“问诊”大桥主缆——海上自锚式悬索桥主缆开缆检测与评估

在跨越大江大河、高山峡谷等大跨径结构桥梁中，悬索桥是较为常见的结构形式，其主要由主缆、索塔、锚碇、吊索、加劲梁等结构组成，主缆是桥梁的主要受力构件，承担着结构自重、汽车活载、风荷载等荷载作用，在运营服役期内不可更换，主缆运营状况的好坏严重影响到大桥结构的安全性、耐久性和可靠性。

目前，国外已出现多起因主缆内部钢丝腐蚀影响桥梁主缆强度的案例，更有甚者出现主缆断裂桥梁垮塌的严重事故。由于国内悬索桥建设起步较晚，尚未出现严重事故，但国外的前车之鉴应引起足够的重视。根据美国2004年的国家公路研究计划报告《Guidelines for Inspection and Strength Evaluation of Suspension Bridge Parallel Wire Cables》（NCHRP 534）中31座桥的调研结果：主缆的性能出现退化大约在通车运营10年后，此后主缆钢丝腐蚀发展速度几乎是线性加快的，基于此调研结果，胶州湾大桥大沽河航道桥通车运营已满13周年，大桥主缆内部钢丝可能存在腐蚀退化问题，因此，为掌握主缆内部钢丝的真实服役状态，有必要进行主缆钢丝检查，为下一步的养护提供指导依据，确保桥梁的安全性、耐久性和可靠性。

青岛胶州湾大桥是我国北方冰冻海域首座特大型桥梁集群工程，桥梁全长31.63km，大桥东起李沧区李村河互通立交，上跨胶州湾，中间设红岛连接线和胶州连接线，西至黄岛区黄岛东枢纽立交，顺接青兰高速，2011年6月30日建成通车运营。胶州湾大桥既是青岛市区的城市主干道，也是山东省高速公路网的重要组成部分，大桥对进一步完善青岛市交通网络体系和促进经济社会发展具有重要意义。

胶州湾大桥主线设有沧口航道桥、红岛航道桥和大沽河航道桥三座航道桥，其中，大沽河航道桥为独塔自锚式悬索桥，该桥设有两根主缆，呈空间索面布置，塔顶处的主缆横桥向间距为2.5m，锚固端的主缆间距主跨侧为6.5m，边跨侧为7.8m。主缆平行钢丝为预制的高强镀锌平行钢丝，每根主缆包含61束索股，每束索股由127根平行钢丝组成，平行钢丝的直径为5.1mm，其抗拉设计强度不低于1670MPa。

图1 大沽河航道桥立面照

图2 主缆断面图

鉴于大沽河航道悬索桥通车运营至今已近13年，但尚未发现因主缆防腐涂层破裂等病害而引起的主缆渗露水情况，考虑到盲目的锲开主缆进行检查可能会导致以下两种问题的出现：①在役悬索桥二期恒载以后主缆索股钢丝均已趋于稳定受力状态；在非必要情况下，锲开主缆可能会影响主缆钢丝受力状态的变化。②在役悬索桥主缆通过施工时期的紧缆，后期荷载状态下的主缆钢丝蠕变效应，其钢丝间隙基本趋于较理想、相对密闭的状态，可有效阻止水汽的渗入；在非必要情况下，锲开主缆会破坏主缆钢丝间原有的防护体系，在高盐、高湿的海洋环境中，一旦水汽和盐离子渗入主缆内部，会造成主缆钢丝从外至内大范围、加速锈蚀。另外，相关研究表明：主缆钢丝腐蚀外层一般最为严重，然后沿径向由外向内腐蚀程度依次减轻。

因此，考虑到以上问题，本次检查首先对主缆表层钢丝进行检测，根据表层钢丝的腐蚀情况决定是否需要进一步深入的楔开主缆内部进行检查，当主缆表层钢丝存在缠丝松散、主缆内部滴水、严重锈蚀面积过大或断丝等劣化问题时，再进一步深入检测。如果钢丝没有劣化的迹象，则在开缆处增设监测观察窗，布置温湿度传感器，对主缆内部状况进行实时监测，为大沽河航道悬索桥后期养护维修提供依据。

图3 类似项目悬索桥主缆断面钢丝锈蚀状况分布示意图

主缆最低点位置往往是雨露水的集中区域，水汽渗透到主缆内部后难以蒸发散失，导致主缆内部局部区域的空气相对湿度高于其他相邻区域。高湿度环境和空气中氧气的耦合作用使得钢丝迅速腐蚀，钢丝表面镀锌层被消耗殆尽后腐蚀深入到钢丝本体。因此，考虑以上原因并结合文献中对开缆检测位置的要求，本次选取该桥位于主跨左侧主缆靠近散索套的一个节段进行开缆检测，如图4所示。

图4 大沽河航道桥主缆检查位置立面示意图

开缆位置确定后进行开缆检测，首先清除主缆外表面防腐涂装，由于开缆部位靠近锚固端，未发现钢丝表面缠丝防护，防腐涂装清除后，清理钢丝表面残留物，对裸露的主缆钢丝沿主缆轴向缠绕纤维标尺，为确保钢丝定位明确，利用标尺刻度线按照45°的夹角将主缆截面划分为8个扇形区域，逐个记录每个扇区范围内主缆钢丝的表面情况。

图5 裸露的主缆内部钢丝

针对悬索桥主缆钢丝腐蚀等级评定问题，对主缆镀锌钢丝的腐蚀特征描述和腐蚀阶段（等级）进行了详细分类，具体见表1。

经检测，主缆内部未见积水、滴漏水现象，主缆表层钢丝状况整体良好，第二层个别钢丝存在钢丝锈蚀问题，钢丝锈蚀主要体现为钢丝表面存在棕褐色锈斑以及镀锌层白色氧化物，未见锈蚀坑洞和锈蚀缩颈病害，且钢丝锈蚀多为单根钢丝锈蚀，未见片区区域锈蚀。检测病害情况见表2，分布情况见图6。

图6 主缆钢丝腐蚀分布情况

通过对外层钢丝进行检测，钢丝整体状况良好，未见钢丝严重劣化病害，为保持主缆内部环境及稳定的受力状态，故不再楔开主缆进行内部钢丝的检查。此外，为了能够掌握钢丝服役环境状况，在开缆部位安装观察窗，布设温湿度监测系统，实时监测主缆内部温湿度情况。

图7 安装观察窗后的主缆

经检测，主缆外层钢丝整体状况良好，个别钢丝存在棕褐色锈斑和镀锌层白色氧化物，且发生锈蚀的钢丝多为单根钢丝锈蚀，未发展成片状区域锈蚀，不排除为施工期间发生的锈蚀。此外，为进一步掌握主缆钢丝服役环境状况，在开缆部位安装观察窗布设温湿度监测系统，实时监测主缆内部环境变化，当内部湿度持续过大，钢丝锈蚀发展速度加快时，可以通过设置主缆除湿系统来降低湿度，延缓主缆钢丝锈蚀。