橋梁拉索新型橡膠防水罩密封結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用

摘要：斜拉索作為斜拉橋的承重構(gòu)件，堪稱斜拉橋的生命索，其結(jié)構(gòu)耐久性能直接影響斜拉橋的安全性和耐久性。文章通過調(diào)研當(dāng)前現(xiàn)有拉索梁端預(yù)埋管的密封結(jié)構(gòu)存在的問題，對當(dāng)前橋梁拉索用橡膠防水罩密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、材料選型、試驗(yàn)驗(yàn)證等多方面的介紹，提出一種橋梁拉索新型橡膠防水罩密封結(jié)構(gòu)，解決斜拉橋拉索梁端錨固區(qū)防水密封問題，大幅提高拉索使用壽命。

關(guān)鍵詞：斜拉索;防水;密封;耐久

0 引言

斜拉索是斜拉橋的重要受力構(gòu)件，其可靠性與橋梁安全性息息相關(guān)，而影響斜拉索結(jié)構(gòu)可靠耐久性能的因素主要有斜拉索的腐蝕與疲勞。近些年來國內(nèi)外許多斜拉橋通車后較短時(shí)間內(nèi)拉索就出現(xiàn)了腐蝕，給橋梁安全埋下嚴(yán)重的隱患，迫使對斜拉橋提前換索，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。從統(tǒng)計(jì)情況可以看出：斜拉索的銹蝕是導(dǎo)致斜拉索更換的第一大原因，斜拉索索力超限是導(dǎo)致斜拉索更換的第二大原因[1]。拉索的腐蝕主要是因?yàn)榱憾祟A(yù)埋管積水導(dǎo)致索體和錨頭腐蝕。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分橋梁梁端預(yù)埋管內(nèi)均存在不同程度的積水現(xiàn)象，幾乎所有的拉索梁端預(yù)埋管因密封不嚴(yán)均有冷凝水存在。某些橋梁預(yù)埋管太短，沒有高于橋面，水直接流入預(yù)埋管造成梁端預(yù)埋管的積水和形成冷凝水，使預(yù)埋管及索體內(nèi)的潮濕度增加，導(dǎo)致拉索錨頭腐蝕[2]。

1 分析斜拉索下端預(yù)埋管的密封結(jié)構(gòu)存在的問題

隨著斜拉橋的應(yīng)用發(fā)展，由于防水罩的單一防水效果不好，為解決此問題，其中一部分的研究提出了在預(yù)埋管內(nèi)灌注密封材料的解決措施，具體表現(xiàn)有：

（1）最初斜拉索的拉索梁端防腐體系是在預(yù)埋管管口設(shè)置一個(gè)防水罩，在預(yù)埋管內(nèi)部灌注防腐油脂，但油脂存在油分離造成環(huán)境的污染以及遇水后乳化而失去保護(hù)作用。油脂之所以存在油的分離，主要是因?yàn)橛椭匿摼W(wǎng)分油量的指標(biāo)太低。

（2）接著提出了在梁端預(yù)埋管內(nèi)部灌注發(fā)泡劑的防腐蝕措施，但由于缺少必要的指標(biāo)約束以及經(jīng)濟(jì)競爭的原因，其效果不是很好，發(fā)泡劑不僅具有儲水作用同時(shí)給后期的維護(hù)造成了困難。[=XQS（]橋梁拉索新型橡膠防水罩密封結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用/龐賢劍[=JP2] （3）到目前為止，有許多橋梁設(shè)計(jì)圖紙上橋梁梁端預(yù)埋管采用灌注非硫化不干性防腐密封膠以及硫化密封膠的密封措施（圖1）[3]，但目前在采用此種密封措施的多座橋梁中發(fā)現(xiàn)有油分離的現(xiàn)象，給生態(tài)環(huán)境造成了影響。由于HDPE與大部分材料的粘接性不好，隨著拉索的振動，水汽很容易從此處進(jìn)入，這也是為什么防水罩無法起到很好密封效果的原因。

