悬索桥型钢锚固体系锚杆隔离防腐蚀设计*

崔剑峰　贺耀北　胡建华1,　刘　榕　倪　雅

(湖南大学土木工程学院1)　长沙　410082)　(湖南省交通规划勘察设计院2)　长沙　410008) (江苏中矿大正表面工程技术有限公司3)　徐州　221000)

悬索桥型钢锚固体系锚杆隔离防腐蚀设计*

崔剑峰1)贺耀北2)胡建华1,2)刘榕2)倪雅3)

(湖南大学土木工程学院1)长沙410082)(湖南省交通规划勘察设计院2)长沙410008) (江苏中矿大正表面工程技术有限公司3)徐州221000)

摘要：概述了锚杆腐蚀环境及腐蚀行为，提出了改善耐久性的必要性;综述了隔离防腐蚀方案的应用进展及发展趋势.经多个方案力学试验，提出3 mm硫化型橡胶密封剂+4 mmPEF发泡材料+塑料薄膜+脱模剂作为锚杆的隔离防腐措施，可大幅度提高锚杆耐久性，并提出了锚杆出口处和锚杆接头处的隔离防腐措施.

关键词：悬索桥；型钢锚固系统；锚杆；隔离；防腐蚀

0引言

悬索桥主缆锚固系统分为型钢锚固系统和预应力锚固系统2种类型[1].国内外早期的悬索桥多采用型钢锚固系统，如美国华盛顿大桥、金门大桥、新港桥，日本东京港联络桥、下津井桥、南北备赞桥，广东虎门大桥、汕头海湾大桥等.预应力锚固系统主要由国内发展并推广使用，经过多座桥的工程实践，其设计方法和施工工艺日臻成熟，但该系统后期维护工作量大，需定期监测，由于使用历史较短，其使用性能尚需时间检验[2].因此，近期我国多座大跨径悬索桥均重新采用型钢锚固系统，如马鞍山长江公路大桥、南京长江四桥、临岳高速洞庭湖大桥等.

型钢锚固系统主要由后背梁和锚杆共同组成.主缆索股与锚杆相对应，整个型钢框架浇筑在锚块混凝土内.受施工过程主缆拉力逐步增加的影响，需防止锚体混凝土在锚杆拉力作用下开裂，故在施工过程中需对锚杆采取相应的隔离措施，防止锚杆与锚体混凝土粘结.

工程实践对型钢锚固系统的隔离处理措施各不相同，而我国相关规范也未作出明确规定.本文分析了锚杆腐蚀环境，综述了目前锚杆隔离防腐蚀系统方案，提出锚固系统锚杆隔离防腐的一些要求和措施，供工程应用参考.

1锚杆隔离防腐蚀现状

美国早期的桥梁均采用眼杆进行锚固，但部分桥梁锚固系统腐蚀情况较严重.文献[3]介绍了纽约4座桥梁的锚固系统加固情况.其中1912年建成的曼哈顿桥置换了锚固系统，检查发现其眼杆腐蚀断面达到了44%.

国内的大跨径悬索桥应用相对较晚，目前未发现有相关型钢锚固系统病害报道.表1列出了目前我国采用型钢锚固系统的悬索桥.调查发现，在采用普通的金属油漆防腐或金属喷涂以外，各桥均应用了锚杆隔离方案.

由表1可见，早期型钢锚固系统无粘结处理措施是采用油毛毡、牛皮纸等方案.后期逐渐意识到了隔离及防腐蚀的重要性，开始逐步改进隔离防腐蚀方案，使其具有隔离和防腐蚀的双重效果，耐久性得到不断改善.

表1　锚杆隔离防腐蚀方案应用情况表

2锚杆隔离腐蚀环境

锚杆受力要求进行隔离处理.我国《公路悬索桥设计细则》(报批稿，2013年11月)就明确要求“锚杆表面应进行无粘接处理”.但锚杆不只满足无粘结的隔离措施，还需采取防腐蚀措施，满足耐久性要求.这是锚杆所处的环境体积决定的.锚杆埋置于锚体混凝土中，其腐蚀环境存在如下特点.

