李成林， 方海*， 崔劍峰， 劉榕， 唐小萍

(1.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 210009； 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司； 3.柳州市勁新科技有限公司)

1 引言

在各種橋梁結(jié)構(gòu)形式當(dāng)中跨越能力最強(qiáng)的當(dāng)屬懸索橋，可達(dá)千米級(jí)別，其主要由主塔、主纜、錨碇、吊索、鞍座、橋面承載梁及附屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其中主纜將懸索橋各主要構(gòu)件連接成了一個(gè)完整的系統(tǒng)，并且在懸索橋的傳力體系中起到了非常關(guān)鍵的作用。雖然懸索橋的設(shè)計(jì)使用年限為100年，但由于主纜所采用的主要材料鋼材在其所處的惡劣的環(huán)境因素的影響下極易腐蝕，導(dǎo)致主纜往往不足20年就出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕情況，說(shuō)明傳統(tǒng)的主纜保護(hù)系統(tǒng)不能完全防止腐蝕，僅僅減緩了腐蝕的速率。

國(guó)內(nèi)外各研究人員百余年來(lái)對(duì)懸索橋主纜的防護(hù)做了大量的研究。19世紀(jì)40年代，John.A.Reobling提出了主纜膩?zhàn)油繉愉摻z纏繞防護(hù)系統(tǒng)，這一創(chuàng)造性的主纜防護(hù)方法在大量懸索橋主纜防護(hù)中得到應(yīng)用。20世紀(jì)70年代美國(guó)研究人員提出了合成護(hù)套防護(hù)法，即玻璃纖維樹(shù)脂涂料和橡膠護(hù)套涂料防護(hù)系統(tǒng)。由于材料工藝問(wèn)題，這一系統(tǒng)并沒(méi)有徹底解決表層防護(hù)結(jié)構(gòu)的腐蝕、老化問(wèn)題。20世紀(jì)末，日本研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出了主纜除濕系統(tǒng)，并在明石海峽大橋主纜防護(hù)中得以應(yīng)用。該系統(tǒng)通過(guò)給主纜內(nèi)部吹入相對(duì)干燥的空氣以破壞主纜鋼絲腐蝕所需要的條件來(lái)達(dá)到主纜防腐的目的。主纜除濕系統(tǒng)的關(guān)鍵是要保證防護(hù)系統(tǒng)表面的密閉，既要阻止水氣的進(jìn)入又要防止干燥空氣的大量泄漏。由此可見(jiàn)主纜防護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于提高表層防護(hù)結(jié)構(gòu)的防腐性以及耐老化性。

該文首先介紹國(guó)內(nèi)外常用的主纜防護(hù)措施，基于傳統(tǒng)主纜防護(hù)體系存在的問(wèn)題，根據(jù)湖南楓溪大橋纜索結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有防護(hù)體系，研制主纜防護(hù)用新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纏包帶。通過(guò)多次材料配方試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，探明其力學(xué)性能、防腐性能與關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，并根據(jù)新型纏包帶的特點(diǎn)，對(duì)纖維增強(qiáng)氯磺化聚乙烯纏包帶施工工藝進(jìn)行研究。

2 傳統(tǒng)懸索橋主纜防腐保護(hù)方法

2.1 纏繞鋼絲防護(hù)體系

為了解決圓鋼絲纏繞的縫隙問(wèn)題，日本將圓形鋼絲的貼合結(jié)構(gòu)改造成類(lèi)似螺紋的結(jié)構(gòu)，在主纜表面形成金屬套筒，纏繞后使主纜表面絲絲扣，更為光滑，水分不易滲入，并且增大了空氣溢出的阻力，減少了內(nèi)部空氣的泄露。

2.2 膩?zhàn)油垦b防護(hù)體系

在纏繞鋼絲外防護(hù)系統(tǒng)方面，目前中國(guó)常用傳統(tǒng)的主纜膩?zhàn)永p絲涂裝防護(hù)體系(圓鋼絲纏繞涂層法)，見(jiàn)圖1，主要通過(guò)涂料涂裝層將主纜鋼絲與外部環(huán)境進(jìn)行隔絕，以阻止水分、鹽和其他腐蝕性物質(zhì)進(jìn)入主纜內(nèi)部來(lái)達(dá)到主纜防腐的目的。

圖1 主纜膩?zhàn)永p絲涂裝防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

主纜膩?zhàn)油垦b防護(hù)體系存在的問(wèn)題：

(1) 由于主纜防護(hù)系統(tǒng)施工周期較長(zhǎng)，大型懸索橋主纜從架設(shè)到防護(hù)系統(tǒng)完工大約需要1年時(shí)間，在此期間，主纜內(nèi)部集聚了大量雨水，造成主纜腐蝕。

