编者按 从19世纪中叶起，当罗布林开启了悬索桥设计之门，其主缆防护就是由较柔的缠丝紧紧包裹在主缆外，中间垫层是密封膏，通常是含有红铅(Pb3O4)的亚麻籽油;外层再用油漆覆盖。有的桥却不同，如新港桥(美国罗德岛，1969年)和比德韦尔栏桥(美国加州奥路委，1965年)，采用了玻璃纤维增强的丙烯酸。威廉·普雷斯顿·兰恩纪念桥(切萨皮克2桥，美国马里兰州，1973年)则采用了氯丁橡胶带。
2007 年，新港桥的主缆首先进行内检，玻璃纤维增强的丙烯酸防护效果非常好，这与美国其他缠丝防护主缆的防护结果完全不同。认识到主缆上覆盖不透水层的优势后，很多美国悬索桥在缠丝保护层的外面增加了弹性覆盖层。现在，欧洲和日本有很多桥梁采用了除湿系统对主缆防护，干空气充满主缆与弹性覆盖层可以确保湿气不会进入主缆。
正确的主缆防护对任何悬索桥都很重要，因为：1. 极长的设计寿命( 超过120 年);2. 主缆更换困难，尤其很长的主缆，虽然近些年也有些更换主缆的案例(例如法国的唐卡维尔桥)，对于大跨度悬索桥的主缆长度和直径，其更换工作非常艰巨;3. 比较恶劣的环境;4. 高应力条件下的主缆钢丝。
图1 传统主缆防护系统
传统的主缆防护系统绝大多数桥梁仍然在用，罗布林为布鲁克林大桥设计的主缆防护系统，平行钢丝镀锌、涂抹密封膏、缠绕软镀锌钢丝、再进行油漆涂装，又称为四元系统。(如图1)
主缆防护的关键部位，在塔顶主索鞍及锚室内，这些部位的主缆钢丝裸露出来，只能靠表面镀锌层保护，在鞍室和锚室安装除湿设备成为常见措施，能够保证这两个关键区域内的主缆寿命。
图2 日本来岛海峡大桥的预制平行钢丝束架设 (PPWS)
在过去20 年中，美国深入检查了几座悬索桥的主缆，发现了不同程度的锈蚀，并促使在新建桥梁和修复桥梁中采用不同的主缆防护方案。类似的检查也在英格兰和苏格兰进行，通过这些主缆检查和测试获得的信息，对开发新型的主缆防护方法非常有用。
防水锌密封膏
图3
传统防护在过去几十年中普遍采用红铅膏密封，但是，由于铅基材料对健康和环境的危害，一家意大利公司专门开发了具有专利权的弹性富含锌的密封膏(Elettrometall8870)，应用在丹麦大贝尔特大桥(Storebelt East Bridge) 主缆上，并于1998 年完工。(如图3)其材料的基本成分在大坝防水方面的应用已超过20 年，但为适应主缆环境需求，把材料的混合配方进行了修改，同时保证其耐久性满足大贝尔特大桥设计要求。这种密封膏在采用前经过了业主的详细测试和严格审查，由一种湿固化的液态聚氨酯弹性体与锌粉混合，金属锌占重量的95%，确保对主缆的最佳阴极保护。密封膏凝固成弹性壳，充满了缠绕钢丝和主缆间的缝隙，防止水进入主缆。
这种密封膏被用于美国加州的新卡齐尼兹海峡大桥(New Carquinez Straits Bridge)，同时也在纽约的乔治华盛顿大桥(George Washington Bridge)、旧金山的金门大桥(Golden Gate Bridge) 上进行了试用。它的弹性性能在主缆的保护方面要比红铅膏优秀很多。
另一种最近发展起来的密封膏是由油脂基材料组成，混合了锌粉和氧化锌以及防腐剂。这种专有材料名为“Grikote-Z”， 是在美国主缆修复时开发出来的。在2000-2001 年，被应用于跨纽约哈德逊河的熊山大桥BearMountain Bridge 新建主缆上。2007 年夏主缆被打开时，发现密封膏非常好，仍是柔软并连续的，这个密封层起到了很好的防水作用。这种材料同时在旧金山新奥克兰海湾大桥的主缆缠丝中采用。
图4 Elettrometall在丹麦大贝尔特大桥(Storebelt East Bridge)上施工
缠丝
通常情况下，选用圆形缠丝缠包主缆。由于主缆在负载下的伸缩，有可能对缠丝外的涂料造成破坏，水就会通过缠丝间隙进入主缆，尤其是采用非柔性涂料系统时更加严重。
图5 S形缠丝细部构造