1) 锚杆外包隔离材料与锚杆之间本身存在微小的缝隙；仅考虑其无粘结效果时，有的材料耐久性较差(如油毛毡、PEF发泡材料等)，容易变脆、老化、粉化，使隔离材料层变成了腐蚀介质渗透的通道.也有部分材料本身透水性较强(如PEF发泡材料等)，存在隔离层变成透水层的隐患.

2) 国内已经竣工的几座悬索桥锚碇, 虽然在施工期也采取了一些温控措施, 但仍然出现了一些温度裂缝, 甚至出现了贯穿性的温度裂缝[6].目前如锚碇这样的大体积混凝土出现温度裂缝难以避免[7]，因此贯通至锚杆的裂缝不可避免.

3) 大体积混凝土施工期洒水养护，使大量水分积存在隔离层缝隙内.

4) 受地理条件、结构整体布置等的限制，部分桥梁设计有锚杆的混凝土布置于常水位变动区，甚至位于土中及地表、地下水中的化学腐蚀环境，混凝土裂缝中水位与外界存在水位差，致使锚杆处的氧离子、氯离子等不断得到充分补给，从而加剧腐蚀速度(为一般环境的5倍).如临岳高速洞庭湖大桥、南京四桥等桥的锚固系统均位于水位变动区，见图1～2.

图1　美国曼哈顿桥锚固系统置换方案

图2　南京四桥锚碇布置(尺寸单位：cm )

5) 受主缆、锚杆布置及施工误差影响，一般很难达到使锚杆与主缆布置在一条直线上，故锚杆一般存在偏心.锚杆与混凝土之间不可避免的存在偏心受力接触，且在活载作用下会不断摩擦，从而可能使锚杆防腐涂层迅速破坏.与混凝土接触、摩擦及应力幅也是锚杆不利腐蚀环境的特征.

3隔离防腐蚀措施力学试验

我国桥梁常用的硫化型橡胶密封胶包括聚硫密封胶和硅烷改性密封胶等，具有粘结能力强、弹性大，强度高，耐老化、耐腐蚀性能优异等特点，广泛应用于包括悬索桥主缆在内的钢结构防腐工程.

为研究各隔离防腐蚀系统隔离效果，基于硫化型橡胶密封胶，对几种隔离防腐蚀方案进行了拉伸试验[8-10]，并进行了经济技术比选.主要研究各种隔离防腐蚀方案在拉力载荷下的隔离效果和破坏形态.其试验装置及代表性研究结果见图3～4,表2.

由试验结果可以看出，采用3 mm以上的硫化型橡胶密封剂隔离及防防腐蚀效果良好，是较可靠的锚杆防护方案.该方案造价相对较高，但为提高桥梁耐久性和使用寿命，适当增加造价是合适的，也是必要的.

图3　洞庭湖大桥锚碇布置(尺寸单位：cm )

图4　试验加载装置

方案拉伸试验结果图例优缺点8mmPEF发泡材料 拉伸载荷下,PEF极易被破坏,使得型钢油漆涂层完全暴露优点:价格便宜;能达到隔离效果 缺点:防水、抗老化能力差;PEF层可能成为腐蚀介质渗透的通道;没有防腐能力 1mm硫化型橡胶密封剂+4mmPEF发泡材料 拉伸载荷下,外部的PEF出现破坏,部分基体裸露,说明在剧烈位移形变下PEF会出现严重破坏,但PEF下面的密封剂涂层完好,仍有保护效果 优点:价格较低;1mm密封剂具有隔离和防腐双重效果,耐久性好缺点:1mm的密封剂施工质量较难保证 3mm硫化型橡胶密封剂 拉伸载荷下,密封剂保存完好,说明对内部的防腐涂层有良好的保护作用 优点:具有隔离和防腐双重效果,耐久性好,施工质量有保障缺点:价格较高3mm氯丁橡胶 拉伸载荷下,3mm的氯丁橡胶破损严重,钢板基体部分裸露,未达到较好的隔离防护效果优点:价格较低;能达到隔离效果 缺点:拉伸过程中容易破损,没有防腐蚀能力

另，试验发现受混凝土浇筑压力的影响，锚杆拉伸过程存在一定的摩擦力.随着时间的推移，受锚杆活载应力幅、混凝土收缩徐变、隔离防护材料的蠕变等因素影响，可以想象摩擦力会逐渐减小甚至消除.图5～6分别列出了3 mm硫化型橡胶密封剂和1 mm硫化型橡胶密封剂+4 mmPEF发泡材料2个方案的摩擦应力试验结果.采用图中拟合虚线估算某桥24 m长锚杆摩擦力及其影响，见表3.计算表明，锚杆摩擦力达到了总拉力的40%，锚杆前端位移值影响大于20%.