綜合以上目前所采取的密封措施，并未能真正解決拉索錨頭腐蝕這一問題，不僅花費(fèi)大量金錢用于預(yù)埋管內(nèi)部密封，而且還給后期如何檢測與維護(hù)拉索梁端密封結(jié)構(gòu)這一個(gè)問題造成非常大的困擾，對后期拉索的智能化發(fā)展具有阻礙作用。

由此，預(yù)埋管管口的密封逐漸得到了更多的關(guān)注與研究，具體表現(xiàn)如下：

目前國內(nèi)外斜拉橋梁端預(yù)埋管與索體結(jié)合處的防水措施是設(shè)置防水罩或密封氣囊的方式，而防水罩主要有鑄鐵、不銹鋼、橡膠、HDPE四種材質(zhì)形式。鑄鐵防水罩采用鑄造模具分兩半制造實(shí)現(xiàn)可更換，但重量重，規(guī)格越大安裝越不方便，后期需要增加二次防腐施工，其總的費(fèi)用中等;不銹鋼防水罩是用不銹鋼板卷制后現(xiàn)場焊接而成，而不銹鋼的現(xiàn)場焊接是否對HDPE產(chǎn)生影響較難判定且不好更換，其總的費(fèi)用比較高。此外，前兩種的材料均屬于鋼材，由于重量較重，安裝時(shí)往往防水罩的下端需要靠預(yù)埋管來支撐，安裝后就形成了防水罩上、下兩端約束，因此當(dāng)斜拉索產(chǎn)生振動時(shí)防水罩與索體之間的密封材料容易被破壞而造成密封失效。HDPE防水罩是目前一種新型的防水罩，在防水罩焊接段內(nèi)壁預(yù)埋電阻絲，通過加熱焊接的方式使防水罩與拉索HDPE護(hù)套形成一體[4]。這種方式很好地解決了防水罩與索體的過渡密封問題，但成本較高。由于防水罩采用焊接造成更換困難，且對后期預(yù)埋管里的錨頭檢測與維護(hù)帶來了困難。根據(jù)廣西路建工程集團(tuán)有限公司與四川大學(xué)對拉索HDPE過早出現(xiàn)老化開裂原因進(jìn)行的研究可知，當(dāng)HDPE的拉應(yīng)力>4 MPa時(shí)對拉索的過早開裂有顯著的影響，隨著HDPE的應(yīng)力增大影響更顯著。平行鋼絲拉索經(jīng)過熱擠冷卻到張拉安裝一系列工藝操作，HDPE將會存留一些內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)再次焊接加熱后會造成應(yīng)力重新分配，局部的應(yīng)力會更大，正如焊接薄鋼板時(shí)為什么鋼板會發(fā)生變化一樣。前三種防水罩還有一個(gè)共同點(diǎn)就是必須保證防水罩與預(yù)埋管不能產(chǎn)生直接約束，否則會對防水罩與索體的密封產(chǎn)生直接破壞從而導(dǎo)致密封失效。因此以上防水罩無法實(shí)現(xiàn)全密封，對于梁端預(yù)埋管積水及冷凝水密封問題仍無法徹底解決。

平行鋼絲拉索起源于日本，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)日本的斜拉橋上基本都采用橡膠防水罩。橡膠防水罩具有重量輕、密封性好、變形性好、耐久性好、可更換等優(yōu)點(diǎn)。由于其重量輕，安裝方便更有利于密封安裝。橡膠防水罩上、下兩端均形成完全密封解決了前三種密封結(jié)構(gòu)無法解決的問題。由于橡膠本身變形好，密封結(jié)構(gòu)不受拉索振動的影響，根據(jù)日本設(shè)計(jì)資料表明，采用橡膠防水罩可實(shí)現(xiàn)30年壽命的要求，具有較好的耐久性。由于橡膠防水罩不是整體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可拆可換，便于后期的檢測與維護(hù)。但如果直接借鑒日本的橡膠防水罩結(jié)構(gòu)仍存在以下問題：

