張玉杰 石建中 李鵬 潘曉惠 胡穎健 朱軍

（1.武漢紡織大學(xué)，湖北武漢 430200；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100026；3.鎮(zhèn)江藍(lán)舶科技股份有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212016）

0 引言

懸索橋的主纜連接主塔與錨碇，通過(guò)連接懸索承載橋面，是懸索橋最核心的承力構(gòu)件之一。主纜作為懸索橋主要承力結(jié)構(gòu)，由于主纜屬于不能更換的部件，又被稱(chēng)為懸索橋的“生命線”［1］，對(duì)工程的暢通和保障橋梁的持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行起著重要作用。因此主纜內(nèi)部纜絲的工作狀態(tài)對(duì)于懸索橋的運(yùn)行安全性和可靠性具有決定性作用。

1 主纜主動(dòng)防腐概述

懸索橋腐蝕［2］采用被動(dòng)防腐主要是在主纜外圍纏繞保護(hù)層的方式。傳統(tǒng)主纜防腐主要是在主纜外部“纏絲+涂抹防腐膩?zhàn)印钡谋粍?dòng)防腐模式來(lái)減少施工難度和節(jié)省涂料［3］，該防腐方式對(duì)于主纜內(nèi)部已形成的高濕度腐蝕環(huán)境無(wú)能為力，且防腐密封層存在老化開(kāi)裂等問(wèn)題，該防腐模式已基本被淘汰。近年來(lái)，從主纜表面壓入干空氣進(jìn)行除濕的主動(dòng)防腐模式已在國(guó)內(nèi)外諸多大跨度懸索橋主纜防腐工程上應(yīng)用［4］。傳統(tǒng)被動(dòng)主纜防護(hù)系統(tǒng)并不能完全阻止水分的入侵，其通過(guò)外包裹層間斷部位進(jìn)入主纜，或當(dāng)周?chē)鷼鈮焊淖儠r(shí)以水蒸氣的形式進(jìn)入主纜。含有水分的空氣進(jìn)入索股間的空隙部位，并在溫度下降時(shí)凝結(jié)成液態(tài)水，因此也無(wú)法阻止主纜腐蝕的發(fā)生。研究試驗(yàn)表明主纜索股表面持續(xù)保持潮濕，潮濕程度從上到下依次遞減。

主動(dòng)防腐體系［5］目前已經(jīng)有至少30 年的歷史，并且主動(dòng)防腐的方式在主纜上應(yīng)用也有20 多年的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)干燥空氣氣流組織發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題和不足，干燥空氣必須及時(shí)準(zhǔn)確到達(dá)防腐部位，才能夠真實(shí)有效達(dá)到防腐目的［6］。主動(dòng)防腐防護(hù)的方式主要是2個(gè)方向，密封和除濕，干燥空氣的氣流組織是指對(duì)氣流流向和均勻度按一定要求進(jìn)行組織，同時(shí)有廢氣排出。氣流組織形式是影響防腐效果的重要因素，合理的氣流組織應(yīng)是在能耗少的基礎(chǔ)上有效降低環(huán)境腐蝕性，創(chuàng)造低腐蝕率的環(huán)境。傳統(tǒng)除濕系統(tǒng)的氣流組織形式主要包括混合式和置換式。主纜則采用置換式，即將主纜內(nèi)的濕空氣不斷排出，充入干燥的空氣進(jìn)行置換。

