂裝柔性密封防護(hù)體系后放置20 d，進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。

圖4　微型主纜模擬件氣密性試驗(yàn)示意圖Figure 4　Schematic diagram of miniature main cable simulator for air-tight test

通過(guò)氣管連接主纜模擬件和精密壓力表，變換壓力以檢驗(yàn)主纜模擬件的抗壓性和氣密性，初始?jí)毫Ψ謩e為50、60、70、80和90 kPa，24 h后主纜模擬件都未發(fā)生壓力減小的情況。工程上除濕空氣的設(shè)計(jì)壓力一般為4 kPa，在90 kPa高壓下的試驗(yàn)結(jié)果足以證明柔性密封防護(hù)系統(tǒng)完全可以滿(mǎn)足使用要求。

2. 4抗老化性

考慮到正常使用過(guò)程中遇到的高溫和長(zhǎng)期使用后的老化問(wèn)題，通過(guò)高溫加速老化的方式考察了本密封防護(hù)系統(tǒng)，按GB/T 528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》測(cè)試了老化前后的斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度，結(jié)果如表2所示。

表2　常規(guī)剛性體系和柔性體系高溫加速老化前后拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率比較Table 2　Comparison of tensile strength and elongation at break for common inflexible and flexible systemsbefore and after accelerated aging at high temperature

為考察在實(shí)際使用過(guò)程中自然老化對(duì)柔性密封防護(hù)體系氣密性的影響，分別設(shè)計(jì)了如下加速老化試驗(yàn)：

（1） 將主纜模擬件置于鹽霧箱，經(jīng)過(guò)1 500 h中等鹽霧的加速老化試驗(yàn)；

（2） 將主纜模擬件置于紫外老化箱中，經(jīng)過(guò)2 000 h的人工加速老化試驗(yàn)；

（3） 將主纜模擬件置于濕熱試驗(yàn)箱中進(jìn)行1 500 h的耐濕熱性試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)束后再測(cè)試其氣密性，發(fā)現(xiàn)老化后的主纜模擬件在壓力70 kPa下保持24 h，都未發(fā)生壓力減小的情況，說(shuō)明本密封防護(hù)體系具有優(yōu)異的抗老化性，能滿(mǎn)足懸索橋主纜長(zhǎng)期密封防護(hù)的要求。

2. 5 便于維修

一般橋梁大修的年限為10到15年，如需維修主纜密封防護(hù)系統(tǒng)，一般只需維修維護(hù)此密封防護(hù)體系的表面涂層，降低了難度，減少了費(fèi)用。

3　應(yīng)用實(shí)例

柔性密封防護(hù)系統(tǒng)中采用的柔性氟碳面漆已于2011年成功應(yīng)用在宜昌公路長(zhǎng)江大橋的主纜維修工程中［6］，經(jīng)過(guò)3年多的實(shí)際應(yīng)用（圖5），涂層依然完好無(wú)損，無(wú)明顯老化現(xiàn)象。

圖5　柔性密封防護(hù)體系應(yīng)用在宜昌公路長(zhǎng)江大橋主纜上的效果Figure 5　Photos showing the flexible seal protection system applied to the main cable of Yichang Yangtze Highway Bridge編者注：圖5原為彩色，請(qǐng)見(jiàn)C1頁(yè)。

2014年本防護(hù)體系分別應(yīng)用在武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋以及浙江官山橋的主纜密封防護(hù)工程中（圖 6），實(shí)際涂裝效果良好，不但能為懸索橋主纜密封提供優(yōu)異的保障，還具有良好的保光保色性能，為橋梁提供特殊的景觀需求。

圖6　柔性密封防護(hù)體系涂裝效果Figure 6　Coating effect of the flexible seal protection system編者注：圖6原為彩色，請(qǐng)見(jiàn)C1頁(yè)。

4　結(jié)語(yǔ)

隨著干燥空氣除濕系統(tǒng)應(yīng)用在懸索橋主纜防護(hù)工程上，主纜的密封性就更加重要。在我國(guó)應(yīng)用最廣泛的懸索橋主纜密封防護(hù)體系的基礎(chǔ)上，克服日本密封技術(shù)暴露出的問(wèn)題而研發(fā)出的高耐候懸索橋主纜柔性密封防護(hù)體系能夠長(zhǎng)期保證干燥空氣除濕系統(tǒng)的良好運(yùn)行，為懸索橋的正常使用提供可靠的保障。

［1］ 付春曉， 雷俊卿. 既有懸索橋主纜現(xiàn)狀的檢測(cè)與研究［J］. 世界橋梁， 2002 （4）： 70-74.

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［5］ 商漢章， 白華棟， 劉偉， 等. 懸索橋主纜防護(hù)新技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)［J］. 電鍍與涂飾， 2012， 31 （9）： 71-74.

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［ 編輯：杜娟娟 ］

Highly weather-resistant and flexible seal system for protecting main cable of suspension bridge

// SHANG Han-zhang*， BAI Hua-dong， LIU Wei， ZHANG Liang， SHI Hua， FANG Zhi-an

The advantages and disadvantages of the present seal protection technologies for main cable of suspension bridge were analyzed. A flexible seal protection system with high weather resistance and long lifetime was proposed. This flexible seal protection system is proved to have excellent flexibility， good resistance to large deformation， long-term airtightness， and excellent aging resistance， and is easy to maintain and repair by anti-cracking， air-tight， anti-aging tests and deformation measurement， being able to provide a reliable guarantee for its long-term use.

suspension bridge； main cable； protection； flexible seal； weather resistance

U448.25

A

1004 - 227X （2015） 06 - 0327 - 04

2014-11-21

2014-12-24

商漢章（1982-），男，河北保定人，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闃蛄汉椭胤栏I(lǐng)域。

作者聯(lián)系方式：（E-mail） shanghz0320@163.com。