工程案例是基于已经实施了加装主缆除湿的英国的4座悬索桥,分别为赛文桥(Severn Bridge),福斯桥(Forth Road Bridge),塔玛桥(Tamar Bridge),亨伯桥(Humber Bridge),以及美国的1座悬索桥切萨皮克湾大桥(Chesapeake Bay Bridges)。
上述传统主缆防腐体系,由于主缆缠丝表面涂刷的油漆比较薄,且脆性较大,桥梁在日常运行时,主缆缠丝的伸缩运动也可能导致漆膜发生破裂。因此,虽然上述桥梁进行了很好的日常刷漆保养工作,主缆表面的状态看起来也非常的好,但在检查时依然发现主缆内部有进水迹象,为了确认主缆内部钢丝的状况,上述桥梁均进行了主缆内部钢丝的开缆检查。
上述开缆工作依照《悬索桥平行钢丝主缆检查及强度评估指南》(NCHRP 534)相关指引进行,检测的内容主要包括:按照特定的规律从不同方向楔开主缆;对斜口位置主缆内部的钢丝进行锈蚀等级识别(锈蚀等级分为1-4级)并统计各个锈蚀等级钢丝的数量;对不同锈蚀等级的主缆钢丝进行取样,测试其力学强度;根据取样测试的结果进行统计分析,评估主缆剩余力学强度和安全系数。
以英国福斯桥为例,大桥管理单位分别于2004,2008以及2012对其进行了主缆内部钢丝的开缆检查工作,检查中发现主缆表面,主缆内部均有严重的锈蚀现象,更为严重的是,主缆内部还出现了大量的断丝现象。
研究表明,主缆内部平行钢丝并非一下子就会出现断丝现象,而是有一个发展过程规律:钢丝在腐蚀环境中,会慢慢由1级锈蚀发展到4级锈蚀,最后出现断丝。
钢丝退化机理研究:
主缆平行钢丝的合金配方和冷拉工艺使得钢丝获得更高的强度,但同时也使得材料变得更脆,高强钢丝在应力状态下容易发生脆性断裂。而锌,铁等金属在潮湿水汽环境下可能会因为电化学腐蚀产生氢气分子,氢气分子会引发金属材料的裂纹扩展,导致金属材料发生脆性断裂,俗称“氢脆”。因此,永久性改变主缆平行钢丝周围的环境,防止主缆内部平行钢丝发生电化学腐蚀,避免氢脆的发生是保护主缆保护的关键策略。
最早使用主缆除湿系统是日本明石海峡大桥,随后在世界各国的桥梁主缆防腐中迅速得到借鉴和发展,其原理是:当钢材的环境相对湿度低于60%时,其腐蚀速度将变得相当缓慢,甚至可视为不在发生腐蚀。主缆除湿系统的优点包括:
1、通过注入干燥空气,去除主缆内部的水分从而达到保护主缆的目的;
2、不会对主缆造成额外的伤害;
3、可以通过除湿系统自动化控制界面检测主缆内部的除湿效果。
主缆除湿的设计通常包含干空气制备站、送气管,进气夹,排气夹等部分,干空气进入到主缆内部后,会沿着主缆内部钢丝间的间隙流动,带走内部的水汽,最后从排气夹排出。
在加装主缆除湿系统前,通常需要先对主缆进行二次防腐涂装,加强主缆的气密性和耐压性能。主流的主缆二次防腐方案为在主缆表面缠包耐久性优良的主缆缠包带,免去频繁的主缆维护保养工作,缠包带按不小于50%层叠率进行缠包,缠包后通过加热毯对其进行加热,使得其形成良好层间粘接,确保主缆防腐体系的密封性。
进一步,为了保证主缆索夹环缝,直缝位置的密封,需要使用楔形橡胶条+密封胶的组合方式对其进行加强密封(根据笔者经验,其实楔形橡胶条+密封胶的密封效果并不好)。此外,除了索夹环缝,直缝位置,索夹高强螺栓部位也是主缆气密性失效的薄弱环节,同样需要增强密封。
主缆除湿系统进气夹和排气夹的布置形式,密封效果以及布置距离均影响主缆除湿系统的效果,需要针对不同桥梁项目主缆的特点,进行科学的分析和设计。
针对老旧桥梁,在没有猫道的情况下,需要借助特殊的施工平台来实施主缆二次防腐及加装主缆除湿系统的工作。根据桥梁规模以及桥梁所在地的气候特点选择合适的施工平台。欧洲主要采用爬车或者吊篮的形式。
美国主缆采用架设临时的施工猫道来满足加装主缆除湿的施工需求。
必要时,还需要借助通勤的船只以及沿着桥墩布置的爬梯以进入到桥址施工位置。
干空气制备站通常设置在桥面或者桁架梁下层位置,是一个永久性的房间,内部设置了转轮除湿机,高压风机,配电柜,控制系统等除湿系统关键设备。福斯桥的干空气制备站安装在桥面位置。
切萨皮克湾大桥的干空气制备站则安装在锚碇顶部位置。
主缆除湿系统的监控和控制系统需要能够对整个主缆除湿系统的各个关键节点设备的工作状态进行实时监控。
主缆除湿系统通过对进排气夹的温湿度数据的采集、记录和分析,从而达到评估桥梁主缆内部干燥程度的目的。通常主缆除湿系统运行6个月内,各个节点将达到相对湿度小于40%的目标值。
为了加快主缆内部湿度达标的进场,主缆除湿系统开始运作的早期需要对跨中最低点位置的排气夹进行人工排水,同时定期对主缆除湿系统进排气夹数据采集箱进行检查。
此外,与主缆除湿系统配套的一些附属监控系统可以辅助判断主缆除湿系统的防腐效果,比如可以在索夹部位安装声发射传感器,检测主缆内部的断丝情况。
从以下图表显示的数据可知,当主缆内部湿度达标后,系统检测到的主缆内部断丝情况明显得到了控制,说明主缆除湿系统确实有效保护了主缆内部平行钢丝。另外,当主缆湿度达标后,可以提高送气的相对湿度,从而达到降低能耗的目的。
福斯桥加装主缆除湿的案例在行业学术界发表了系列的研究成果。
基于上述结论,可以得出以下几点:
1.现有悬索桥主缆的腐蚀问题:尽管进行了良好的维护,但现有悬索桥的主缆仍被发现存在严重的腐蚀和断丝现象。
2.传统电缆保护系统的不足:仅依赖传统的电缆保护系统(如涂膏、包覆线和油漆)并没有为电缆提供足够的防腐保护。
3.水在腐蚀过程中的作用:水显然是导致电缆劣化的主要因素。
4.电缆除湿的成功应用:电缆除湿系统已成功应用于降低电缆内的相对湿度(RH),并抑制了钢丝的劣化速度。
5.除湿系统的维护与操作:如果在设计阶段和长期维护中适当考虑,除湿系统的维护与操作是相对简单的。长期的有效性能和能源使用是关键考虑因素。
6.声学监测系统和内部电缆检查被用于监测未来(降低后的)劣化率。这有助于进行及时的维护和修复。
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