(2) 傳統(tǒng)的防護(hù)膩?zhàn)?、嵌縫材料用于填嵌纏繞鋼絲之間的縫隙，但由于外層油漆的老化、開(kāi)裂使防護(hù)膩?zhàn)哟罅勘┞对诳諝獗砻妫⑶矣捎谒值臐B入，防護(hù)膩?zhàn)赢a(chǎn)生物理、化學(xué)反應(yīng)，使其失去防護(hù)作用。

3 纖維增強(qiáng)柔性纏包帶的開(kāi)發(fā)

3.1 材質(zhì)

氯磺化聚乙烯橡膠(CSM)是由高密度聚乙烯經(jīng)氯化、氯硫化后制成的一種合成橡膠。氯硫化聚乙烯橡膠硫含量為1%～2%，氯含量為25%～45%。CSM具有較好的耐候性，耐熱性，耐紫外線性能，抗氧化、腐蝕、風(fēng)蝕、油等。該防護(hù)系統(tǒng)采用高韌性及高強(qiáng)度的纖維增強(qiáng)氯硫化聚乙烯橡膠纏包于主纜表面形成高分子套筒，阻止水分的進(jìn)入，同時(shí)增加空氣阻力，減少內(nèi)部空氣的泄露，有效保護(hù)主纜。新型纏包帶系統(tǒng)復(fù)合防護(hù)體系如圖2所示。

圖2 新型纏包帶系統(tǒng)復(fù)合防護(hù)體系示意圖

3.2 纏包帶力學(xué)性能

將新型纖維增強(qiáng)氯磺化聚乙烯橡膠纏包帶及氯磺化聚乙烯橡膠膠片進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，測(cè)量其拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度等性能。在厚度基本相同的情況下，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，拉伸強(qiáng)度方面，前者比后者提高42.2%；拉斷伸長(zhǎng)率前者比后者降低將近8倍，能對(duì)主纜變形起到更好的約束作用；徑向撕裂強(qiáng)度前者比后者提高119.9%。經(jīng)過(guò)多次配方改良之后，新型纖維增強(qiáng)橡膠纏包帶多項(xiàng)力學(xué)性能均優(yōu)于氯磺化聚乙烯橡膠膠片，較純橡膠纏包帶更有優(yōu)勢(shì)，且均能滿足工程實(shí)際要求。

表1 纖維增強(qiáng)氯磺化聚乙烯纏包帶和氯磺化聚乙烯膠片力學(xué)性能對(duì)比

3.3 纏包帶耐腐蝕性能

在含有金屬氧化物的情況下，氯磺化聚乙烯橡膠分子鏈上的亞磺酰氯基裂解，通過(guò)游離基與酸堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而對(duì)氯磺化聚乙烯腐蝕。纖維增強(qiáng)氯磺化聚乙烯纏包帶耐3%NaOH腐蝕和耐5%H2SO4腐蝕性能如圖3所示。纏包帶在3%NaOH溶液中浸泡腐蝕后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，伸長(zhǎng)率和拉應(yīng)力呈線性增長(zhǎng)，達(dá)6.13 MPa，相較于圖4(a)常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果最大拉應(yīng)力(4.78 MPa)增長(zhǎng)了28.24%，可見(jiàn)材料在3%NaOH溶液中浸泡后拉伸性能大幅度增長(zhǎng)，構(gòu)件耐堿性能較好。纏包帶在5%H2SO4浸泡腐蝕后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試件偏差較大，偏差最大的兩組試件之間，拉伸強(qiáng)度相差47.5%，伸長(zhǎng)率相差41.9%，耐酸性能較好，但不穩(wěn)定。

3.4 纏包帶耐熱老化性能

懸索橋長(zhǎng)期暴露在日照環(huán)境下，測(cè)試其耐高溫老化性能(圖4)，熱空氣老化168 h后除試件1外，其余4組試件拉伸強(qiáng)度降低3.7%～3.9%，伸長(zhǎng)率降低21.2%～22.6%，拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率保持率較高，老化后拉伸性能下降緩慢，說(shuō)明在此溫度下氯磺化聚乙烯性能穩(wěn)定，不會(huì)脫氯，分子鍵穩(wěn)定，耐高溫老化性能良好。

3.5 纏包帶耐人工氣候老化性能

根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)纖維增強(qiáng)氯磺化聚乙烯纏包帶進(jìn)行人工氣候老化試驗(yàn)，試驗(yàn)包括模擬高溫高濕、降水、干燥及高強(qiáng)度輻射等情況，總試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)250 h后，材料的拉伸強(qiáng)度保持率、拉斷伸長(zhǎng)率保持率、表面情況和灰卡評(píng)級(jí)等性能見(jiàn)表2。