目前主纜采用的除濕方法是壓入式機(jī)械送風(fēng)及縱向通風(fēng)，干燥空氣通過(guò)輸氣管道和進(jìn)氣索夾注入主纜，推動(dòng)和稀釋腐蝕空氣沿主纜縱向流動(dòng)，從主纜另一端排出。并且由于主纜縱向氣壓梯度大，相對(duì)濕度梯度大。受主纜密封技術(shù)限制，有限泄漏是主纜的基本特征，但這一特征的量化指標(biāo)缺乏，導(dǎo)致主纜除濕的排氣很難達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。主纜除濕采用置換式氣流組織形式，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，傳感器位置和數(shù)量能滿(mǎn)足置換式氣流組織需求，系統(tǒng)達(dá)標(biāo)停機(jī)后，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也無(wú)法感知主纜內(nèi)部的空氣狀態(tài)，造成監(jiān)控系統(tǒng)感知不足，局部濕度失控，甚至局部腐蝕發(fā)生，無(wú)法全面防止主纜的腐蝕。葉覺(jué)明等［7］對(duì)主纜除濕系統(tǒng)控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。萬(wàn)田保等［8］基于主纜內(nèi)部輸氣除濕系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，進(jìn)行工程應(yīng)用并確定了主纜沿程監(jiān)測(cè)傳感器等元件的布置方案，主纜內(nèi)部輸氣方法具有很大的優(yōu)勢(shì)。在截面方向上送風(fēng)口進(jìn)入主纜內(nèi)部由于縫隙太小，導(dǎo)致阻力大；且主纜不屬于理想的密封體，滲漏不可避免，也就是大部分干空氣無(wú)法進(jìn)入主纜內(nèi)部，直接通過(guò)送風(fēng)口附近的密封層排放主纜外。另一方面縱向通風(fēng)的風(fēng)壓分布呈梯度下降，會(huì)造成高壓區(qū)泄漏大、低壓區(qū)風(fēng)量小的問(wèn)題。

對(duì)主纜的除濕系統(tǒng)研究主要集中在對(duì)進(jìn)排氣夾的空氣參數(shù)（包括溫度、濕度、壓力）的監(jiān)測(cè)［9］，通過(guò)測(cè)量不同送風(fēng)下進(jìn)出口的空氣參數(shù)，指導(dǎo)除濕參數(shù)的設(shè)計(jì)。由于主纜是由眾多鋼絲耦合在一起，氣流是在各鋼絲間隙之間的流動(dòng)，現(xiàn)有的研究方法無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，對(duì)其流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究十分困難。由于腐蝕是個(gè)緩慢的過(guò)程，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有懸索橋開(kāi)纜的檢查［10］，驗(yàn)證主纜除濕系統(tǒng)的缺陷，將對(duì)現(xiàn)有橋梁造成不可逆的損害，因此，研究主纜內(nèi)部的氣流規(guī)律將對(duì)主纜除濕系統(tǒng)具有重要意義，并對(duì)主纜除濕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論支撐。

2 工程背景概況

張皋過(guò)江通道工程大橋主航道橋初擬為主跨2300m 懸索橋，是目前世界上跨度最長(zhǎng)的懸索橋，主纜直徑也是最大的（內(nèi)徑1 500 mm），主纜防腐更為重要，如主纜除濕系統(tǒng)采用原有送風(fēng)方式，則已存在的問(wèn)題更嚴(yán)重，有些問(wèn)題比如主纜表面壓力控制在3 000 Pa 之內(nèi)無(wú)法解決。

鑒于以上情況，對(duì)張皋通道大橋主纜送風(fēng)方式進(jìn)行重大改變，在主纜內(nèi)部埋設(shè)5 根送氣管道，最遠(yuǎn)送風(fēng)系統(tǒng)將由92 個(gè)送風(fēng)單元疊加而成。主纜除濕系統(tǒng)從兩邊送氣，考慮主纜有弧度，最遠(yuǎn)送風(fēng)距離1 200 m。主纜除濕系統(tǒng)在主纜內(nèi)部埋設(shè)5 根直徑60 mm 的送氣管道，對(duì)主纜進(jìn)行均勻送風(fēng)，為達(dá)到均勻送風(fēng)的目的，在2 個(gè)索夾之間開(kāi)設(shè)送風(fēng)口，2 個(gè)索夾距離13 m，5 根送氣管道在主纜內(nèi)部的布局如圖1所示。

