桥梁拉索新型橡胶防水罩密封结构研究与应用

摘要：斜拉索作为斜拉桥的承重构件，堪称斜拉桥的生命索，其结构耐久性能直接影响斜拉桥的安全性和耐久性。文章通过调研当前现有拉索梁端预埋管的密封结构存在的问题，对当前桥梁拉索用橡胶防水罩密封结构进行优化、材料选型、试验验证等多方面的介绍，提出一种桥梁拉索新型橡胶防水罩密封结构，解决斜拉桥拉索梁端锚固区防水密封问题，大幅提高拉索使用寿命。

关键词：斜拉索;防水;密封;耐久

0 引言

斜拉索是斜拉桥的重要受力构件，其可靠性与桥梁安全性息息相关，而影响斜拉索结构可靠耐久性能的因素主要有斜拉索的腐蚀与疲劳。近些年来国内外许多斜拉桥通车后较短时间内拉索就出现了腐蚀，给桥梁安全埋下严重的隐患，迫使对斜拉桥提前换索，造成较大经济损失。从统计情况可以看出：斜拉索的锈蚀是导致斜拉索更换的第一大原因，斜拉索索力超限是导致斜拉索更换的第二大原因[1]。拉索的腐蚀主要是因为梁端预埋管积水导致索体和锚头腐蚀。调查发现，大部分桥梁梁端预埋管内均存在不同程度的积水现象，几乎所有的拉索梁端预埋管因密封不严均有冷凝水存在。某些桥梁预埋管太短，没有高于桥面，水直接流入预埋管造成梁端预埋管的积水和形成冷凝水，使预埋管及索体内的潮湿度增加，导致拉索锚头腐蚀[2]。

1 分析斜拉索下端预埋管的密封结构存在的问题

随着斜拉桥的应用发展，由于防水罩的单一防水效果不好，为解决此问题，其中一部分的研究提出了在预埋管内灌注密封材料的解决措施，具体表现有：

（1）最初斜拉索的拉索梁端防腐体系是在预埋管管口设置一个防水罩，在预埋管内部灌注防腐油脂，但油脂存在油分离造成环境的污染以及遇水后乳化而失去保护作用。油脂之所以存在油的分离，主要是因为油脂的钢网分油量的指标太低。

（2）接着提出了在梁端预埋管内部灌注发泡剂的防腐蚀措施，但由于缺少必要的指标约束以及经济竞争的原因，其效果不是很好，发泡剂不仅具有储水作用同时给后期的维护造成了困难。[=XQS（]桥梁拉索新型橡胶防水罩密封结构研究与应用/庞贤剑[=JP2] （3）到目前为止，有许多桥梁设计图纸上桥梁梁端预埋管采用灌注非硫化不干性防腐密封胶以及硫化密封胶的密封措施（图1）[3]，但目前在采用此種密封措施的多座桥梁中发现有油分离的现象，给生态环境造成了影响。由于HDPE与大部分材料的粘接性不好，随着拉索的振动，水汽很容易从此处进入，这也是为什么防水罩无法起到很好密封效果的原因。

综合以上目前所采取的密封措施，并未能真正解决拉索锚头腐蚀这一问题，不仅花费大量金钱用于预埋管内部密封，而且还给后期如何检测与维护拉索梁端密封结构这一个问题造成非常大的困扰，对后期拉索的智能化发展具有阻碍作用。

