守护缆索桥梁的“生命线”(一)| 桥梁缆索防护体系的突出问题
来源:中国公路 作者:管理员
发布时间:2022-03-25
缆索承重桥梁的索体结构及其锚固系统面临的问题多为建设阶段留存的问题,主要可通过运营阶段的有效防护来解决。而缆索防护系统作为保护缆索体系安全耐久使用的最后、最重要环节,主要面临全生命周期火灾威胁和密封防腐结构过早失效两大突出问题,必须采取可靠有效的技术措施,未雨绸缪。
桥梁建设期缆索体系遗留的质量问题
缆索体系在悬索桥、斜拉桥和拱桥中所发挥的作用和具体锚固形式等各不相同,基于这种差异,可将承重缆索分为主缆、拉索、吊索三类。主缆是悬索桥的主要承重构件,通过鞍座支承与锚固系统将荷载传至桥塔和锚碇;拉索是斜拉桥的主要传力构件,两端通过锚固系统分别锚固于桥塔与主梁,将荷载传至桥塔;吊索是悬索桥、拱桥的主要传力构件,通过缆索索夹或锚固联结桥梁承重构件与主梁,将荷载传至悬索桥主缆或拱桥拱肋。
主缆
拉索
吊索
▲承重缆索桥梁缆索类型
对于现代缆索承重桥梁,缆索索体结构多采用平行钢丝索股形式,作为组成缆索结构的最基本单位,平行钢丝从20世90年代虎门大桥采用的强度1600兆帕的进口盘条,经历不同阶段强度的1670兆帕、1770兆帕、1860兆帕、1960兆帕、2060兆帕盘条,到在建江苏南京仙新路大桥采用的强度2100兆帕的国产盘条,发展迅速,种类多样。
缆索盘条强度越高,钢丝碳含量越高,对于钢丝的防腐保护要求就越高,因此,盘条钢丝表面防腐处理从当今世界应用最广泛的热浸镀锌保护过渡到锌铝合金镀层保护,再到最新一代锌铝镁合金镀层保护。试验表明,钢丝锌铝镁合金镀层耐腐蚀性能是纯锌镀层的近5倍、是锌铝合金镀层的2倍。
需要指出的是,钢丝盘条及其镀层保护均涉及桥梁生命线耐久安全,悬索桥主缆更是不可更换的核心构件,因此,从研究到使用需要经过足够时长的可靠性试验验证。
另外,悬索桥锚碇锚固系统主要经历了钢框架锚固系统、灌浆黏结式预应力锚固系统及灌油无黏结式预应力锚固系统等多个发展阶段,吊索的锚固方式和材料同样经历不同发展阶段,各类型的锚碇锚固系统和锚固方式等都有其优缺点,它们在耐久性、锚固可靠性、施工和维护便利性等方面都各自存在一定缺陷与尚待解决的问题。
桥梁建造过程中,一些桥梁在缆索架设施工时,由于制造工艺和施工管理不到位,会造成部分缆索钢丝保护镀层的脱落或损伤,这也是造成缆索钢丝早期锈蚀的重要原因,这些因设计和施工过程造成的质量缺陷将伴随桥梁的全生命周期。
大量事实证明,在缆索承重桥梁发展过程中,作为桥梁“生命线”的承重缆索及其锚固系统在设计、制造、安装等环节存在不同程度的问题。这些问题均涉及缆索长期使用安全,因此需要从工程使用安全和全寿命要求等方面进行系统、慎重的考虑,再确定要采用哪种建造材料和施工工法。对于在役运营的桥梁,这些从建设阶段留下的问题主要集中由缆索防护系统来解决。
然而,缆索防护系统作为保护缆索系统安全使用的最后环节,在运营使用过程中还需要面临火灾威胁及结构过早失效等问题。
缆索全生命周期面临的火灾威胁
桥梁缆索体系全生命周期均受到火灾威胁,调研发现,绝大部分的缆索桥梁在建造或运营过程中都发生过火灾,尽管这些火灾没有造成桥梁垮塌等严重事故,但却给桥梁管理者敲响了警钟。例如,2021年上半年,位于珠江主航道的黄埔大桥和南沙大桥多次启动应急响应,超过一半是通行于桥梁上的车辆发生交通事故、车辆自燃事故、敏感区域火灾等所致。
▲黄埔大桥上危化品运输车辆和缆索区域货车自燃
研究表明,引起桥梁火灾事故的原因多种多样,包括桥上通行车辆引起的火灾、电路电器和雷电地震引发的火灾、桥下交通事故和易燃易爆炸物体引发燃爆、施工用电用火引起的火灾、人为燃烧破坏与爆炸破坏引发的火灾等。
▲景观灯引起斜拉索着火
通过对典型桥梁火灾事故分析发现,首先,桥梁火灾事故起火原因复杂多样,在各类起火原因中,车致火灾的概率高、频次多、火场温度高,发生时间和位置随机性大、影响面广、破坏强度大,需要特别关注并采取切实有效的措施予以解决。
