橋梁纜索防護體系的突出問題

纜索承重橋梁的索體結構及其錨固系統面臨的問題多為建設階段留存的問題，主要可通過運營階段的有效防護來解決。而纜索防護系統作為保護纜索體系安全耐久使用的最后、最重要環節，主要面臨全生命周期火災威脅和密封防腐結構過早失效兩大突出問題，必須采取可靠有效的技術措施，未雨綢繆。

我國懸索橋的建設現狀

隨著技術進步和新裝備、新材料的發展，“一橋飛架南北、天塹變通途”的景象在神州大地上隨處可見，長江、黃河、珠江等大江大河正被一座座大跨度橋梁跨越。據統計，截至目前，我國已建成公路橋梁超過91萬座，其中，特大橋梁超過6400座，跨度大于400米的纜索橋梁超過450座。從1995年第一座現代懸索橋汕頭海灣大橋建成，到跨度2300米的張靖皋長江公路大橋建設，不到30年，我國創造了超過60%的各類型橋梁跨度的世界紀錄。

任何時候，大跨纜索承重橋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問題。20多年來，我國投入巨大資源聚焦大跨橋梁建設技術研究，但針對使用安全保護的技術研究則較為薄弱，作為重要的交通基礎設施，纜索承重橋梁的纜索體系在使用過程中存在著較為突出的問題，而其防護系統作為保護纜索體系安全使用的最后、關最鍵環節，必須通過系統研究確保其耐久性、有效性和使用可靠性。

表1 世界范圍內已建成主要大跨度纜索承重橋梁

橋梁建設期纜索體系遺留的質量問題

纜索體系在懸索橋、斜拉橋和拱橋中所發揮的作用和具體錨固形式等各不相同，基于這種差異，可將承重纜索分為主纜、拉索、吊索三類。主纜是懸索橋的主要承重構件，通過鞍座支承與錨固系統將荷載傳至橋塔和錨碇；拉索是斜拉橋的主要傳力構件，兩端通過錨固系統分別錨固于橋塔與主梁，將荷載傳至橋塔；吊索是懸索橋、拱橋的主要傳力構件，通過纜索索夾或錨固聯結橋梁承重構件與主梁，將荷載傳至懸索橋主纜或拱橋拱肋。

組圖1 承重纜索橋梁纜索類型

對于現代纜索承重橋梁，纜索索體結構多采用平行鋼絲索股形式，作為組成纜索結構的最基本單位，平行鋼絲從20世90年代虎門大橋采用的強度1600兆帕的進口盤條，經歷不同階段強度的1670兆帕、1770兆帕、1860兆帕、1960兆帕、2060兆帕盤條，到在建江蘇南京仙新路大橋采用的強度2100兆帕的國產盤條，發展迅速，種類多樣。

纜索盤條強度越高，鋼絲碳含量越高，對于鋼絲的防腐保護要求就越高，因此，盤條鋼絲表面防腐處理從當今世界應用最廣泛的熱浸鍍鋅保護過渡到鋅鋁合金鍍層保護，再到最新一代鋅鋁鎂合金鍍層保護。試驗表明，鋼絲鋅鋁鎂合金鍍層耐腐蝕性能是純鋅鍍層的近5倍、是鋅鋁合金鍍層的2倍。需要指出的是，鋼絲盤條及其鍍層保護均涉及橋梁生命線耐久安全，懸索橋主纜更是不可更換的核心構件，因此，從研究到使用需要經過足夠時長的可靠性試驗驗證。

另外，懸索橋錨碇錨固系統主要經歷了鋼框架錨固系統、灌漿黏結式預應力錨固系統及灌油無黏結式預應力錨固系統等多個發展階段，吊索的錨固方式和材料同樣經歷不同發展階段，各類型的錨碇錨固系統和錨固方式等都有其優缺點，它們在耐久性、錨固可靠性、施工和維護便利性等方面都各自存在一定缺陷與尚待解決的問題。橋梁建造過程中，一些橋梁在纜索架設施工時，由于制造工藝和施工管理不到位，會造成部分纜索鋼絲保護鍍層的脫落或損傷，這也是造成纜索鋼絲早期銹蝕的重要原因，這些因設計和施工過程造成的質量缺陷將伴隨橋梁的全生命周期。