虽然锚杆伸长对全桥的影响较小，但仍然期望降低摩阻力，尽可能保证主缆拉力传递至后锚区.笔者认为可以采用3 mm硫化型橡胶密封剂+4 mmPEF+塑料薄膜+脱模剂的方案达到降低摩阻力的效果，具体的摩擦力影响应进行试验确定.

图5　3 mm密封剂方案位移-摩擦应力曲线

图6　1 mm密封剂+4 mmPEF方案位移-摩擦应力曲线

3mm密封剂1mm密封剂+4mmPEF锚杆前端拉力/kN4440摩擦力总和/kN17191880传至后锚梁的拉力/kN27212560锚杆前端位移/mm7.457.98 不考虑摩擦锚杆前端位移/mm10.09

4锚杆隔离防腐蚀设计

目前关于悬索桥型钢锚固系统耐久性研究及对策几乎没有，但锚杆的耐久性决定了悬索桥使用寿命.为提高型钢锚固系统锚杆耐久性，本文认为除了锚杆外表面采用常用的油漆或金属涂层以外，采用3 mm硫化型橡胶密封剂+4 mmPEF+塑料薄膜+脱模剂作为锚杆隔离防腐方案是目前较为合理的方案.外部塑料薄膜+脱模剂可降低锚杆摩阻力；PEF发泡材料强度低，可在初期保护硫化型橡胶密封层；硫化型橡胶密封层弹性大、耐久性好，可隔绝腐蚀介质，也可作为锚杆偏心荷载下的弹性垫层，避免在活载作用下锚杆与混凝土的摩擦行为迅速损坏内部涂层(油漆或金属喷涂)；内部涂层可作为耐久性保障的最后屏障.

考虑锚杆出口处是腐蚀介质渗入的主要通道之一，有必要按照不同施工阶段进行处理.在锚体混凝土浇筑完成后，此时锚杆尚未受力，锚杆伸长尚未完成，前锚室封闭空间未形成，雨水极易沿隔离层渗入，甚至有的桥梁施工期存在前锚面浸泡在积水中的情况.故施工期宜采用低模量、高伸长率的硅酮密封胶或者沥青橡胶防水材料沿锚杆周边进行密封，满足寿命要求低，价格便宜，但与混凝土和钢粘结性能良好、伸长率大的要求即可.在成桥后，锚杆伸长基本完成后，永久密封措施宜采用耐久性更好的硫化型橡胶密封胶密封，推荐密封胶厚度30～40 mm.

图7　锚杆接头处隔离防腐方案示意图(单位：mm)

大跨径悬索桥锚杆长度较长，为满足制作、运输和安装要求，锚杆与后背梁之间、锚杆之间一般采用螺栓接长.接头位置要求沿拉伸方向有一定的位移空间，避免外伸的螺栓和拼接板压迫混凝土，造成螺栓断裂等；且该位置间隙较多，对隔离防腐蚀要求更高.图7示意了锚杆接头处的一种隔离防护方案.该方案在拼接板表面、拼接板与锚杆之间缝隙、螺栓缝隙等位置采用硫化型橡胶密封胶密封，保证防腐功能；为保证拼接板、螺栓的拉伸位移，采用聚苯乙烯泡沫整体模塑成型，并外扣在螺栓和拼接板上，螺栓及拼接板拉伸方向预留拉伸位移值(图中δ).聚苯乙烯泡沫抗压能力可达到300 kPa，满足锚体混凝土分层浇筑时的压力.聚苯乙烯泡沫外包3 mm厚钢板，可防止腐蚀介质渗入.

