陳小雨 ，唐茂林

（1. 西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 四川 成都 611756；2. 成都紡織高等專科學(xué)校智能建造與環(huán)境工程學(xué)院， 四川成都 611731；3. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031）

懸索橋主纜的檢測與維護(hù)在美國、歐洲和日本已經(jīng)開展起來[1]. 美國對布魯克林橋、華盛頓橋、威廉斯堡橋、曼哈頓橋等多座服役30 a 以上的懸索橋主纜進(jìn)行了主纜的開纜檢測，發(fā)現(xiàn)纜內(nèi)的鋼絲腐蝕嚴(yán)重，對橋梁的服役造成巨大的安全隱患，并于2004 年整理了NCHRP-534 報告[2]；英國依據(jù)534 報告的經(jīng)驗對福斯橋[3]、塞文橋[4]、亨伯特橋[5]等進(jìn)行了主纜檢測，這些橋梁的主纜中均出現(xiàn)了同樣的腐蝕問題；日本對本州四國聯(lián)絡(luò)線上在役的懸索橋纜索系統(tǒng)進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)部分主纜僅僅服役幾年就出現(xiàn)了腐蝕[6].

我國第一批現(xiàn)代懸索橋修建于20 世紀(jì)90 年代，距今已紛紛達(dá)到了30 a 的服役時間，文獻(xiàn)[7]對某懸索橋中的鋼絲進(jìn)行了腐蝕檢測，發(fā)現(xiàn)我國的懸索橋也無法避免腐蝕問題. 文獻(xiàn)[8-10]通過實驗測量了服役環(huán)境下鋼絲的腐蝕速率計算，并提出區(qū)域化腐蝕計算方法，但均未對主纜內(nèi)的鋼絲進(jìn)行詳細(xì)試驗分析和主纜強(qiáng)度評估. 我國正面臨著大跨橋梁纜索體系的逐漸腐蝕退化而又缺乏檢測評估經(jīng)驗的嚴(yán)峻問題. 通過對服役20 a 的懸索橋主纜進(jìn)行主纜開纜檢測、獲得纜內(nèi)腐蝕環(huán)境分布、分析主纜鋼絲腐蝕特征以及沿徑向腐蝕規(guī)律、評估主纜剩余承載力，為我國的主纜腐蝕的研究工作提供最直接的參考數(shù)據(jù)，積累主纜檢測經(jīng)驗.

1 開纜檢測

1.1 橋梁概況

該橋1995 年建成通車，主纜由37 根股索組成，主纜采用直徑為5.20 mm、標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 600 MPa 的高強(qiáng)度鋼絲，主纜的防護(hù)結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的膩子 + 纏絲的方式，環(huán)氧富鋅底漆 + 聚氨酯膩子 + 纏絲 + 聚氨酯膩子 + 聚氨酯面漆的防護(hù)涂層結(jié)構(gòu)，纏絲采用直徑4.00 mm 的高強(qiáng)度鋼絲，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度550 MPa，并于后期養(yǎng)護(hù)中增加了密閉劑，柔性面漆等二次涂裝.

橋位處臨海，屬亞熱帶海洋性氣候，受日照時間較長，年平均氣溫25 ℃ ，屬夏長無冬地區(qū)，年降雨量1 820.6 mm，空氣濕度大，氯離子含量高，雨水PH 值較低，橋位附加有大型工廠，排放的廢氣中含有NO、SO2等腐蝕性氣體. 橋梁運營近25 a 后，在2019 年12 月對該橋上、下游主纜跨中截面的腐蝕情況進(jìn)行開纜檢測，查看主纜內(nèi)部腐蝕狀況，評估其剩余承載力. 主纜開纜過程的現(xiàn)場照片如圖1 所示.