什么是纜索承重橋梁

纜索承重橋梁以纜索為主要荷載傳遞結構，以墩塔、拱塔、錨碇為主要承載結構，基于受力體系和纜索承載作用的差異，可將纜索承重橋梁分為懸索橋、斜拉橋、拱橋。

大量事實證明，在纜索承重橋梁發展過程中，作為橋梁“生命線”的承重纜索及其錨固系統在設計、制造、安裝等環節存在不同程度的問題。這些問題均涉及纜索長期使用安全，因此需要從工程使用安全和全壽命要求等方面進行系統、慎重的考慮，再確定要采用哪種建造材料和施工工法。對于在役運營的橋梁，這些從建設階段留下的問題主要集中由纜索防護系統來解決。然而，纜索防護系統作為保護纜索系統安全使用的最后環節，在運營使用過程中還需要面臨火災威脅及結構過早失效等問題。

纜索全生命周期面臨的火災威脅

橋梁纜索體系全生命周期均受到火災威脅，調研發現，絕大部分的纜索橋梁在建造或運營過程中都發生過火災，盡管這些火災沒有造成橋梁垮塌等嚴重事故，但卻給橋梁管理者敲響了警鐘。例如，2021年上半年，位于珠江主航道的黃埔大橋和南沙大橋多次啟動應急響應，超過一半是通行于橋梁上的車輛發生交通事故、車輛自燃事故、敏感區域火災等所致。

組圖2 黃埔大橋上危化品運輸車輛和纜索區域貨車自燃

研究表明，引起橋梁火災事故的原因多種多樣，包括橋上通行車輛引起的火災、電路電器和雷電地震引發的火災、橋下交通事故和易燃易爆炸物體引發燃爆、施工用電用火引起的火災、人為燃燒破壞與爆炸破壞引發的火災等。

組圖3 橋梁火災事故

通過對典型橋梁火災事故分析發現，首先，橋梁火災事故起火原因復雜多樣，在各類起火原因中，車致火災的概率高、頻次多、火場溫度高，發生時間和位置隨機性大、影響面廣、破壞強度大，需要特別關注并采取切實有效的措施予以解決。其次，相關行業規范標準對纜索防護系統沒有防火和耐高溫指標要求，而火災對于橋梁中各類鋼構件的影響作用顯著，火災中各類鋼構件升溫迅速，力學性能也會顯著下降，進而嚴重影響橋梁安全性能。最后，在規范和實際建設中，行業內對承重鋼結構缺乏專門抗火設計，而按照傳統的橋梁消防設計、配套設施配備和消防救援模式，救援人員難以迅速到達火災現場實施救援，造成火災影響擴散，在被動的消防與救援模式下，即使反應及時，也可能會造成橋梁結構的損傷甚至損毀。

纜索密封防護結構過早失效

因防護材料、纜索施工和使用環境等問題，極易造成纜索密封防護結構過早開裂、防腐失效，從而導致纜索鋼絲過早銹蝕、拉索吊索斷裂、甚至造成垮橋的情況。調研發現，我國在役橋梁主纜在建成初期便會出現防護結構開裂情況，從在役橋梁纜索體系的防護水平和實際應用情況看，難以確保橋梁纜索使用壽命達到設計或預期要求。

主纜防護結構開裂

組圖4 纜索防護結構開裂和腐蝕情況

組圖5 纜索腐蝕致災情況

在我國，雖然依據設計技術標準實施纜索密封防腐的做法，已廣泛應用于各類工程中且工藝較為成熟，但在役橋梁運營情況顯示，纜索防護結構密封有效性的問題突出，個別橋梁的纜索密封防護問題相當嚴峻。

黃埔大橋