5结 束 语

由于无粘结隔离层、大体积混凝土裂缝、锚杆前锚面缝隙等是悬索桥型钢锚固系统锚杆腐蚀介质渗入的主要通道，腐蚀介质能不断补充，且锚杆与混凝土之间的偏心接触、摩擦和活载应力幅会损伤隔离防腐层，加剧锚杆腐蚀.应力腐蚀、缝隙腐蚀、点蚀等是锚杆腐蚀的主要特征.从某种程度上说，锚固系统的寿命决定了悬索桥的寿命，最大限度的提高锚固系统耐久性是必要的.

我国规范对悬索桥型钢锚固系统隔离防腐方案没有提出具体的要求，关于耐久性研究及对策相关文献和研究几乎没有.实际工程应用的型钢锚固系统隔离防腐方案在不断的改进，不但具有隔离效果，且不断增强其防腐蚀能力，耐久性持续提高.

通过初步试验，提出3 mm硫化型橡胶密封剂+4 mmPEF+塑料薄膜+脱模剂作为锚杆的隔离防腐措施，可大幅度提高锚固系统耐久性.本文还提出了锚杆出口处和锚杆接头的隔离防护措施，可作为工程应用参考.

参 考 文 献

[1]中交公路规划设计院有限公司.公路悬索桥设计细则：JTG/T D65-05-2016[S].北京：人民交通出版社，2012.

[2]崔冰,董萌,贾立峰,等.一种新型悬索桥主缆锚固系统设计概念综述[J].中国工程科学,2013,15(8):12-17.

[3]张国志,经德良,周昌栋,等.宜昌长江大桥锚碇大体积混凝土温度裂缝控制技术[J].桥梁建设,2002(2):60-63,67.

[4]苏强,王强,曾诚,等.悬索桥主缆预应力锚固系统设计探讨[J].预应力技术,2014(5):19-21,30.

[5]杨德钧,沈卓身.金属腐蚀学[M].北京:冶金工业出版社,1999.

[6]曾宪明,陈肇元,王靖涛,等.锚固类结构安全性与耐久性问题探讨[J].岩石力学与工程学报,2004,23(13):2235-2242.

[7]MAYRBAURL A, RONALD M. Cable anchorage repairs on New York city suspension bridges[J]. Extending the Lifespan of Structures,1995(1):513-518.

[8]唐贺强,曹洪武,万田保.重庆寸滩长江大桥主桥设计.桥梁建设[J],2013,43(3):71-76.

[9]郭红仙,陈奕奇,宋二祥,等.岩土锚固结构腐蚀及其影响因素[J].岩土工程界,2007,10(2):35-41.

[10]胡建华,崔剑峰.湘西矮寨大桥设计创新技术[J].桥梁建设,2011(6):54-61.

Design of Isolated Anticorrosion Measures for Steel Anchor System of Suspension Bridge Main Cable

CUI Jianfeng1)HE Yaobei2)HU Jianhua1,2)LIU Rong2)NI Ya3)

(CollegeofCivilEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China)1)(HunanProvincialCommunicationPlanning,SurveyandDesignInstitute,Changsha410008,China)2)(JiangsuCUMTDazhengsurfaceEngineeringTechnologyCO.,LTD,Xuzhou221000,China)3)

Abstract：In this paper，the corrosion environment and corrosion process of anchor system is summarized, the necessity to improve the durability of anchor system is proposed. Meanwhile, the application and development of anchor anticorrosion measures are outlined. According to several experiment results, an isolated anticorrosion measure for anchor which is composed of 3 mm sulfide rubber sealant+4 mm PEF foaming material+Plastic Film+Release Agent is proposed. Besides, the isolated anticorrosion measure of anchor outlets and joints is also put forward, these anticorrosion measures will greatly improve the durability of anchor system.

Key words：bridge engineering; suspension bridge; steel anchor system; bolt; isolation; anticorrosion

收稿日期：2016-05-12

中图法分类号：U443.24

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.011

崔剑峰(1975- ):男，博士，主要研究领域为道路与桥梁工程

*交通运输部建设科技项目(2013 318 798 320)、湖南省交通科技项目(201219)资助