圖1 主纜內(nèi)部管道布局

新型主纜送風(fēng)系統(tǒng)的基本理念依然是主纜保持在非腐蝕氣體環(huán)境和密封層中，在結(jié)構(gòu)上與非腐蝕氣體環(huán)境的新思路是將氣體管道和主纜本身融合在一起，在主纜和保護(hù)層中間設(shè)置氣體輸送管道，氣體輸送管道材料選用可滲透材料，在主纜和密封層之間形成一微正壓空間，確保濕空氣和水無(wú)法進(jìn)入主纜。主纜除濕的干燥空氣在主纜內(nèi)部流動(dòng)示意如圖2 所示。

圖2 干燥空氣在主纜內(nèi)部流動(dòng)示意

為了評(píng)估新型送風(fēng)方式的效果，對(duì)新的送風(fēng)方式下主纜氣流組織進(jìn)行研究是十分必要的。

3 主纜內(nèi)部微孔流氣流規(guī)律研究方法的基本原理

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于橋梁除濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析已相對(duì)完善成熟，但分析主纜內(nèi)部氣流動(dòng)態(tài)響應(yīng)的文獻(xiàn)相對(duì)較少，微孔流氣流狀態(tài)的監(jiān)測(cè)十分困難，目前暫無(wú)好的研究方法。

主纜內(nèi)部殘存很多水滴，當(dāng)干燥空氣流經(jīng)殘留水滴區(qū)域，水分將被蒸發(fā)，導(dǎo)致空氣含濕量增加，通過(guò)監(jiān)測(cè)空氣含濕量的變化，就可以驗(yàn)證是否有空氣流動(dòng)。當(dāng)空氣量越大，則水滴清除時(shí)間越少，通過(guò)監(jiān)測(cè)空氣中含濕量的減少速率，可以監(jiān)測(cè)空氣流量。

因此，監(jiān)測(cè)主纜內(nèi)部含濕量的變化，可以模擬出主纜內(nèi)部氣流流動(dòng)的規(guī)律。水蒸發(fā)散濕量公式如下：

式中，Pb為水表面溫度下的飽和空氣的水蒸氣分壓力，Pa；Pa為空氣中的水蒸氣分壓力，Pa；F為水表面蒸發(fā)面積，m2；B0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，取值101 325 Pa；B 為當(dāng)?shù)貙?shí)際大氣壓力，Pa；為對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，kg/（N·s），=0+3.63×10-8v，0為不同水溫下的擴(kuò)散系數(shù)；v 為水面上的空氣流速，m/s。

4 主纜氣流組織的試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

4.1 主纜除濕節(jié)段模型試驗(yàn)

在研究新送風(fēng)方式主纜內(nèi)部氣流組織時(shí)，模擬一個(gè)送風(fēng)單元，其他送風(fēng)單元的氣流是基本相似的。試驗(yàn)采用一根總長(zhǎng)20 m的試驗(yàn)主纜除濕節(jié)段模型試驗(yàn)如圖3 所示。主纜按照未纏絲前直徑為1 500 mm制作，鋼絲直徑5.25 mm，外層為圓形鋼絲纏繞加纏包帶密封防護(hù)體系，配除濕試驗(yàn)用相關(guān)附件。

圖3 主纜除濕節(jié)段模型構(gòu)件

4.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y(cè)點(diǎn)布置

該主纜設(shè)有健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，植入主纜索夾處，形成分布全纜的溫濕度和壓力監(jiān)測(cè)網(wǎng)，7 個(gè)截面分別為進(jìn)氣截面、截面1、截面2、截面3、截面4、截面5、出氣截面。4 根管道1#管為不銹鋼彈簧＋波紋管，彈簧外徑47 mm、內(nèi)徑37 mm，波紋管外徑32 mm、內(nèi)徑25 mm；2#管為直通式可調(diào)節(jié)多層波紋管，外徑60mm、內(nèi)徑55mm；3#管為不銹鋼波紋管，外徑52 mm、內(nèi)徑40 mm；4#管為不銹鋼管+鋼管，彈簧外徑50 mm、內(nèi)徑40 mm，鋼管外徑38 mm、內(nèi)徑32 mm。實(shí)際記錄主纜內(nèi)部不同高度、不同位置所處環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)以及相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析推測(cè)主纜內(nèi)部變化規(guī)律和氣流分布狀況。由于整個(gè)送風(fēng)方式是對(duì)稱(chēng)的，為減少試驗(yàn)的成本，監(jiān)測(cè)主纜的上半圓形部分。每個(gè)截面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)共15 個(gè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體布設(shè)如圖4 所示，主纜現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖5 所示。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖5 主纜現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

