大跨悬索桥主缆防腐及内部温湿度变化机理研究综述

阙家奇，曹素功，范厚彬

(1.浙江省交通投资集团有限公司，浙江 杭州，310014；2.浙江省交通运输科学研究院，浙江 杭州，311305；3.浙江舟山跨海大桥有限公司，浙江 舟山，315040)



大跨悬索桥主缆防腐及内部温湿度变化机理研究综述

阙家奇1，曹素功2*，范厚彬3

(1.浙江省交通投资集团有限公司，浙江 杭州，310014；2.浙江省交通运输科学研究院，浙江 杭州，311305；3.浙江舟山跨海大桥有限公司，浙江 舟山，315040)

大跨悬索桥的主缆长期处于潮湿易腐蚀的海洋环境中及其容易生锈，以致发生断裂而影响大桥的安全性能.从桥梁主缆钢丝及锚固区的防腐措施与其腐蚀现状、主缆内部温湿度分布情况及其变化机理等方面详细阐述了国内外学者进行的一系列调查与研究.同时总结了当前研究中存在的一些主要问题，明确了今后的主要研究方向，可为延长大跨径悬索桥的使用寿命等提供理论支持和实际指导.

大跨悬索桥；主缆；防腐；温湿度；变化机理；综述

随着改革开放的迅速发展尤其是近20年的发展，我国桥梁建设取得了世人瞩目的成就.像西堠门大桥这样的一批结构新颖、技术难度高的大跨径悬索桥相继建成[1].与此同时，随着桥梁跨度的进一步增大，许多问题也随之而来，其中以安全性问题尤为突出.主缆是悬索桥的主要受力结构，并且由于主缆无法进行更换，因此主缆的寿命决定了悬索桥的使用寿命，是悬索桥的“生命线”[2].

主缆面临的主要威胁是腐蚀，当主缆钢丝长期处于潮湿易腐蚀的环境中，很可能生锈断裂而影响大桥的安全.传统的防护方式是在主缆钢丝进行紧缆处理后，首先沿主缆连续缠绕一层钢丝，形成第一道防护；然后在钢丝外再缠聚乙烯带或橡胶防腐带，形成第二道防护；最后用特殊涂料安装在聚乙烯带或橡胶防腐带外，形成第三道防护[3].此类主缆涂装体系虽然能起到一定的水密性和气密性作用，但是国内外通过对主缆进行检测后发现主缆钢丝依旧受到了不同程度的腐蚀.经过调查发现主缆钢丝腐蚀的原因，主要是在漫长的主缆架设时期附着在主缆上的水分不能排出，以及运营期内渗透进主缆的水分被密封在主缆内，导致在主缆内部形成了钢丝的腐蚀条件，造成钢丝腐蚀.此外，主缆系统锚固区(锚室)内部散索股部分一般只采用：涂覆磷化底漆+涂覆环氧底漆+涂覆聚氨酯面漆的体系，而这种体系也无法满足主缆系统防腐要求.这是由于主缆系统散索股一直存在着应力腐蚀的危害，而应力腐蚀又可以在环境相对湿度很低的情况下发生.另外，锚室内的空气不流通，一定时间段后，主缆钢丝表面就会有锌盐的出现，将缩短镀锌的防腐蚀寿命.因此，涂层对主缆系统的散索股起不到密封作用，只能保护涂料涂覆到的表面，而没有被涂料涂覆到的表面将遭受腐蚀.

悬索桥的养护特别是悬索桥主缆的养护及其耐久性是决定桥梁服务时间能否达到设计使用年限的关键，并且是安全运营的重要因素，而目前检查主缆腐蚀的主要手段主要为目视巡检(有损伤)和电磁检测(无损).针对内部的温湿度变化以及其演变规律还缺乏有效的检查手段.

1　主缆及锚固区防腐措施与其腐蚀现状

1989年日本对建成6年的因岛大桥主缆钢丝进行检查，发现主缆底部存有积水，主缆内部湿度较大，主缆的侧面和下部都可以看到明显的腐蚀，并且发现钢丝的锌皮已经耗尽，并有一定的锈蚀，侧面的锈蚀比底部严重[4].1990年日本对建成使用5年的大鸣门桥主缆钢丝进行检查，也发现了相似的情况.