▲交通事故引起斜缆索、吊索受损
其次,相关行业规范标准对缆索防护系统没有防火和耐高温指标要求,而火灾对于桥梁中各类钢构件的影响作用显著,火灾中各类钢构件升温迅速,力学性能也会显著下降,进而严重影响桥梁安全性能。
▲施工起火导致缆索断裂和桥面扭转
最后,在规范和实际建设中,行业内对承重钢结构缺乏专门抗火设计,而按照传统的桥梁消防设计、配套设施配备和消防救援模式,救援人员难以迅速到达火灾现场实施救援,造成火灾影响扩散,在被动的消防与救援模式下,即使反应及时,也可能会造成桥梁结构的损伤甚至损毁。
缆索密封防护结构过早失效
因防护材料、缆索施工和使用环境等问题,极易造成缆索密封防护结构过早开裂、防腐失效,从而导致缆索钢丝过早锈蚀、拉索吊索断裂、甚至造成垮桥的情况。调研发现,我国在役桥梁主缆在建成初期便会出现防护结构开裂情况,从在役桥梁缆索体系的防护水平和实际应用情况看,难以确保桥梁缆索使用寿命达到设计或预期要求。
▲主缆防护结构开裂
▲缆索防护结构开裂和腐蚀情况
在我国,虽然依据设计技术标准实施缆索密封防腐的做法,已广泛应用于各类工程中且工艺较为成熟,但在役桥梁运营情况显示,缆索防护结构密封有效性的问题突出,个别桥梁的缆索密封防护问题相当严峻
我国悬索桥的建设现状
随着技术进步和新装备、新材料的发展,“一桥飞架南北、天堑变通途”的景象在神州大地上随处可见,长江、黄河、珠江等大江大河正被一座座大跨度桥梁跨越。据统计,截至目前,我国已建成公路桥梁超过91万座,其中,特大桥梁超过6400座,跨度大于400米的缆索桥梁超过450座。从1995年第一座现代悬索桥汕头海湾大桥建成,到跨度2300米的张靖皋长江公路大桥建设,不到30年,我国创造了超过60%的各类型桥梁跨度的世界纪录。
任何时候,大跨缆索承重桥梁的建造安全和使用安全都是涉及重大公共安全的世界性问题。20多年来,我国投入巨大资源聚焦大跨桥梁建设技术研究,但针对使用安全保护的技术研究则较为薄弱,作为重要的交通基础设施,缆索承重桥梁的缆索体系在使用过程中存在着较为突出的问题,而其防护系统作为保护缆索体系安全使用的最后、关最键环节,必须通过系统研究确保其耐久性、有效性和使用可靠性。
▲世界范围内已建成主要大跨度缆索承重桥梁
桥梁建设期缆索体系遗留的质量问题
缆索体系在悬索桥、斜拉桥和拱桥中所发挥的作用和具体锚固形式等各不相同,基于这种差异,可将承重缆索分为主缆、拉索、吊索三类。主缆是悬索桥的主要承重构件,通过鞍座支承与锚固系统将荷载传至桥塔和锚碇;拉索是斜拉桥的主要传力构件,两端通过锚固系统分别锚固于桥塔与主梁,将荷载传至桥塔;吊索是悬索桥、拱桥的主要传力构件,通过缆索索夹或锚固联结桥梁承重构件与主梁,将荷载传至悬索桥主缆或拱桥拱肋。
主缆
拉索
吊索
▲承重缆索桥梁缆索类型
缆索盘条强度越高,钢丝碳含量越高,对于钢丝的防腐保护要求就越高,因此,盘条钢丝表面防腐处理从当今世界应用最广泛的热浸镀锌保护过渡到锌铝合金镀层保护,再到最新一代锌铝镁合金镀层保护。试验表明,钢丝锌铝镁合金镀层耐腐蚀性能是纯锌镀层的近5倍、是锌铝合金镀层的2倍。
需要指出的是,钢丝盘条及其镀层保护均涉及桥梁生命线耐久安全,悬索桥主缆更是不可更换的核心构件,因此,从研究到使用需要经过足够时长的可靠性试验验证。
另外,悬索桥锚碇锚固系统主要经历了钢框架锚固系统、灌浆黏结式预应力锚固系统及灌油无黏结式预应力锚固系统等多个发展阶段,吊索的锚固方式和材料同样经历不同发展阶段,各类型的锚碇锚固系统和锚固方式等都有其优缺点,它们在耐久性、锚固可靠性、施工和维护便利性等方面都各自存在一定缺陷与尚待解决的问题。
桥梁建造过程中,一些桥梁在缆索架设施工时,由于制造工艺和施工管理不到位,会造成部分缆索钢丝保护镀层的脱落或损伤,这也是造成缆索钢丝早期锈蚀的重要原因,这些因设计和施工过程造成的质量缺陷将伴随桥梁的全生命周期。