圖3 纏包帶抗酸堿腐蝕性能

圖4 纏包帶耐高溫老化性能

表2 纖維增強(qiáng)氯磺化聚乙烯纏包帶人工氣候老化試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果看，除拉斷伸長(zhǎng)率保持率外材料的耐人工氣候老化性能較好，人工氣候老化后材料拉斷伸長(zhǎng)率為31.8%，拉斷伸長(zhǎng)率保持率為43.9%。由于受溫度、震動(dòng)等因素影響主纜多為軸向伸縮變形，橫截面變形較小，因此材料拉斷伸長(zhǎng)率這一數(shù)據(jù)能滿足工程實(shí)際需要。

4 新型纖維增強(qiáng)柔性纏包帶施工工藝

4.1 工程背景

依托工程為湖南省楓溪大橋，楓溪大橋?yàn)樽藻^式懸索橋，跨度300 m，單根主纜長(zhǎng)度546.5 m，其中需要防護(hù)的主纜長(zhǎng)度474 m，主纜直徑320 mm(緊纜后,索夾間的主纜直徑φ312.5 mm，纏S形鋼絲后，主纜索夾間的直徑φ321.2 mm)，全橋共計(jì)2根主纜。

4.2 施工設(shè)備

施工工藝通過(guò)纏包機(jī)將纖維增強(qiáng)氯磺化聚乙烯纏包帶直接纏繞于主纜纏繞鋼絲表面，后采用加熱裝置熱熔固化的方式形成完整的主纜護(hù)套結(jié)構(gòu)。主纜纏包帶纏繞過(guò)程中前后兩層搭接寬度需達(dá)纏包帶寬度一半以上，最終形成厚度均勻的兩層纏包物。每一層之間的縫隙通過(guò)密封帶密封，防止?jié)B水。通過(guò)控制電控箱，根據(jù)溫度感應(yīng)器，使用加熱毯對(duì)纏包帶進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加熱。該施工方式簡(jiǎn)便，可大幅節(jié)約原有現(xiàn)場(chǎng)油漆涂裝的時(shí)間，且特種氯磺化聚乙烯橡膠材料天然具有耐老化等優(yōu)良特性，即使出現(xiàn)破損現(xiàn)象維修更換也十分方便。

4.3 纏繞

(1) 圓柱螺旋線

假定一個(gè)動(dòng)點(diǎn)沿直徑為2R的圓柱體周?chē)菪仙?，?dòng)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一周沿軸向上升的距離即為導(dǎo)程，用S表示。根據(jù)螺旋線旋轉(zhuǎn)方向的不同，螺旋線又可分為右螺旋線和左螺旋線。當(dāng)螺旋線沿圓柱體螺旋上升的軌跡符合右手螺旋定則(右手四指指向與螺旋線走向相同，拇指指向動(dòng)點(diǎn)上升方向)時(shí)即為右螺旋線，如圖5(a)所示；同理當(dāng)螺旋線沿圓柱體螺旋上升的軌跡符合左手螺旋定則時(shí)，即為左螺旋線，如圖5(b)所示。動(dòng)點(diǎn)繞圓柱體旋轉(zhuǎn)2π/n角度時(shí)，沿軸上升的距離為S/n。螺旋線的旋轉(zhuǎn)方向稱旋向。

圖5 兩種螺旋線

螺旋線上每一點(diǎn)的切線，對(duì)圓柱正截面的傾角都相等，這一角度稱為圓柱螺旋線的升角。它的余角稱為螺旋角。螺旋線展開(kāi)時(shí)為一直線，它是以圓柱正截面圓周長(zhǎng)為底邊，導(dǎo)程為高的直角三角形的斜邊，如圖6所示。螺旋線是圓柱面上不在同一素線上的兩點(diǎn)之間的最短距離。

圖6 圓柱螺旋線

(2) 參數(shù)方程

圓柱螺旋線參數(shù)方程為：

(1)

式中：θ=ωt，ω為角速度；S稱為螺距；β為螺旋角，式中對(duì)右螺旋線取正號(hào)，對(duì)左螺旋線取負(fù)號(hào)。如果以弧長(zhǎng)L為參數(shù)，則其方程為：

(2)

(3) 主纜纏包帶計(jì)算方法

計(jì)算設(shè)定條件：① 主纜半徑R，直徑D=2R；② 導(dǎo)程S，也稱為螺距，為纏繞主纜時(shí)纏繞帶中心線間距；③ 螺旋角β，也為纏繞帶與主纜的縱向角度。纏繞帶與主纜的橫向角度α為升角，則有α=90-β；④ 圓弧長(zhǎng)L，也為纏繞帶纏繞主纜一圈的中心線長(zhǎng)度。

纏繞帶計(jì)算方法如下：

S=2πRcotβ

(3)

(4)