圖1 主纜檢測現(xiàn)場照片F(xiàn)ig. 1 Photos of main cable inspection

首先剝?nèi)ブ骼|外防護(hù)層，切斷主纜纏絲，剝?nèi)シ雷o(hù)膩子露出主纜鋼絲，然后用木楔子沿著圓周每隔45° 角楔入一道檢測口，打開主纜后可見主纜跨中節(jié)段外層涂裝防護(hù)良好，沒有出現(xiàn)明顯的破損開裂，纜內(nèi)沒有液體滲出；去除最外層涂裝后纏絲總體狀態(tài)良好，纏絲局部發(fā)生鍍鋅銹蝕，沒有出現(xiàn)斷絲，且能看到金屬光澤；切開纏絲后能夠看見主纜最外層鋼絲均發(fā)生了明顯的嚴(yán)重腐蝕，附著褐色腐蝕產(chǎn)物，且鋼絲表面出現(xiàn)密集的腐蝕坑，膩子上附著鐵銹；楔開主纜后主纜內(nèi)層鋼絲狀態(tài)良好，可見金屬光澤，未發(fā)生腐蝕；開纜位置處未發(fā)現(xiàn)斷絲，且沒有發(fā)生鋼絲開裂的情況.

1.2 鋼絲腐蝕分布

根據(jù)纜內(nèi)鋼絲的腐蝕情況，并參考534 報告對鋼絲腐蝕階段的相關(guān)規(guī)定[2]，通過視覺觀察可以將鋼絲腐蝕分為4 個階段：鋼絲上出現(xiàn)氧化鋅斑點（階段1）；整個鋼絲上都是白色氧化鋅（階段2）；覆蓋鋼絲 30%的長度為 76.2 mm 到 152.4 mm 的棕色銹跡（階段3）；覆蓋鋼絲大于 30%的長度為 76.2 mm到 152.4 mm 的棕色銹跡（階段4）. 4 個腐蝕階段鋼絲外觀對比如圖2 所示.

圖2 4 個腐蝕階段鋼絲外觀對比Fig. 2 Comparison of steel wire appearances in four corrosion stages

4 級腐蝕的劃分為定性劃分，為了彌補(bǔ)定性分級的不足，作者在文獻(xiàn)[9]中對鍍鋅高強(qiáng)鋼絲全壽命腐蝕各階段的腐蝕外觀進(jìn)行了精細(xì)測量，并進(jìn)行各等級鋼絲強(qiáng)度的實驗，得到更詳細(xì)的腐蝕質(zhì)量損失、直徑變化等，定量分級其對應(yīng)的剩余承載力. 但在現(xiàn)場由于楔口操作空間較小，僅能采用內(nèi)窺鏡深入主纜內(nèi)部，拍攝各層鋼絲的腐蝕外觀照片，無法進(jìn)行腐蝕定量的測量，因此在提取鋼絲腐蝕樣本時依然主要為定性地判斷. 將主纜內(nèi)鋼絲腐蝕的分布按上述4 級進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖3 所示.

圖3 上、下游主纜跨中截面鋼絲腐蝕分布Fig. 3 Corrosion distribution of steel wire at midspan of upstream and downstream main cable

上、下游跨中截面主纜鋼絲腐蝕分布有如下特點：1） 環(huán)繞主纜最外層的一周鋼絲均發(fā)生了階段4的嚴(yán)重腐蝕. 2） 頂部區(qū)域腐蝕較其他區(qū)域嚴(yán)重，頂部階段4 腐蝕的分布有大概9～10 層；兩側(cè)位置腐蝕稍輕，階段4 腐蝕的分布大概3～4 層；底部位置腐蝕最輕，階段4 腐蝕鋼絲分布大概1～2 層. 一方面說明主纜中的水分并沒有滲透主纜在底部聚集，因此底部并沒有出現(xiàn)突出的腐蝕狀況，外界進(jìn)入的水汽大部分匯于主纜頂部使得頂部區(qū)域10 層以內(nèi)鋼絲腐蝕嚴(yán)重；另一方面說明頂部區(qū)域由于受到陽光直射，導(dǎo)致溫度高于其他區(qū)域，腐蝕速率也明顯大于其他區(qū)域. 3） 下游截面腐蝕情況略嚴(yán)重于上游截面，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是由于下游區(qū)域受到海風(fēng)的影響較上游更嚴(yán)重一些，海風(fēng)中的氯離子和水分等滲入主纜的情況較上游更多.