由此，预埋管管口的密封逐渐得到了更多的关注与研究，具体表现如下：

目前国内外斜拉桥梁端预埋管与索体结合处的防水措施是设置防水罩或密封气囊的方式，而防水罩主要有铸铁、不锈钢、橡胶、HDPE四种材质形式。铸铁防水罩采用铸造模具分两半制造实现可更换，但重量重，规格越大安装越不方便，后期需要增加二次防腐施工，其总的费用中等;不锈钢防水罩是用不锈钢板卷制后现场焊接而成，而不锈钢的现场焊接是否对HDPE产生影响较难判定且不好更换，其总的费用比较高。此外，前两种的材料均属于钢材，由于重量较重，安装时往往防水罩的下端需要靠预埋管来支撑，安装后就形成了防水罩上、下两端约束，因此当斜拉索产生振动时防水罩与索体之间的密封材料容易被破坏而造成密封失效。HDPE防水罩是目前一种新型的防水罩，在防水罩焊接段内壁预埋电阻丝，通过加热焊接的方式使防水罩与拉索HDPE护套形成一体[4]。这种方式很好地解决了防水罩与索体的过渡密封问题，但成本较高。由于防水罩采用焊接造成更换困难，且对后期预埋管里的锚头检测与维护带来了困难。根据广西路建工程集团有限公司与四川大学对拉索HDPE过早出现老化开裂原因进行的研究可知，当HDPE的拉应力>4 MPa时对拉索的过早开裂有显著的影响，随着HDPE的应力增大影响更显著。平行钢丝拉索经过热挤冷却到张拉安装一系列工艺操作，HDPE将会存留一些内应力，当再次焊接加热后会造成应力重新分配，局部的应力会更大，正如焊接薄钢板时为什么钢板会发生变化一样。前三种防水罩还有一个共同点就是必须保证防水罩与预埋管不能产生直接约束，否则会对防水罩与索体的密封产生直接破坏从而导致密封失效。因此以上防水罩无法实现全密封，对于梁端预埋管积水及冷凝水密封问题仍无法彻底解决。

平行钢丝拉索起源于日本，通过调研发现日本的斜拉桥上基本都采用橡胶防水罩。橡胶防水罩具有重量轻、密封性好、变形性好、耐久性好、可更换等优点。由于其重量轻，安装方便更有利于密封安装。橡胶防水罩上、下两端均形成完全密封解决了前三种密封结构无法解决的问题。由于橡胶本身变形好，密封结构不受拉索振动的影响，根据日本设计资料表明，采用橡胶防水罩可实现30年寿命的要求，具有较好的耐久性。由于橡胶防水罩不是整体结构，实现可拆可换，便于后期的检测与维护。但如果直接借鉴日本的橡胶防水罩结构仍存在以下问题：

（1）由于斜拉索规格比较多，再加上一些桥梁结构原因，即使同一种规格的拉索都需要多套模具制作来满足其与拉索及预埋管配合要求，从而造成生产成本过大。

（2）对安装工人的素质、技术要求较高，特别对于有密封及外观的要求，需有专门的技术工人操作，以确保密封的可靠及外观的美观，但目前我国的施工队员达不到这一要求。

（3）另一决定因素就是材料性能，不同的材料具有不同的密封性能。

关于密封气囊在桥梁梁端预埋管口的应用，即通过在气囊内充入高压气体，使气囊在吊杆和预埋管之间形成膨胀挤压效果，气囊的柔性变形作用又可抵消振动，防止水从缝隙内渗入，同时为加强密封效果，气囊密封装置顶面采用丙酮密封膏进行密封[5]。其密封的关键还是在于气囊不漏气以及密封胶的密封作用。当气囊产生漏气或密封胶与HDPE不贴合时就会造成密封失效。通过国产气囊在某桥的使用来看均存在漏气的现象，因此又提出在气囊内灌注可固化的流体，固化后其流体不如液体，更不如气体，随着拉索振动对密封的影响有待进一步的验证。

针对以上問题情况，本文研究出了一种新型桥梁拉索用柔性橡胶防水罩密封结构，很好地解决了拉索梁端锚固区防水、密封、耐久性问题，其生产成本及维护成本低，产品采用分离结构，制作、安装施工方便，具有良好的应用前景和推广价值。

2 桥梁拉索用柔性橡胶防水罩结构改进

2.1 解决模具数量多，生产成本过高的问题

防水罩的模具数量之所以多，是由于索体直径规格与预埋管规格组合的结果，如单独以预埋管的规格来定制防水罩的型号系列将会大大减小防水罩的型号，从而减少防水罩的模具数量，使生产成本大幅度降低。通过这一改进的方法，使橡胶防水罩具有很强的价格优势。

2.2 对结构进行优化，使其具有良好的密封性能

通过一系列的实桥检测发现，索体与防水罩之间的密封材料因受振动的影响而造成密封失效，是梁端预埋管有水进入的主要原因。在降低橡胶防水罩生产成本的同时，需要解决防水罩与索体之间的密封问题。通过在防水罩与索体之间设置一个压紧环，并且通过螺栓连接使压紧环紧紧抱在索体上，防止压紧环受拉索振动造成密封材料的运动导致密封失效。