1996年美国对纽约地区的桥梁主缆进行了详细的开放性检测，对美国纽约市市区内的悬索桥主缆进行检测发现：由于腐蚀，纽约市内的悬索桥主缆都存在一定的强度损失问题，其中Williamsburg桥强度损失最大，约为35%[5].Bear Mountain桥主缆外层钢丝的腐蚀相当严重，但是主缆内部的钢丝锈蚀较轻[6]，如图1所示.

(a)主缆钢丝腐蚀

(b)紧缆钢丝腐蚀

悬索桥主缆的防护系统是一般是在主缆的表面敷涂一层防护腻子(如红丹或锌粉膏)，外面用圆形的镀锌软钢丝缠包，再在缠绕钢丝的外表面进行防腐涂装[7].在这种相对传统的悬索桥主缆防护体系当中，实际上是通过对悬索桥的主缆外层进行密封包裹来防止水分侵入主缆的内部以达到防腐蚀目的.20世纪建成通车的绝大多数悬索桥普遍都是采用的这种防护体系.

悬索桥主缆表层的防护腻子对防腐起到决定性的作用，因其有柔韧性好、不易脆裂、延展性好、收缩变形小等特性.常见的腻子有两种，一种为不干性油，另一种如聚氨酯腻子[8].等主缆上完成紧缆和索夹安装后，便开始在钢丝表面涂抹腻子隔离外部水汽.红丹腻子在土耳其的博斯甫罗桥、英国恒伯尔大桥和我国香港的青马大桥等中应用，但是环境与健康问题比较突出.铝片腻子的主要不足是不能有效填满缠丝缝隙.锌粉腻子用亚麻油作为调和剂，需要8小时以上的干燥固化时间，其高纯度的金属锌粉可对裸露的钢丝产生阴极保护作用[9，10].主缆的涂装是在腻子缠丝后进行的.在缠丝上涂装的底层涂层应具有较强的附着力，并有良好的防腐性能[11].悬索桥主缆的防护施工对气候和环境要求很高，特别是腻子和油漆的施工.起雾、结霜、下雨、飘雪及主缆上结露而潮湿或者涂料在最初的干燥阶段发生结露的时候均不能施工[12].

近年来，国内外的一些学者对悬索桥主缆防护系统进行调查研究.结果表明，防护腻子的防护效果并不理想.比如日本学者在对獭户大桥的主缆缠丝的开缆检查中发现，运营才10年的主缆表面己经产生了较为严重的锈蚀，锈蚀发生在主缆表面与缠绕钢丝接触的部位和部分索股的内层，主要分布在主缆侧面和底部[13].再如1988年日本对本州和四国之间的联络线上的悬索桥主缆腐蚀情况进行了调查，调查结果显示以往所采用的防腐方法不完善.后来经相关部门反复论证，研发出一种全新的主缆防腐系统——干燥空气注入系统[14].

作为主跨世界第一的悬索桥——明石海峡大桥，最早采用了主缆除湿系统.系统对主缆表层防护的水密性和气密性要求较高.一旦主缆密封不好会使得除湿效果降低；泄漏点很多或泄漏量很大，主缆内的干燥空气可能无法贯穿整个缆索，从而失去除湿作用[15].后来采用圆形缠绕钢丝，外绕包橡胶带的方法和S型截面缠绕钢丝的方法来增加主缆缠丝的密封性能[16].

目前大多数悬索桥采用的防腐方法有漆线包裹法和合成覆盖层法[17].19世纪40年代约翰、罗伯灵提出了漆线包裹法，这种方法的理念是尽量阻止湿气的渗入[18].美国的很多悬索桥都使用了红色铅漆作为防腐层，不幸的是大部分都出现了因为铅漆损坏致使钢丝锈蚀的迹象[19].20世纪60年代早期，钢铁工厂和工程师们在实践中提出了合成覆盖层法[20].曾有两种较为普遍的合成覆盖层法替代漆线包裹法.一种方法是以弹性氯丁橡胶作覆盖物的方法，另外一种是以丙烯酸树脂作涂层的方法[21].但是由于施工复杂，劳动力消耗大，很少应用于悬索桥建设[22].

国内外普遍选用柔软型底漆和中间漆作为主缆防腐材料，因其更能适应悬索桥主缆的变形；选用氟碳系列涂料作为面漆，因其具有良好的耐候性且能提高涂装系统的抗老化性能；选用硅系密封材作为嵌缝材料，因其具有弹性高、抗老化能力强的特点，使得主缆除湿系统更趋完善[23].