2 樣本鋼絲的實驗室檢測

2.1 局部腐蝕檢測

采用高倍電子顯微鏡對4 個腐蝕階段的樣本鋼絲基體腐蝕斑進(jìn)行觀察，如圖4 所示.

圖4 各腐蝕階段樣本鋼絲腐蝕斑發(fā)展Fig. 4 Development of corrosion spots of sample steel wire in each corrosion stage

由圖4 可知：隨著腐蝕程度的加深，腐蝕斑直徑不斷擴(kuò)大，周圍的鋼絲也由淺白色鍍鋅銹蝕發(fā)展成褐色基體銹蝕，腐蝕斑深度方向增大，減小鋼絲局部直徑. 在高倍顯微鏡下對腐蝕斑進(jìn)行尺寸測量，對于圓形或橢圓形腐蝕斑，測量其最大直徑的長度，邊界模糊的腐蝕斑，測量其中心嚴(yán)重腐蝕點的直徑尺寸.每根樣本鋼絲測量5 個腐蝕斑尺寸，取其均值作為該樣本鋼絲腐蝕斑尺寸的值，統(tǒng)計結(jié)果如圖5 所示.

圖5 中橫坐標(biāo)1～10 為階段 1 腐蝕的10 根樣本鋼絲的腐蝕斑尺寸，后面依次類推. 由圖可見：隨著腐蝕等級的增加，腐蝕斑在長度方向出現(xiàn)了明顯的增大趨勢，與腐蝕外觀的總體趨勢一致，腐蝕斑在未來會漸漸連成一片，導(dǎo)致主纜全面腐蝕. 可見鋼絲的腐蝕發(fā)展為鍍鋅層腐蝕，發(fā)展到基體局部點腐蝕擴(kuò)大至整體腐蝕的過程.

圖5 腐蝕斑長度變化散點圖Fig. 5 Scatter diagram of corrosion spot length changing with corrosion level

為了研究腐蝕對鋼絲直徑減小的影響，觀察階段4 腐蝕的樣本銹層的微觀形貌及測量銹層厚度，采用3D 共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行觀察其橫截面的微觀形貌，如圖6 所示.

圖6 鋼絲橫截面銹層3D 共聚焦顯微鏡圖Fig. 6 3D confocal micrograph of rust layer on steel wire cross-section

圖6（a）為4N11 號樣品的橫截面微觀形貌，鍍鋅層耗損完畢，銹層已經(jīng)全部覆蓋基體，樣品銹蝕層平均厚度大約是100 μm，部分腐蝕坑區(qū)域腐蝕厚度達(dá)到200 μm. 同方法測量了4 級腐蝕的3 個樣本鋼絲，由于基體銹蝕層較易剝落，測量值有波動，基體銹蝕厚度約為50～150 μm. 從SEM 微觀形貌可以看出試樣銹層比較厚，同時存在大量的裂紋，有些裂紋甚至貫穿了銹層，這可能導(dǎo)致銹層的脫落，使得基底失去保護(hù)，與外界直接接觸.

2.2 腐蝕相關(guān)液體成分檢測

在開纜過程中主纜內(nèi)并沒有水分富集，僅收集到一兩滴水滴，現(xiàn)場測量得到水滴的pH 值為5.00，由于現(xiàn)場水滴太少無法進(jìn)行其他檢測，為分析主纜內(nèi)的環(huán)境，分別檢測了現(xiàn)場收集的雨水以及樣本鋼絲浸泡液（將階段3 腐蝕的10 根樣本鋼絲用200 ml超純水浸泡1 h，取液體直接測試），測量結(jié)果見表1.