因?yàn)槭请p層，所以纏繞帶的實(shí)際長(zhǎng)度為2L。按以上主纜纏包帶計(jì)算方法計(jì)算可知，主纜半徑R=160 mm，纏包帶寬度為150 mm，當(dāng)搭接52%(78 mm)時(shí)螺旋角β=85.9°，導(dǎo)程S=72 mm，圓弧長(zhǎng)L=1 006.6 mm，兩根主纜所需纏包帶長(zhǎng)度為26 507.1 m。

(4) 新型防護(hù)系統(tǒng)施工工序

楓溪大橋主纜采用S形纏繞鋼絲和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纏繞帶綜合防護(hù)。該文所研制的柔性主纜防護(hù)系統(tǒng)施工工序?yàn)?，首先將S形纏繞鋼絲纏繞在主纜鍍鋅鋼絲外表面，然后將150 mm寬的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纏包帶使用纏包機(jī)現(xiàn)場(chǎng)搭接纏繞在S形主纜纏繞鋼絲表面。纏繞方向的選擇，由低向高順時(shí)針或逆時(shí)針纏繞，塔接寬度≥52%(≥78 mm)，搭接口有3層搭接，如圖7所示。纏繞后熱熔黏接,熱熔溫度130～135 ℃，熱熔時(shí)間4～5 min,充氣氣壓0.035～0.045 MPa，纏包帶表面張力≥343 N。

圖7 主纜纏繞安裝圖

4.4 熱熔黏結(jié)

纏繞完成后，要求在24 h內(nèi)進(jìn)行熱熔黏接，加熱溫度根據(jù)施工時(shí)的環(huán)境溫度確定，一般為125～135 ℃，加熱毯的一個(gè)節(jié)段長(zhǎng)度所需時(shí)間為(5+5) min一個(gè)循環(huán)，氣壓≥0.035 MPa。熱熔溫度不能大于150 ℃。

4.5 索夾環(huán)縫密封裝置安裝

纏包帶每層之間間隙容易開(kāi)裂、老化，引起水分的進(jìn)入。因此在纏包帶纏繞完畢后，在兩端需要進(jìn)行密封帶安裝，以防止水分的進(jìn)入。

5 結(jié)論

介紹了國(guó)內(nèi)外常用的主纜防護(hù)措施，分析了其自身存在的問(wèn)題。根據(jù)湖南楓溪大橋纜索結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有防護(hù)體系，研制了主纜防護(hù)用新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纏包帶。通過(guò)多次材料配方試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，探明了其力學(xué)性能、防腐性能與關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，并根據(jù)國(guó)產(chǎn)纏包帶的特點(diǎn)，對(duì)相應(yīng)施工工藝進(jìn)行了研究。所得結(jié)論如下：

(1) 試驗(yàn)研究表明：氯磺化聚乙烯橡膠具有較好的耐候性、耐熱性、耐紫外線性，抗氧化、腐蝕、風(fēng)蝕性能好，可用作懸索橋主纜鋼絲纏包帶材料，阻止水分的進(jìn)入，增加空氣阻力，減少內(nèi)部干燥空氣的泄露，有效地保護(hù)主纜。

(2) 經(jīng)對(duì)多次配方改良，對(duì)比新型纖維增強(qiáng)氯磺化聚乙烯橡膠纏包帶及氯磺化聚乙烯膠片多項(xiàng)力學(xué)性能，前者均優(yōu)于后者，較純橡膠纏包帶更有優(yōu)勢(shì)，且均能滿足工程實(shí)際要求。

(3) 纖維增強(qiáng)氯磺化聚乙烯纏包帶耐堿性能良好，試件偏差較小。耐5% H2SO4后，試件偏差較大，耐酸性能不穩(wěn)定。纏包帶熱空氣老化168 h后拉伸強(qiáng)度降低3.7%～3.9%，伸長(zhǎng)率降低21.2%～22.6%，拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率保持率較高，老化后拉伸性能下降緩慢，耐高溫老化性能良好。人工氣候老化后，拉伸強(qiáng)度保持率為105%，拉斷伸長(zhǎng)率保持率為43.9%，試件表面無(wú)粉化無(wú)龜裂，灰卡評(píng)級(jí)3.79，纏包帶人工氣候老化性能良好。

(4) 該文針對(duì)研制的纖維增強(qiáng)氯磺化聚乙烯橡膠纏包帶制定了纏繞、現(xiàn)場(chǎng)搭接等關(guān)鍵工序，相較于傳統(tǒng)的主纜膩?zhàn)油垦b防護(hù)系統(tǒng)，該防護(hù)系統(tǒng)具有工序簡(jiǎn)單、施工周期短、綜合成本較低等優(yōu)勢(shì)。最后對(duì)楓溪大橋主纜防護(hù)系統(tǒng)的張拉力、搭接寬度、搭接角度以及所需纏包帶長(zhǎng)度等工程技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。