因此，日本开发出一种能提高密封性的新型S 形缠丝。其设计了一种互锁的截面(如图5)，缠丝间不留空隙，形成一个光滑的表面，有利于提高涂层的耐久性。S 形缠丝已经应用在白鸟大桥(Hakucyo bridge) 和1999 年竣工的来岛海峡大桥(Kurushima-Kaikyo bridge) 上。目前在世界其他地方应用不多，因为S 形缠丝需要特殊的安装设备，但美国旧金山的新奥克兰海湾大桥采用了此技术。
弹性缠包
最近几年，有几种新的缠绕材料被应用，有的是用来替代缠丝，有的是提高缠丝的防护等级。这些系统的开发主要是为了解决已有桥梁的主缆出现锈蚀迹象，必须进行改造。这其中表现较好的是氯丁橡胶缠带系统。
氯丁橡胶缠带系统可以防止大气中的水进入主缆，通过在缠丝或者主缆表面，刷涂一种常温的液体氯丁橡胶材料，然后用150mm 宽的未固化橡胶，以50% 叠压的方式，螺旋缠绕在外表面，形成一个“瓦”的效果，并防止水从螺旋接缝进入。索夹部位采用聚氨酯密封膏填缝。然后，用常温的“海帕龙”涂层涂抹在缠绕带外部。最后，主缆上部表面涂层上撒一些防滑砂砾，为检修和养护服务。
图6 氯丁橡胶缠带在威廉斯堡桥(Williamsburg Bridge)（上）和布鲁克林桥(Brooklyn Bridge) （下）上的应用
这一系统在缠丝外的补充缠包，于1992 年第一次应用在美国切萨皮克海湾大桥(Chesapeake Bay Bridge) 主缆修复上，1994 年也在纽约威廉斯堡桥(Williamsburg Bridge) 主缆修复上应用(如图6)。氯丁橡胶缠包系统也在日本的明石海峡大桥上采用了，作为主缆防护的一部分，明石大桥的主缆包括了主缆除湿系统。
图7 瑞典高海岸桥(HogaKusten Bridge)Cableguard缠包带加热固化
氯丁橡胶缠包系统，在已有缠丝的主缆上，能有效地防止水进入。另一种替代材料被用于美国密苏里州帕希尔桥(Paseo Bridge) 上材料与氯丁橡胶类似，名为EPDM (三元乙丙橡胶)，比氯丁橡胶便宜，施工方式完全相同(如图7)。
第三种材料正在兴起，与干空气注入配合，是一个专有系统( 见图7)，被称为Cableguard，由美国D.S.Brown公司销售。这一系统采用氯磺化聚乙烯复合材料，螺旋缠绕安装，并用特殊的加热毯进行加热固化，加热使材料收紧，并与自身熔接，形成非常可靠的防水罩。
弹性涂层
图8 Noxyde涂层被用于美国蒙哥马利市熊山大桥(Bear Mountain Bridge)主缆防护（上）和葡萄牙里斯本的塔霍河大桥(Tagus River Bridge)（下）
最近，包含高弹性的聚合物和固化橡胶涂层的水性丙烯酸涂料已被用于悬索桥主缆防护。因为它们具备高达200%的伸长率且不开裂或不剥落的能力，已经成功应用于一些有缠丝的老桥主缆涂层的维修上(熊山大桥、中哈德逊大桥、塔霍河大桥)，以及新建桥梁如卡齐尼兹海峡大桥(Carquinez Strait Bridge)。另外，这种涂层在其他领域的应用已经证明寿命很长，尤其是在耐高盐雾和化学锈蚀方面。涂层的其中一种成分是Noxyde，最初只在比利时生产，现在也在其他国家授权生产( 图8)。在日本，柔性含氟涂层也被应用。
干燥除湿系统
在明石海峡大桥选取高强钢丝的过程中进行了一次有关在役悬索桥主缆防护技术的综合研究。从1988 年开始，相继对几座本州——四国联络线上在役悬索桥主缆内部包含索夹部位进行了检测，检测结果表明一些主缆仅服役几年表面便出现了锈蚀现象。这次检测促使本州——四国联络桥管理局开始了对主缆锈蚀原因和修补方法的探究。通过研究美国悬索桥主缆锈蚀典型特征发现，传统主缆防护系统并不能完全阻止水分的入侵，其通过外包裹层间断部位进入主缆，或当周围气压改变时以水蒸气的形式进入主缆。含有水分的空气进入索股间的空隙部位，并在温度下降时凝结成液态水。研究试验表明：主缆索股表面持续保持潮湿，潮湿程度从上到下依次递减。一般而言，除了主缆索夹部位，无论外界温度如何，主缆内部的相对潮湿程度一直较高。研究还深入探寻了在役悬索桥镀锌钢丝锈蚀临界湿度，超过临界湿度，锌锈蚀、黑色金属锈蚀、密封膏损坏将伴随含有盐类空气的侵入而发生。当相对湿度低于60% 时，无论钢丝是否镀锌，或是否在含盐大气中，锈蚀都不会发生，将空气中的盐分移除也证明了这个结论。