表1 液體成分測量結(jié)果表Tab. 1 Results of liquid composition measurements

由液體成分分析可以看出：1） 雨水外界環(huán)境中含有氯離子，到主纜內(nèi)后氯離子濃度有所富集；2） 外環(huán)境和浸泡溶液的pH 值均為弱堿性，外環(huán)境中的pH 值受到當(dāng)?shù)毓I(yè)及海洋環(huán)境的影響，主纜內(nèi)的pH 值為弱堿性，一方面也受到外環(huán)境及海洋氣候的影響，但主纜內(nèi)的水滴pH 值為酸性，表明鋼絲表面在 C l-的參與下發(fā)生的微電池反應(yīng).

2.3 鋼絲強(qiáng)度檢測

為了對主纜強(qiáng)度進(jìn)行評估，對主纜內(nèi)各腐蝕階段的樣本鋼絲進(jìn)行強(qiáng)度測量. 從該主纜中取出的每個腐蝕階段10 個樣本鋼絲進(jìn)行強(qiáng)度實驗，鋼絲公稱直徑5.2 mm，公稱面積21.23 mm2，標(biāo)距長度50 mm，樣本鋼絲長度為30 cm，采用萬能材料試驗機(jī)（Z050）對其進(jìn)行單軸拉伸試驗，試驗結(jié)果見表2. 由表可知：階段1～3 腐蝕鋼絲強(qiáng)度性能變化較小，階段4鋼絲極限強(qiáng)度降低約3.50%，延伸率降低約9.00%，由于腐蝕導(dǎo)致了鋼絲變脆；此處的延伸率測量方法為拉伸前在鋼絲上標(biāo)記長度為50 mm 的兩個點，拉伸后測量兩個標(biāo)記點的距離，其變化率即為延伸率.

各階段樣本鋼絲在張拉破斷后斷面的收縮率見表3.

表3 斷面收縮率Tab. 3 Percentage reduction of cross-section area after fracture

4 個腐蝕階段鋼絲的應(yīng)力-伸長率如圖7 所示.圖中：強(qiáng)度值為實際強(qiáng)度值，各樣本鋼絲的橫截面積為帶腐蝕產(chǎn)物的面積，因此其值小于表2 中的強(qiáng)度值，在計算時統(tǒng)一取為鋼絲未腐蝕時的公稱面積（表2 中的強(qiáng)度值）.

圖7 各腐蝕階段樣本鋼絲應(yīng)力-伸長率曲線Fig. 7 Stress-strain curves of sample steel wires in various corrosion stages

表2 樣本鋼絲拉伸性能測量結(jié)果表Tab. 2 Test results of tensile properties of sample steel wires

階段2 和階段4 鋼絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中有部分鋼絲出現(xiàn)了打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致該級鋼絲的應(yīng)力-應(yīng)變（圖中伸長率）坐標(biāo)（橫坐標(biāo)）增大，但是對數(shù)據(jù)的值無影響，在進(jìn)行統(tǒng)計時剔除了該階段中打滑鋼絲的數(shù)據(jù).

由拉伸數(shù)據(jù)、應(yīng)力-伸長率圖以及斷面收縮率可以看出：1） 腐蝕階段1、2、3 樣本鋼絲均出現(xiàn)較為明顯的屈服平臺，屈服平臺的伸長率（橫坐標(biāo)）約為5%～20%，單根鋼絲屈服平臺長度約為7%～8%，而階段4 腐蝕樣本鋼絲（剔除打滑的鋼絲）的屈服平臺伸長率僅為5%～15%，單根鋼絲的屈服平臺長度約為4%，這是腐蝕導(dǎo)致的鋼絲出現(xiàn)了脆性斷裂的特征，這與隨著腐蝕程度加深樣本鋼絲延伸率降低的特征相吻合；2） 隨著腐蝕級別增加，鋼絲的抗拉強(qiáng)度降低，鋼絲的延性降低，斷面收縮率降低，鋼絲變脆.