大量事实证明,在缆索承重桥梁发展过程中,作为桥梁“生命线”的承重缆索及其锚固系统在设计、制造、安装等环节存在不同程度的问题。这些问题均涉及缆索长期使用安全,因此需要从工程使用安全和全寿命要求等方面进行系统、慎重的考虑,再确定要采用哪种建造材料和施工工法。对于在役运营的桥梁,这些从建设阶段留下的问题主要集中由缆索防护系统来解决。
然而,缆索防护系统作为保护缆索系统安全使用的最后环节,在运营使用过程中还需要面临火灾威胁及结构过早失效等问题。
缆索全生命周期面临的火灾威胁
桥梁缆索体系全生命周期均受到火灾威胁,调研发现,绝大部分的缆索桥梁在建造或运营过程中都发生过火灾,尽管这些火灾没有造成桥梁垮塌等严重事故,但却给桥梁管理者敲响了警钟。例如,2021年上半年,位于珠江主航道的黄埔大桥和南沙大桥多次启动应急响应,超过一半是通行于桥梁上的车辆发生交通事故、车辆自燃事故、敏感区域火灾等所致。
▲黄埔大桥上危化品运输车辆和缆索区域货车自燃
研究表明,引起桥梁火灾事故的原因多种多样,包括桥上通行车辆引起的火灾、电路电器和雷电地震引发的火灾、桥下交通事故和易燃易爆炸物体引发燃爆、施工用电用火引起的火灾、人为燃烧破坏与爆炸破坏引发的火灾等。
▲景观灯引起斜拉索着火
通过对典型桥梁火灾事故分析发现,首先,桥梁火灾事故起火原因复杂多样,在各类起火原因中,车致火灾的概率高、频次多、火场温度高,发生时间和位置随机性大、影响面广、破坏强度大,需要特别关注并采取切实有效的措施予以解决。
▲交通事故引起斜缆索、吊索受损
其次,相关行业规范标准对缆索防护系统没有防火和耐高温指标要求,而火灾对于桥梁中各类钢构件的影响作用显著,火灾中各类钢构件升温迅速,力学性能也会显著下降,进而严重影响桥梁安全性能。
▲施工起火导致缆索断裂和桥面扭转
最后,在规范和实际建设中,行业内对承重钢结构缺乏专门抗火设计,而按照传统的桥梁消防设计、配套设施配备和消防救援模式,救援人员难以迅速到达火灾现场实施救援,造成火灾影响扩散,在被动的消防与救援模式下,即使反应及时,也可能会造成桥梁结构的损伤甚至损毁。
缆索密封防护结构过早失效
因防护材料、缆索施工和使用环境等问题,极易造成缆索密封防护结构过早开裂、防腐失效,从而导致缆索钢丝过早锈蚀、拉索吊索断裂、甚至造成垮桥的情况。调研发现,我国在役桥梁主缆在建成初期便会出现防护结构开裂情况,从在役桥梁缆索体系的防护水平和实际应用情况看,难以确保桥梁缆索使用寿命达到设计或预期要求。
▲主缆防护结构开裂
▲缆索防护结构开裂和腐蚀情况
在我国,虽然依据设计技术标准实施缆索密封防腐的做法,已广泛应用于各类工程中且工艺较为成熟,但在役桥梁运营情况显示,缆索防护结构密封有效性的问题突出,个别桥梁的缆索密封防护问题相当严峻
我国悬索桥的建设现状
随着技术进步和新装备、新材料的发展,“一桥飞架南北、天堑变通途”的景象在神州大地上随处可见,长江、黄河、珠江等大江大河正被一座座大跨度桥梁跨越。据统计,截至目前,我国已建成公路桥梁超过91万座,其中,特大桥梁超过6400座,跨度大于400米的缆索桥梁超过450座。从1995年第一座现代悬索桥汕头海湾大桥建成,到跨度2300米的张靖皋长江公路大桥建设,不到30年,我国创造了超过60%的各类型桥梁跨度的世界纪录。
任何时候,大跨缆索承重桥梁的建造安全和使用安全都是涉及重大公共安全的世界性问题。20多年来,我国投入巨大资源聚焦大跨桥梁建设技术研究,但针对使用安全保护的技术研究则较为薄弱,作为重要的交通基础设施,缆索承重桥梁的缆索体系在使用过程中存在着较为突出的问题,而其防护系统作为保护缆索体系安全使用的最后、关最键环节,必须通过系统研究确保其耐久性、有效性和使用可靠性。
▲世界范围内已建成主要大跨度缆索承重桥梁