通过一些密封槽、凸筋的设置以及压紧环与防水罩的配合，普通工人只需在相应的位置缠绕密封材料2圈，然后预紧螺栓直到密封材料完全地挤出即可，大大降低了工人的技术要求，并可通过是否有密封材料挤出来判定安装效果是否达到要求。该工艺使防水罩的安装简单、易操作且可以通过肉眼直接判定安装效果的好坏（见图2）。

2.3 材料的选择，确保防水罩具有较好的耐久性

橡胶防水罩安装于桥面，属于外露零件，一直受到外界光、氧、热、昼夜温差大和化学介质等外界因素的影响，对罩体耐老化性能要求极高。国内一些大桥所用的橡胶防水罩的材料采用氯丁橡胶材料，而日本及韩国的橡胶防水罩采用三元乙丙材料。三元乙丙橡胶耐老化性能非常好、耐候性好、电绝缘性能优良、耐化学腐蚀性好及耐水蒸气、颜色稳定性、冲击弹性较好，其在臭氧浓度为50 pphm、拉伸30%的条件下，可达150 h以上不龟裂。综合考虑采用三元乙丙橡胶作为防水罩罩体材料。

关于密封材料的选择，目前选择的是拉索上常用的密封材料，如聚硫密封胶、聚丁烯粘弹体密封胶、硅酮密封胶、XM-55密封胶、聚烯烃弹性体等多种材料，分别进行了3 m水深的浸泡密封试验。其过程试验有成功的，也有失败的。最终选择一种最具性价比、易于安装的、密封可靠的材料。

3 试验验证

为了更好验证橡胶防水罩密封结构在桥梁拉索上具有良好的密封性能，在试验工装的设计方面尽可能地模拟实桥工况，因此专门设计了一套辅助实验用的底座装置（底座相当于桥梁梁端预埋管）。橡胶防水罩密封结构的下端依靠特殊的密封结构及密封材料，实现底座与橡胶防水罩的密封;橡胶防水罩的上端直接采用与索体配合进行密封。索体的上端为自由状态，下端仅仅支撑于底座的套管内，索体相对于底座可以实现绕圆周偏摆模拟拉索振动状态，且与竖直方向的夹角最大可达到5°。具体安装如图3所示。

水密性试验方法参照美国PTI斜拉索设计、测试和安装的推荐规范中水密性试验要求，将密封结构整体置于3 m水深下4 d，然后拿出来拆除密封结构查看结构内部空腔内有无进水。为实现更好的密封性能，其密封材料的选择也是一个重要环节，采用了多种密封材料进行密封试验。通过试验的结果及可安装性、性价比等综合考虑，选出了一种最为合适的密封材料。通过该密封材料安装浸泡后的解剖过程，充分证明了将橡胶防水罩密封结构完全浸泡于3 m水中，仍具有良好的密封性能。

4 结语

本文针对现有梁端锚固区防水措施所存在的问题进行分析，从施工安装、检测维护及密封可靠性方面推荐采用桥梁拉索新型橡胶防水罩密封结构。桥梁拉索新型橡胶防水罩密封结构具有耐久性好、成本较低、安装简便、易于维护的特点，具有良好的应用前景和推广价值。为进一步防止水进入梁端预埋管内，可以在预埋管管口再增加一层密封层，目前已研发出使密封胶与索体HDPE具有良好粘接性的方法，采用低成本的方式实现了预埋管口高可靠的密封性能，已成功应用于嘉鱼长江大桥、土耳其BB3桥、南宁三岸大桥等国内外十几座大桥上。通过梁端预埋管口采用双重密封的方式，为推进拉索下端智能化发展迈出坚实的一步，同时可通过涂层或控制罩体颜色满足桥梁拉索新型橡胶防水罩密封结构不同外观的要求。

参考文献：

[1]舒 林，许红胜，曾毅杰，等.影响斜拉索运营寿命的各种因素分析[J].中外公路，2017，37（1）：84-88.

[2]张红利.浅谈拱桥吊杆的病害与防护[C].2013年8月建筑科技与管理学术交流会论文集，2013.

[3]冯 华，袁培峰.一种新的斜拉桥梁端预埋管填充防腐方法[J].中国工程咨询，2014（3）：67-69.

[4]张 恒.HDPE防水罩与斜拉索结合技术研究[J].公路交通技术，2018，34（6）：89-92.

[5]赵雪莲.拱桥吊杆防腐分析与应对措施[J].中国市政工程，2018（5）：64-66，109-110.