（1）由于斜拉索規(guī)格比較多，再加上一些橋梁結(jié)構(gòu)原因，即使同一種規(guī)格的拉索都需要多套模具制作來滿足其與拉索及預(yù)埋管配合要求，從而造成生產(chǎn)成本過大。

（2）對安裝工人的素質(zhì)、技術(shù)要求較高，特別對于有密封及外觀的要求，需有專門的技術(shù)工人操作，以確保密封的可靠及外觀的美觀，但目前我國的施工隊(duì)員達(dá)不到這一要求。

（3）另一決定因素就是材料性能，不同的材料具有不同的密封性能。

關(guān)于密封氣囊在橋梁梁端預(yù)埋管口的應(yīng)用，即通過在氣囊內(nèi)充入高壓氣體，使氣囊在吊桿和預(yù)埋管之間形成膨脹擠壓效果，氣囊的柔性變形作用又可抵消振動，防止水從縫隙內(nèi)滲入，同時(shí)為加強(qiáng)密封效果，氣囊密封裝置頂面采用丙酮密封膏進(jìn)行密封[5]。其密封的關(guān)鍵還是在于氣囊不漏氣以及密封膠的密封作用。當(dāng)氣囊產(chǎn)生漏氣或密封膠與HDPE不貼合時(shí)就會造成密封失效。通過國產(chǎn)氣囊在某橋的使用來看均存在漏氣的現(xiàn)象，因此又提出在氣囊內(nèi)灌注可固化的流體，固化后其流體不如液體，更不如氣體，隨著拉索振動對密封的影響有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。

針對以上問題情況，本文研究出了一種新型橋梁拉索用柔性橡膠防水罩密封結(jié)構(gòu)，很好地解決了拉索梁端錨固區(qū)防水、密封、耐久性問題，其生產(chǎn)成本及維護(hù)成本低，產(chǎn)品采用分離結(jié)構(gòu)，制作、安裝施工方便，具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

2 橋梁拉索用柔性橡膠防水罩結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 解決模具數(shù)量多，生產(chǎn)成本過高的問題

防水罩的模具數(shù)量之所以多，是由于索體直徑規(guī)格與預(yù)埋管規(guī)格組合的結(jié)果，如單獨(dú)以預(yù)埋管的規(guī)格來定制防水罩的型號系列將會大大減小防水罩的型號，從而減少防水罩的模具數(shù)量，使生產(chǎn)成本大幅度降低。通過這一改進(jìn)的方法，使橡膠防水罩具有很強(qiáng)的價(jià)格優(yōu)勢。

2.2 對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其具有良好的密封性能

通過一系列的實(shí)橋檢測發(fā)現(xiàn)，索體與防水罩之間的密封材料因受振動的影響而造成密封失效，是梁端預(yù)埋管有水進(jìn)入的主要原因。在降低橡膠防水罩生產(chǎn)成本的同時(shí)，需要解決防水罩與索體之間的密封問題。通過在防水罩與索體之間設(shè)置一個(gè)壓緊環(huán)，并且通過螺栓連接使壓緊環(huán)緊緊抱在索體上，防止壓緊環(huán)受拉索振動造成密封材料的運(yùn)動導(dǎo)致密封失效。

通過一些密封槽、凸筋的設(shè)置以及壓緊環(huán)與防水罩的配合，普通工人只需在相應(yīng)的位置纏繞密封材料2圈，然后預(yù)緊螺栓直到密封材料完全地?cái)D出即可，大大降低了工人的技術(shù)要求，并可通過是否有密封材料擠出來判定安裝效果是否達(dá)到要求。該工藝使防水罩的安裝簡單、易操作且可以通過肉眼直接判定安裝效果的好壞（見圖2）。