在研究中，还对不同密封膏材料性能进行了对比测试，包含红铅膏、磷酸铝膏、铬酸锌膏以及聚合有机铅膏，但测试结果表明，没有一种密封膏可以对主缆进行足够的密封，特别是在湿热的环境中。值得注意的是，在日本的某些地区，夏季湿度会超过80%。
因此，明石海峡大桥最终采用了一种新的主缆防护体系，它包含氯丁橡胶缠包系统以及干燥除湿系统。为了确保系统的气密性和水密性，氯丁橡胶被用于剔除了密封膏的传统索股的缠包(氯丁橡胶缠包系统不再需要密封膏)。此外，索夹区域的气密性是系统的关键，应用含有橡胶和硅树脂的密封剂可以保证索夹区域的气密性。
在明石海峡大桥中，干燥空气每隔约140m 被注入主缆外围区域，注入气压则由密封材料的耐久性以及引入口和索夹处气压损失决定，材料耐久性和气压损失大小则通过主缆模型试验和现场实际测量决定。由于每套缆索体系配置都不同，所需注入气压应在桥梁设计过程中确定，并与制造商协商。主缆内部气压应小于3kPa，在每一进气口中，空气的进气率是1.26m3/min。直径为0.1-0.2μm的细滤器可以在空气进入主缆前筛除盐分粒子。出气口的空气相对湿度控制在40%。
图9 明石海峡大桥干燥除湿系统构造示意图
1.特种索夹 2.干燥空气入口 3.潮湿空气出口分布图
明石海峡大桥的空气注入系统于1997 年11 月29 日启用，第1 个月，空气注入气压是1kPa，之后增加至2kPa。1 个月之后，主缆内的相对湿度降低至10%;之后在10 年的不间断观察中，没有发现主缆锈蚀现象。在明石海峡大桥干燥除湿系统应用了10 年后，通过消除水分来防止锈蚀的方法得到了充分证明。系统并不需要在主缆内进行大体积的空气循环，只需要主缆具有足够的密封性以保证其内稳定的正气压，就可以防止其他外界空气进入，从而防止锈蚀的发生。随着时间的推移，良好的气密性须通过合适的日常维护得以保持。在索夹处，就像现有的主缆防护系统一样，已损坏或者老化的填缝需要及时修理或更换。在塔顶主索鞍及锚室内，注入空气将会泄漏，因此封闭是必须的，这些简单的结构则需要较少的维护。
系统在合理的运营和维护下，出现故障的机会将会很小。即使干燥除湿系统停止工作，在鼓风机照常运行的情况下，潮湿空气的进入对主缆也不会有太大的影响，这是由于湿度感应器和物理设备的常规检查，将会识别出这种情况并引起有关部门的注意。
干燥空气注入系统现已被安装在本州——四国联络线上所有悬索桥中，类似的系统也将被应用于挪威、丹麦和英国。一些美国桥梁业主也在考虑应用干燥空气注入系统的可能性。
图10 美国熊山大桥(Bear Mountain Bridge)检测的主缆楔形装置，2007年
美国的悬索桥超过100 座，其中大部分的桥龄都在40 年以上。经验告诉他们，悬索桥主缆在建成30 年内要进行一次深入的检测，越早越好。检测应建立在打开主缆包裹层并选用软木楔布置于索股间，以便对索股进行可视检测的基础之上(如图10)。如果条件许可，还应对索股进行采样用于实验室测试分析。
基于桥梁业主和顾问的经验，美国联邦公路管理局(FHWA)对主缆的这种特殊检测制定了相应的基本准则，其中包含剖开主缆以及放置楔形装置的基本方法描述。附加准则还包含了评估锈蚀主缆剩余强度的计算方法。
明石海峡大桥
主缆特殊检测的主要内容包括：
1. 主缆、索夹、吊索、索鞍、索套、索股以及锚固区相关部件的目视检测。
2. 基于目视检测结果，选择合适的区域剖开主缆进行深入检查，FHWA 有关桥梁断裂关键部位检测手册中，推荐每条主缆选择4 个区域进行剖开检查，这4 个区域通常位于主跨最低点、边跨最低点、主跨较高处某点以及另一主跨边跨较高处某点。值得注意的是，除了手册的指导意见外，还应考虑每座桥各自不同的特点。如某些悬索桥从索鞍到锚碇桥面板以下部位的边跨主缆较长，导致这些部位的主缆较为容易损坏，这些主缆位于行车道以下并且临近水面，从桥上产生的坠物很可能损伤主缆的包裹层，从而使得水侵入主缆。在这种情况下，虽然这些部位的主缆不易到达，但也应该在这些部位增加一个主缆检测区域。如果怀疑主索鞍处的缆索防护存在损伤，也应将其保护层打开。