該試驗(yàn)對(duì)主纜內(nèi)部除濕系統(tǒng)工作性能進(jìn)行評(píng)估，測(cè)點(diǎn)每隔10 min 采集一次數(shù)據(jù)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)1 d 共采集144 個(gè)數(shù)據(jù)，為了真實(shí)模擬設(shè)計(jì)送風(fēng)管道的情況，試驗(yàn)采用1#、3#、4#管道同時(shí)送風(fēng)。選取溫濕度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采集的2021 年7 月和8 月數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。分析比較了在主纜不同截點(diǎn)上的變化，同時(shí)探究了在不同截面上的氣流狀況。

4.3 截面氣流組織分析

對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理，通過(guò)讀取溫濕度數(shù)值，將數(shù)據(jù)庫(kù)與Excel 交互進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與存儲(chǔ)。使用編程軟件MATLAB 中GUI 實(shí)現(xiàn)數(shù)值與圖形之間的轉(zhuǎn)換，濕度場(chǎng)在空間上的差別分布，通過(guò)構(gòu)造樣條函數(shù)與求解曲線擬合，插值結(jié)果的返回生成圖形圖像。

通過(guò)分析選擇典型代表截面4 主纜濕度場(chǎng)分布，如圖6 所示。圖6（a）—（e）為截面纜內(nèi)時(shí)程濕度變化云圖，對(duì)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)濕度分布在空間上呈現(xiàn)明顯區(qū)別，主要體現(xiàn)在主纜面上含濕量明顯下降，且整體來(lái)看主纜截面含濕量下降，越靠近送氣管道附近下降越快，含濕量越低。位于右側(cè)的輸氣管道密封性要優(yōu)于左側(cè)輸氣管道，含濕量相差15%RH。

圖6 濕度場(chǎng)分布

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到主纜內(nèi)部其中5 個(gè)截面溫度的日變化曲線，展示了溫濕度傳感器采集到的纜內(nèi)溫度變化曲線具有明顯的特征：初期最低濕度值為15.8%RH，最高濕度值為36%RH，最大相差值20%RH。在同一位置點(diǎn)，不同高度上，主纜外層的監(jiān)測(cè)濕度值要低于內(nèi)層主纜的濕度值，經(jīng)過(guò)一段除濕之后，主纜內(nèi)部的氣流下降速度明顯加快，內(nèi)層下降速度大于外層下降速度，整體趨勢(shì)下降，每日周期性波動(dòng)。含濕量在各截面上趨勢(shì)整體下降，且主纜內(nèi)層的含濕量下降速度要快于外層，送風(fēng)點(diǎn)的距離是影響除濕效果的重要因素，但個(gè)別截面氣流可能存在回流現(xiàn)象。

整個(gè)截面各點(diǎn)含濕量逐步下降，主纜內(nèi)部的流動(dòng)基本是均勻的，距離送風(fēng)點(diǎn)越近，除濕越快。

5 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)探究了主纜內(nèi)部送風(fēng)形式，從數(shù)據(jù)分析可得如下結(jié)論：

1）新的送風(fēng)方式主纜內(nèi)的氣流組織明顯優(yōu)于傳統(tǒng)送風(fēng)方式，內(nèi)部氣流基本均勻。

2）影響主纜氣流組織的因素包括與送氣點(diǎn)的距離、送風(fēng)量、送風(fēng)壓力。

3）通過(guò)監(jiān)測(cè)主纜內(nèi)的含濕量的變化可以有效推測(cè)主纜內(nèi)的氣流組織。

由于主纜內(nèi)部氣流屬于微孔流的一種形式，此研究方法也可用于其他領(lǐng)域的微孔流研究，對(duì)于含濕量的變化規(guī)律與流場(chǎng)規(guī)律的量化關(guān)系有待進(jìn)一步的研究。