2.3 材料的選擇，確保防水罩具有較好的耐久性

橡膠防水罩安裝于橋面，屬于外露零件，一直受到外界光、氧、熱、晝夜溫差大和化學(xué)介質(zhì)等外界因素的影響，對罩體耐老化性能要求極高。國內(nèi)一些大橋所用的橡膠防水罩的材料采用氯丁橡膠材料，而日本及韓國的橡膠防水罩采用三元乙丙材料。三元乙丙橡膠耐老化性能非常好、耐候性好、電絕緣性能優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕性好及耐水蒸氣、顏色穩(wěn)定性、沖擊彈性較好，其在臭氧濃度為50 pphm、拉伸30%的條件下，可達(dá)150 h以上不龜裂。綜合考慮采用三元乙丙橡膠作為防水罩罩體材料。

關(guān)于密封材料的選擇，目前選擇的是拉索上常用的密封材料，如聚硫密封膠、聚丁烯粘彈體密封膠、硅酮密封膠、XM-55密封膠、聚烯烴彈性體等多種材料，分別進(jìn)行了3 m水深的浸泡密封試驗(yàn)。其過程試驗(yàn)有成功的，也有失敗的。最終選擇一種最具性價(jià)比、易于安裝的、密封可靠的材料。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了更好驗(yàn)證橡膠防水罩密封結(jié)構(gòu)在橋梁拉索上具有良好的密封性能，在試驗(yàn)工裝的設(shè)計(jì)方面盡可能地模擬實(shí)橋工況，因此專門設(shè)計(jì)了一套輔助實(shí)驗(yàn)用的底座裝置（底座相當(dāng)于橋梁梁端預(yù)埋管）。橡膠防水罩密封結(jié)構(gòu)的下端依靠特殊的密封結(jié)構(gòu)及密封材料，實(shí)現(xiàn)底座與橡膠防水罩的密封;橡膠防水罩的上端直接采用與索體配合進(jìn)行密封。索體的上端為自由狀態(tài)，下端僅僅支撐于底座的套管內(nèi)，索體相對于底座可以實(shí)現(xiàn)繞圓周偏擺模擬拉索振動狀態(tài)，且與豎直方向的夾角最大可達(dá)到5°。具體安裝如圖3所示。

水密性試驗(yàn)方法參照美國PTI斜拉索設(shè)計(jì)、測試和安裝的推薦規(guī)范中水密性試驗(yàn)要求，將密封結(jié)構(gòu)整體置于3 m水深下4 d，然后拿出來拆除密封結(jié)構(gòu)查看結(jié)構(gòu)內(nèi)部空腔內(nèi)有無進(jìn)水。為實(shí)現(xiàn)更好的密封性能，其密封材料的選擇也是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，采用了多種密封材料進(jìn)行密封試驗(yàn)。通過試驗(yàn)的結(jié)果及可安裝性、性價(jià)比等綜合考慮，選出了一種最為合適的密封材料。通過該密封材料安裝浸泡后的解剖過程，充分證明了將橡膠防水罩密封結(jié)構(gòu)完全浸泡于3 m水中，仍具有良好的密封性能。

4 結(jié)語

本文針對現(xiàn)有梁端錨固區(qū)防水措施所存在的問題進(jìn)行分析，從施工安裝、檢測維護(hù)及密封可靠性方面推薦采用橋梁拉索新型橡膠防水罩密封結(jié)構(gòu)。橋梁拉索新型橡膠防水罩密封結(jié)構(gòu)具有耐久性好、成本較低、安裝簡便、易于維護(hù)的特點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。為進(jìn)一步防止水進(jìn)入梁端預(yù)埋管內(nèi)，可以在預(yù)埋管管口再增加一層密封層，目前已研發(fā)出使密封膠與索體HDPE具有良好粘接性的方法，采用低成本的方式實(shí)現(xiàn)了預(yù)埋管口高可靠的密封性能，已成功應(yīng)用于嘉魚長江大橋、土耳其BB3橋、南寧三岸大橋等國內(nèi)外十幾座大橋上。通過梁端預(yù)埋管口采用雙重密封的方式，為推進(jìn)拉索下端智能化發(fā)展邁出堅(jiān)實(shí)的一步，同時(shí)可通過涂層或控制罩體顏色滿足橋梁拉索新型橡膠防水罩密封結(jié)構(gòu)不同外觀的要求。

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