根据以上检查结果，后续可能会增加主缆剖开检查区域，后续检查将根据桥龄和桥梁所处环境特点进行安排，桥龄可分为5 年、10 年、20 年和30 年4 个等级。
业主应在选择区域的多少和成本之间进行权衡。成本受检测通道难易程度、主缆缠包细节、区域长度和检测时间的影响。此外，当地环境也是选择区域多少的一个重要影响因素。在主缆技术状况较好的情况下，第一次开缆检查可以选择在较少的区域进行，之后每隔5 年增加检查区域的主缆检测方式。在美国，很多在役的悬索桥主缆检测都是选择的这种策略。
3. 业主应要求具备资质的承包商，在投标过程中阐明剖开现有主缆外壳以放置木楔进行检测过程中所需的工作平台、人员、工具、设备以及材料等相关配备情况，阐明切除索股、采用替代索股重新拼接以及重新紧缆和缠包的过程。如果主缆原本的缠包系统工作状况良好，在剖开区域应采用与原系统相同的材料再次进行缠包。如果主缆原本的缠包系统工作状况较差，应考虑为整个主缆更换更好的防护系统。
图11 典型索股锈蚀：阶段1到4 （从上到下）
4. 对索股测试进行相应的规定，并向具有资质的实验室征求意见。即使发现主缆的状况良好，也建议从索股中截取部分样本带回实验室检测其化学和物理特性。如果一些索股表现为锌锈蚀，而一些索股表现为不同程度的黑色金属锈蚀，每种不同锈蚀都应截取至少一段样品进行实验室检测。相较于将主缆外壳剖开而付出的代价，截取索股进行实验室检测的代价非常小，这种能够详细了解索股工作状态的机会不应被错过。
5. 监督主缆剖开以及放置木楔的过程，检测内部缆索，并对楔形槽内部状况进行记录和拍照。整个主缆截面的状况可以由不同扇形区域的状况外插求得。如果主缆状况不佳，所获得的数据将被用于计算主缆的剩余强度。
索股锈蚀等级可分为：
(1)无锈蚀(氧化锌斑点)
(2)存在白色锌锈蚀物(整个表面上)
(3)偶有黑色金属锈蚀(最高达30% 表面积)
(4)大面积黑色金属锈蚀(大于30% 表面积)
FHWA 采用了这种索股锈蚀等级的基本划分办法( 如图11)。括号中的附加说明项是由国家合作公路研究项目(NCHRP)制定的新准则中提出的。
6. 监督索股试验并出具结果报告。索股试验是根据不同性质将索股划分不同锈蚀等级的基础，也是在全寿命期内日后查看索股锈蚀变化情况的对比基础。如果需要，还应将试验数据用于计算主缆的残余强度。
7. 撰写包含以上所有检测内容的检测报告，对缆索状况进行评估，并给出相应养护建议。如果检测中发现了较为严重的病害，还应建立数值分析模型，进行主缆强度计算，在进一步调查的基础上给出修复或者监测的建议。
图12 纽约三区大桥(Triborough Bridge)主缆涂刷亚麻籽油进行防护
在美国，对于具有损伤的主缆，采用了全长加油防护并进行重新缠包的修复方式，这种方式需要在主缆下部搭建施工平台从而提供有效工作面，已有的主缆外壳被层层剔除，主缆嵌入木楔后涂油被压入木楔槽内，之后再用缠丝和密封膏将主缆重新进行缠包，有时还采用氯丁橡胶再次进行包裹( 如图12)。
很多在役桥梁都采用了声学监测技术探测主缆钢丝由于锈蚀或应力锈蚀而产生的开裂，通过声发射技术探寻结构变化的原理。但直到现在，基于以上原理的大型结构物的连续、自动化、远程监测技术在实用性和成本控制上还存在缺陷。1994 年，加拿大Pure Technologies 有限公司成功研发了一套包含低成本数据获取和计算的硬件系统，以及强大分析和数据管理的软件系统的连续声学监测系统Sound Print ，并成功应用于无粘结后张拉预应力结构的检测中。
图13 距钢丝断裂处5m的传感器识别时域和频谱图