2　主缆及锚固区内部湿度变化机理研究现状

关于悬索桥主缆及锚固区内部温湿度分布情况及其变化机理方面国内外学者进行了一系列的研究.

Keita Suzumura对主缆的内部环境进行模拟试验，研究主缆内部相对湿度和温度在一天内的变化规律，并模拟四种可能的镀锌钢丝腐蚀环境进行加速腐蚀试验.研究结果表明，无氯盐侵蚀且相对湿度低于60%时，寿命可达到211年；相对湿度低于100%时，寿命为34年；完全潮湿状态下，寿命不到10年.如果氯离子浓度较高，即使相对湿度低于60%，钢丝也会很快腐蚀[24].

苏达根等对海印大桥主缆腐蚀在主缆纵向的分布特点进行了深入研究，发现镀锌钢丝腐蚀程度由两端向内部逐步增加，且与主缆密封情况有明显的对应关系[25,26].

法国学者Darcy于1856提出Darcy定律，首次描述了多孔介质内单相流体压降与流速之间的关系[27].Darcy定律公式如下：

Carman[28]认为：多孔介质中单相流的压降是粘性力与惯性力两部分组成的，在低雷诺数下可忽略惯性力的作用，但是在高雷诺数下惯性力的作用不能忽略.

贾代勇等[29]等对干燥空气在悬索桥主缆内的流动阻力进行了理论分析，并搭建了实验台进行了试验研究，通过试验得到了沿程阻力系数的计算公式和局部阻力系数的实验值.

周晓君和郭庆斌[30]引入了体积平均方法以及体均原理对多孔介质内流体流动进行了研究，根据Darcy阻力经验公式以及Forch-heimer修正，获得了多孔介质内流体流动的Brinkman-Forch-heimer广义Darcy定律，并提出了牛顿流体在充满多孔介质通道内的结构流概念，通过对边界层进行动量积分计算证明了流核的存在，并得到了流核流速与流核半径的计算结果.

张震等[31]采用Brinkman-Darcy- Forchheime模型，利用数值模拟的方法对各向同性、饱和均匀多孔介质通道内单相流体绝热流动的阻力特性进行了研究.研究结果表明：目前的模型能够较好地预测多孔介质通道内单相流体的压降.但是，损失系数对流动阻力的影响比较大；高雷诺数下应该考虑雷诺数对损失系数产生的影响.

刘学强等[32]对雷诺数下多孔介质内单相流阻力进行了研究.利用空隙有效雷诺数(Re)对惯性项系数进行了修正，获得了多孔介质中单相流阻力的关系式，并分析了影响多孔介质内单相流阻力的因素.

张加晚[33]通过研究发现主缆横截面内的热量是通过相邻钢丝的接触面、钢丝间空隙中的空气来传导的.从宏观上看，主缆横截面内的热量传导，可以认为是平面热传导问题.

式中：T—t时刻点(x,y)处的温度；—为热扩散系数.

Ergun将主缆内空气低速流动等价为空气在多孔介质中的流动，采用Hagen-Poseuille公式与平均水力半径阻力模型对主缆内空气流动沿程阻力进行了理论分析，推导出了主缆内空气层流流动沿程阻力的计算公式[34].基于毛细血管束模型，将主缆内不规则的流通通道处理为圆形流通通道，利用Hagen-Poseuille公式也推导出了主缆内空气层流流动沿程阻力的计算公式.两种推导方法所得的结果一致，为干燥空气在主缆内的层流流动阻力的试验和模拟研究提供了理论依据.

钱友荣等[35]根据多孔介质的简化数学模型，运用FLUNET软件对二分之一主缆模型和四分之一主缆模型内的空气流动阻力开展了数值模拟研究工作，结果表明不同直径下主缆内的空气层流流动阻力，数值研究、试验和半经验公式三者的计算结果基本一致.为了进一步验证半经验公式的准确性，现场测试了泰州大桥主缆内空气层流流动阻力，结果表明试验段主缆沿程阻力值和半经验公式的计算结果基本一致.