3 主纜強(qiáng)度評估

在對該橋的開纜檢測中，并沒有發(fā)現(xiàn)鋼絲開裂或者斷裂的情況，采用534 報告中的簡化模型進(jìn)行評估[2]. 首先根據(jù)鋼絲的腐蝕等級將其分組：腐蝕階段1、2 鋼絲基體均未發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，可歸為第1 組；腐蝕階段3 的鋼絲分為第2 組；腐蝕階段4 的鋼絲分為第3 組；開裂的鋼絲單獨分為第4 組.

對上、下游主纜跨中截面的各組鋼絲數(shù)量分布和極限強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計，如表4 所示. 表中：Nk為評估工作段內(nèi)第k（k=1，2，3，4）組鋼絲的數(shù)目； μsk為第k組鋼絲的樣本抗拉強(qiáng)度均值； σsk為第k組鋼絲的樣本抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差；Puk為第k組鋼絲所代表的主纜內(nèi)未破損以及未開裂鋼絲的比例.

表4 上游跨中截面數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab. 4 Statistics of parameters of upstream midspan section

依據(jù)文獻(xiàn)[2]計算主纜強(qiáng)度為

式中： μs為除去開裂鋼絲外組合鋼絲的樣本抗拉強(qiáng)度均值； σs為除去開裂鋼絲外組合鋼絲的樣本抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差.

則上游主纜承載力為

式中：aw為實驗室分析中每根鋼絲的公稱截面積；Neあ為評估工作段內(nèi)未破損鋼絲的有效數(shù)目；K為減少因子，取值見文獻(xiàn)[2]，本文取0.93.

即上游主纜單根鋼絲極限強(qiáng)度均值為1 624.62 MPa.

同理得下游截面主纜承載力計算結(jié)果為

原始主纜的所有鋼絲強(qiáng)度均值為1 723.00 Mpa，則原始主纜承載力約為

由計算得知主纜的平均抗拉強(qiáng)度降低了5.7%，主纜鋼絲的原始檢測數(shù)據(jù)單根鋼絲的極限強(qiáng)度均值為1 723.00 MPa，則由本次開纜檢測的計算結(jié)果可以看出：上、下游主纜單根鋼絲極限強(qiáng)度均值均為1 623.88 MPa，依然大于1 600.00 MPa，滿足設(shè)計要求.

4 結(jié) 論

本文通過對緬甸某在役懸索橋主纜進(jìn)行開纜檢測，介紹了主纜開纜檢測及承載力評估的詳細(xì)步驟和方法，對主纜現(xiàn)場的開纜檢測和鋼絲腐蝕的實驗測量得到下述結(jié)論：

1） 主纜最外層鋼絲均發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，其中頂部鋼絲受到高溫和高濕度的影響發(fā)生了9～10 層鋼絲的嚴(yán)重腐蝕，兩側(cè)和底部鋼絲腐蝕較頂部輕約為3～4 層鋼絲腐蝕.

2） 主纜沿著徑向由外向內(nèi)腐蝕程度減輕，內(nèi)層鋼絲僅出現(xiàn)白色鍍鋅腐蝕，鋼絲基體狀況良好.

3） 對鋼絲局部腐蝕形貌和內(nèi)部腐蝕環(huán)境的檢測分析以及鋼絲抗拉強(qiáng)度的測量，得到鋼絲腐蝕發(fā)展由鍍鋅層腐蝕發(fā)展至基體局部腐蝕到最后基體全面腐蝕的發(fā)展過程，并隨著腐蝕加劇，鋼絲強(qiáng)度和延性都降低.

4） 主纜未出現(xiàn)斷絲和開裂，依據(jù)534 報告中簡化模型給出了該橋主纜承載力降低約5.7%，仍然符合設(shè)計要求.

5） 文中檢測和評估并未考慮主纜中鋼絲的分布對主纜強(qiáng)度的影響，也未考慮沿主纜縱向不同位置的腐蝕是否會對主纜強(qiáng)度造成不同的影響，這些都是日后需要繼續(xù)進(jìn)行探索研究的方向.