缆索安全问题的成因和机理

按照现行技术标准，主缆和拉吊索最外层的防护体系均不具备防火和阻燃性能，实际使用中的缆索及拉吊索锚头的耐久密封防护效果也不理想。因此，笔者分析了缆索防护密封失效和锈蚀机理、缆索系统火损失效机理，以及桥梁缆索抗火密封综合防护机理，为精准寻求缆索安全问题解决办法奠定基础。

缆索防护密封失效和锈蚀机理

桥梁主缆最外层的防护体系主要采用聚硫密封胶涂层防护和缠包带防护两大类。由于缆索受温度、风载、车辆荷载等影响处于长期振动和应力伸缩状态，其紧缆缠丝和索夹将出现局部滑移或松动现象。部分桥梁检测数据显示，在通车3年后，索夹的紧筘力下降近一半，当缆索采用密封胶防护时，密封胶固化后抗拉强度低，加上固化密封胶的自重力作用，将导致防护结构局部开裂，水、湿空气和有害物质从开裂位置进入，将造成主缆锈蚀和加速老化；当采用缠包带密封防护时，由于缠包带的接缝量多，热熔固化工作量大、工艺复杂，且缠包带不具有自黏附性，同时，缠包基面无法到达理想的平整状态，仅依靠热熔固化工艺难以实现防护体系整体耐久密封的效果，目前该防护体系实际使用效果不甚理想。另外，传统密封胶和缠包带密封防护结构高温耐久性和抗气体压力能力差，难以阻挡抽湿系统产生的长期内外压力差而造成密封效果加速失效。

桥梁拉吊索采用高强聚酯纤维带加双层高密度聚乙烯（HDPE）防护结构，制造、运输、施工过程，均可能造成HDPE局部破损，水与有害空气从破损部位进入索体内部，并在锚头或吊点处积聚，从而腐蚀索体钢丝。另外，由于拉索锚固区域处于半封闭和后期封闭状态，雨水或空气冷凝水容易从索体表面流集于锚头或吊点处积聚并腐蚀索体钢丝。

根据腐蚀发生位置和发生先后次序不同，长期运营的桥梁缆索在腐蚀过程中，可以分为缆索外部防护结构受损、缆索内部钢丝腐蚀，以及缆索锚固区域受损三个阶段。首先，缆索外部防护结构长期暴露在外部环境中，在经历一定的循环应力作用或者遭受到一些难以预期的外力作用后，外部护套会发生破损现象。之后，由于缆索外部防护结构受损，外界雨水、湿空气和有害物质等进入缆索内部通道，缆索内部湿度升高，钢丝发生锈蚀现象。最后，长期处于潮湿环境的钢丝性能退化速率加大、腐蚀加速，同时，水汽大概率在缆索锚固位置汇聚，导致缆索锚固区域锈蚀，锚固区域的锚固能力和力学性能发生折减，从而威胁整个缆索系统安全。

表2 钢材强度折减取值表

高韧阻燃密封技术能够有效解决各类不利条件造成的缆索防护结构早期开裂、老化破坏、带火燃烧和锚头防水等问题。

缆索系统火损失效机理

在火灾中，桥梁缆索防护结构的损伤过程可以分为三个阶段。首先，在火灾的作用下，缆索周边温度上升，通过对流、辐射等作用加热缆索外部防护结构，从而导致温度提升，使外部防护结构开始融化、燃烧，在外界环境对流风、护套带火熔滴等因素的影响下，保护结构的燃烧将极易发生扩散现象，不仅会导致火焰在一根缆索上的持续扩散，还可能会影响到周边缆索。之后，燃烧造成钢丝裸露并直接暴露在外界高温环境中，在高温度场作用下钢丝温度快速上升，达到一定温度后，钢丝力学性能降低，钢丝发生不可逆的损伤。最后，随着温度的持续上升，强度的持续下降，钢丝将在两端拉力作用下发生破断。

对于缆索锚固系统，由于缆索锚固区多采用钢构件，在火灾过程中的高温作用下易产生区域升温快、构件力学性能迅速下降等问题，若不施加额外防护措施，火灾中锚固区各部分容易出现损伤破坏。另外，锚固区一般会有油脂，在高温作用下，容易引起油脂融化、索体锚固滑移从而导致锚固失效的问题。

国内外已就钢丝强度随温度变化的规律开展研究，欧洲规范《Eurocode3-EN1992-1-2》认为，高温下钢丝力学性能变化规律可用强度折减系数表述，如表2所示，将400摄氏度温度场作为钢丝损伤判别标准，当温度超过400摄氏度时，规范中强度折减系数开始小于1，钢丝发生损伤。

美国规范《PTI DC45.1-12，Recommendations for Stay Cable Design，Testing，and Installation》中则规定，1100摄氏度环境下，若缆索内钢丝温度不超过300摄氏度可持续90分钟。该规范认为温度场不超过300摄氏度时，钢丝不会发生损伤。

缆索防火防腐分级保护体系技术标准和不同火场缆索结构有效保护的设计方案，解决了缆索防火设计没有技术标准和有效技术方案的问题。

我国现行技术标准对缆索防火没有具体要求，设计技术标准采用的缆索防护材料为非阻燃材料，这类材料绝大部分在300摄氏度以下温度场即燃烧起火，明火迅速超过300摄氏度并对缆索钢丝造成伤害。

桥梁缆索抗火密封综合防护

缆索抗火防护围绕耐火隔热这一技术路线展开，主要研究如何采用可靠的技术措施，应对随时随地可能发生的火灾，并确保在实施有效救援之前保证索体结构完好安全。另外，为了确保抗火防护能够耐久使用和起到最佳防护效果，需要将抗火和密封防腐作为整体一并考虑。因此，为了确保缆索防护系统长期有效性，需采用既能耐火隔热、又能密封防腐的综合防护方案，即需要研究一种既耐火、隔热、阻燃，又能保证长期密封效果的综合防护技术。

传统防火防护技术方案一般采用防护材料和消防手段，而采用的防火材料大多数不具备长时间耐火或隔热功能，消防和救援手段则难以及时覆盖每一个角落，对于开放式的缆索防火更是难以实现有效防护。近年来，国内一些研究单位开展桥梁防火技术研究，大多选择防火涂料、硅酸铝、陶瓷纤维等作为防火层材料。尽管硅酸铝、陶瓷纤维等防火层绝热能和热稳定性好，但由于其施工机械拉伸性能差，既不耐磨又不耐碰撞，不能抵抗缆索长期存在的力学变形和腐蚀环境的侵蚀，相关试验未能满足预期效果，因此，国内尚未见桥梁缆索抗火防护的成功实施案例。在国外，一些公司开发了集防火和抗爆于一体的拉索防护盔甲，该防护盔甲能够防火、防爆、防弹及其他外力破坏，国内一些单位也参照此法开展研究，但其使用效果和经济性难以得到认可。