3　存在的主要问题

从上面论述中可以看出，关于主缆内部温湿度空间分布及其变化机理的研究在主缆内部温湿度日变化规律、镀锌钢丝腐蚀环境、腐蚀沿索长分布规律、多孔介质单相流、空气流动沿程阻力、温度沿索长分布规律、主缆横截面内的热量传导等方面取得一定成果，但还不足以得到一个对主缆及锚固区内部温湿度变化机理的全面而清晰的认识.为此，研究者们还需解决如下问题：

(1)通过数值方法得到水在主缆横截面和纵向的流动规律和分布情况.由于水在主缆中的流动复杂且带有很大的随机性，在现场试验和室内试验中，对数据进行全面观测和采集颇有难度.而且现场或室内试验试验周期长，需要消耗大量的人力物力，因此有必要引入数值模拟.

(2)开展对温湿度耦合作用的研究.主缆内部的湿度变化和分布在很大程度上受到温度场的影响，同时也反过来影响温度的分布.主缆中的液态水受热汽化成水蒸气，水蒸气以气体的形式在主缆孔隙中流动，然后遇冷凝结，释放热量.在一天中的光照变化会导致主缆内部温度变化不均匀，而一年中气温和湿度的变化也会影响到主缆内部的温湿度变化.

(3)明确非饱和多孔介质渗流与主缆孔隙渗流的联系与区别.目前缺乏对利用多孔介质渗流模拟主缆渗流的可行性研究.主缆构造与一般所谓多孔介质不同，它的孔隙是在横截面上均匀分布的沿纵向的细长通道，而从纵剖面上看，这些通道之间也有细缝相连通.一个适合于主缆的合理的多孔介质模型需要更大量的研究.

(4)将数值模拟试验结果同现场或室内试验结果进行对比.数值模拟试验可以采用现场或室内试验得到的参数，如阻力系数等.同时将两者结果进行对比也可以验证并提高数学模型和数值模拟方法的准确性.

(5)开展锚固区内部温湿度变化的研究.锚固区主缆的腐蚀将导致主缆系统防腐失效，直接影响桥梁营运安全.锚固区主缆受到腐蚀的桥梁，其主缆系统锚室内的散索股部分虽然安装有除湿系统，但对于主缆系统防腐蚀仍然是很不理想的.

4　结论

本文在论述温湿度变化机理对于主缆防腐重要性的基础上，详细分析了国内外学者对主缆内部温湿度变化机理方面的相关研究成果，总结了当前研究中存在的主要问题，如：对主缆及锚固区内部温湿度变化机理的研究应引入数值模拟试验、结合温湿度耦合作用研究温湿度变化机理等，明确了今后的主要研究方向.主缆及锚固区内部温湿度变化机理研究的主要目的是为更好地维护桥梁的正常运行、科学地进行大跨径悬索桥主缆养护，为延长大跨径悬索桥的使用寿命等提供理论支持和实际指导.但是目前仍有许多研究理论尚不够成熟，需要专家学者们或工程技术人员进一步开展研究.

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(责任编校：晴川)

Review of Corrosion and Temperature and Humidity Change Mechanism of Large Span Suspension Bridge Main Cable

QUE Jiaqi1，CAO Sugong2*，FAN Houbin3

(1. Zhejiang Communications Investment Group Co., Ltd., Hangzhou Zhejiang 310014, China；2. Zhejiang Scientific Research Institute of Transport, Hangzhou Zhejiang 311305, China；3. Zhejiang Zhoushan Crossing Bridge Co., Ltd., Zhoushan Zhejiang 316031,China)

When the main cable of the suspension bridge is in a humid and easy corrosion environment for a long time, it is likely to be broken and influence the safety of the bridge. The corrosion of main cable steel wire and the measures to prevent corrosion status in the anchorage zone, the distribution and variation mechanism of temperature and humidity of main cable are described in detail with the research of domestic and foreign scholars in this paper. The main problems existing in current research are summarized and the main research direction in the future is defined, at the same time. Also, it can provide theoretical support and practical guidance for prolonging the service life of long span suspension bridges.

long span suspension bridge; main cable; corrosion; temperature and humidity; mechanism; review

2016-08-12

浙江省交通运输厅科技项目(批准号:2014H20)；浙江省自然科学基金(批准号：Q14E080002)资助项目；浙江省科学技术厅科技项目(批准号：2015F50026).

阙家奇(1979— )，男，浙江建德人，浙江省交通投资集团有限公司高级工程师.研究方向：公路工程建设与养护管理.

U443.38

A

1008-4681(2016)05-0017-05