连续自动监测以及低成本的集中式数据处理是本技术的核心。系统软件包含现场电脑的数据采集软件包和数据分析及报告生成软件包。数据采集软件又会被更合适的专用软件所代替。由于在很多早期项目中对钢丝断裂数据进行了积累，这些数据便可用于训练数据处理软件对钢丝断裂的“识别”功能(图13)。当某些事件拥有钢丝断裂的所有已知特征时，它们就会被归为“极为可能的钢丝断裂”事件;当拥有钢丝断裂的一些已知特征时，它们就会被归为“可能的钢丝断裂”，所以其他则被归为“非钢丝断裂”事件。通过计算钢丝断裂而产生的能量波穿越混凝土的时间，还可以获得钢丝断裂的具体位置。
尽管在90 年代初期，法国道路中心实验室也研发了一款类似的系统，并在诺曼底的Tancarville 悬索桥上得到了应用，但该系统不完善的信号处理技术，给系统区分缆索开裂和其他事件带来困难。
布朗克斯白石大桥
1997 年10 月，Sound Print 系统在纽约的布朗克斯白石大桥(Bronx Whitestone Bridge) 进行了系统测试，该桥主跨701m，于1939 年建成通车。该桥在主缆修复时安装上监测系统，主缆修复包括剔除主缆外壳、修复受损钢丝以及填涂防腐油等，其间可以通过切割钢丝来验证系统对钢丝开裂的识别和定位能力。
便携式采集系统安装在桥面板附近，系统测试便随修复工程施工进行。系统识别出了所有被切割的钢丝以及它们所在的位置，纵向误差约为0.0-0.7m，环向误差在7.5°范围内，钢丝间由于钢凿声而产生的声音轻易地被识别并被过滤了。
图14 锚室中的采集系统（左）缆索传感器（右）
数据分析显示，仅在索夹上安装一个传感器就能够很好地对断裂进行识别和定位。图13 是布朗克斯白石大桥在2000 年11 月的传感器布置形式，并且显示了一次断裂的位置是如何依据它与传感器间的距离被识别的。数据采集设备安装于锚室中，数据从传感器经由与主缆的同轴数据线传送至数据采集系统中。在硬件设备的设计中，还应尤其注意设备的耐久性、安装难易程度和维护等问题。传感器支架的设计是为了保证安装时不对索夹产生影响，以及不对涂层产生损坏(如图14)。
数据采集系统包含传统电话以及备份服务，数据通过因特网传递至处理中心进行分析和存储。数据还会经该中心传递至位于行政大楼的第二个数据处理中心，这有利于养护人员及时掌握数据。与主缆同轴的数据线显著增加了整个监测的造价，且当对主缆进行日常维护作业时，很容易对这些线缆产生损伤，因此无线传输系统被应用于数据采集系统中，传输所需能量可以来源于低电压供电或者传感器附件的太阳能电池板。
图15 马里兰州威廉·普雷斯顿·兰恩纪念桥(William Preston Lane Bridge)无线数据发送器（美国）
由于系统本身的敏感性，需要在现场就对采集数据进行过滤，从而减少传输数据量。滤波器的设计对于整个监测系统的成功至关重要，如果滤波器没能准确校准，就可能捕捉不到缆索的断裂信息。相反，如果滤波器滤波范围设置得太过宽泛，就会在数据传输过程中产生体量庞大的图14 锚室中的采集系统(左)缆索传感器(右)数据信息。自布朗克斯白石大桥后(如图15)，这套系统又被安装于纽约州的熊山桥(BearMountain Bridge)、缅因州的沃尔考克桥(Waldo Hancock Bridge)、法国的Ancenis桥、苏格兰的福斯公路桥(Forth Road Bridge)、英格兰与苏格兰间的塞文河大桥(Severn Bridge) 等，具有相似原理的一套监测系统也在宾夕法尼亚州费城的本杰明·富兰克林大桥(Benjamin Franklin Bridge) 中得到了应用。
纵览悬索桥主缆防护的发展历程，传统四元系统经历了增强防水密封膏、增强缠丝、增强弹性涂层之后，防护效果仍不能满足需求，一些新的元素加入到主缆防护系统中，如弹性缠包、干燥除湿、主缆监测以及主缆检测评估。这些新元素不仅有保护主缆的新技术，还有主动防腐的新理念，更有监测检测的智能化新方向，形成更加全面的主缆防护系统。现代的主缆防护系统正沿着多元化的趋势发展，而新的主缆防护技术涌现，必然在这些新的发展方向中。
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知识点：悬索桥主缆防护新技术
