虎门大桥为单跨双铰钢箱加劲梁公路悬索桥，跨径为888m，由锚碇、索塔、索鞍、缆索和加劲梁等分项工程有机地组成一体。全桥共设两根主缆，每根主缆由110股索股组成，预制平行钢丝索股由127根直径5.2mm的镀锌高强钢丝组成。主缆钢丝采用标准强度1770MPa的普通低松弛高强钢丝，设计弹性模量为2.0×105MPa；主缆空隙率：索夹内为18%（主缆理论直径为678.7mm）、索夹外为20%（主缆理论直径为687.2mm）。主缆对主要荷载的安全系数为2.5。虎门大桥主缆断面及主缆防护构造如图1所示。
图1 虎门大桥主缆断面图
主缆通风试验原理
索股两端设有索股锚头，索股锚头为套筒式热铸锚，将平行钢丝在铸钢制成的套筒内按设计要求散开，然后按要求浇铸锌、铜合金。索股锚固原理是通过锚头承压板，将索力传递到焊于锚杆腹板上的加劲板。
主缆同锚碇、索塔及索鞍等共同构成大桥的第一受力体系，主缆是主要受力结构，形成全桥的强度和刚度。上述组成构件为悬索桥的一类构件，设计基准期为100年。其中缆索系统由钢构件组成，相比于混凝土结构易在运营期间遭受环境侵蚀作用，属于结构防护及养护的重点、关键部位。
虎门大桥主缆采用传统的被动防腐措施，即主要靠密封胶与面漆将主缆与外部环境隔绝，以达到防腐的效果。经特殊检查，虎门大桥主缆存在腐蚀现象（经验算，当前腐蚀不影响结构安全），说明传统的防护不能完全阻止腐蚀，需引入新防腐技术（主缆除湿技术），确保主缆剩余使用年限内的结构安全。
以了解虎门大桥主缆内部特征为总体目标，以主缆内的流体力学特征研究、钢丝监听系统研究为具体切入点，通过资料收集、现场试验、数据分析处理等手段，最终测定主缆内部空气流动的比摩阻、主缆漏风率、主缆最佳送风模式，形成虎门大桥主缆除湿防腐系统设计指导。
主缆通风试验是为主缆除湿系统设计服务的。主缆除湿原理是利用主缆钢丝的表面粗糙度和纵向孔隙，将干燥洁净的空气置换主缆内部潮湿或污染的空气，如图2所示。
图2 主缆内部环境控制原理图
由于主缆长度大，空气在内部的流动阻力较大，通常采取的是分段送气与排气的方案，如图3所示。
图3 主缆除湿系统分段送气设计图
虎门大桥主缆外部有很难清除的腻子层，常规空气压入主缆的难度较大，且主缆内部空气分布流动状态并不乐观。基于此，设计了一套试验方案，用于检验虎门大桥主缆内部空气流动阻力情况，为主缆除湿系统设计提供依据。
基于主缆除湿研究，试验必然包括悬索桥的主缆构件，具体试验方案如下：
（1）通过试验了解试验段内主缆各段通风情况和空气流动阻力大小；
（2）测定主缆内部空气流动的比摩阻、送风量、主缆漏风率、主缆最佳送风模式；
（3）测试主缆除湿速率，指导设定除湿系统设计参数。
主缆通风试验步骤及设备布置
主缆通风试验步骤
根据主缆除湿以及主缆防腐的需求设计通风试验的主要内容为：主缆送气量及送气流量损失、主缆送气压力损失、主缆内气流组织优化等，最后确定主缆除湿系统设计参数。
主缆通风试验步骤分为：
（1）主缆通风准备阶段试验
选取上游侧主缆跨中段作为主缆通风试验段，首先是短时通断试验，采取了7个进排气组合，每两个相邻气夹间距均为55.5米。经过准备阶段试验，了解主缆内部问题，即主缆内部湿度较高，影响通风的主要因素是腐蚀产物的堵塞以及气夹的密封。
（2）主缆通风第一阶段试验
主缆通风试验第一阶段是通过正压试验、正压对比试验、负压试验、正负压叠加试验四部分，进行主缆通风试验及数据采集。对每一个工况持续采集一段时间数据，以数据稳定并微弱波动为标准，对数据进行整合处理，分析得出相关结论。
（3）主缆通风第二阶段试验
除湿距离为111米以上，在压力及流速传感器未测到有效数据时（排气量较低的情况下，可能受传感器测量精度影响），测量排气夹处温湿度变化，以此判断气流是否到达排气夹处。
主缆通风试验设备布置
图4 主缆通风试验分布图
图5 主缆通风验设备管道布置原理图
选取上游侧主缆跨中段作为主缆通风试验段，如图4所示。其中试验距离为55.5米、111米、166.5米和222米可调节。设备管道布置原理如图5所示。
试验工况设计
图6 记录仪传感器及气夹
图7 调试设备及阀门
首先进行了试验准备阶段工作，目的是初步了解主缆通气能力。做了一些短时通断试验，采取7个进排气组合，气夹编号顺序为CBADE，每两个相邻气夹间距均为55.5米。如图8。
图8 主缆通风试验布点图
在确定主缆试验段各段都能成功进排气的情况下，按照下表方案进行试验。记录温湿度、压力及流速，整理并分析数据，从而测定主缆内部空气流动的比摩阻、主缆漏风率、主缆最佳送风模式。
第二阶段试验中，针对第一阶段测试不能通风的工况，进行附加湿度评测，即利用除湿机，向主缆内通入干燥空气，经过排气的湿度差异，判断是否有空气排出。
主缆通风试验结论
图9 工况三排送比例随压力变化曲线图
图10 工况二十一风量对比曲线图
根据整理与分析各项试验工况的数据和图表，得出以下结论：
（1）经不完全检测，进气压力在2KPa-5KPa时，试验范围内的主缆未发现渗漏；但是，根据正压送风的排送风比和负压送风的进出风比，证明主缆的外表保护层存在空隙，导致在正压状态下，主缆的空气明显向外漏气。在负压状态下，将外面空气吸入主缆，其漏气量和吸气量与正压值和负压值有关。
（2）排气湿度明显高于进气湿度，说明主缆内部存在湿空气或少量液态水。
（3）在目前的导风措施下，主缆的五个气夹位置都可以通气，不存在完全堵塞现象。
（4）通过对比送风工况1、2、3、10、11、12等，可以得出工况3送风方式是最佳的，即1送4排的送风方式。
分析上述数据可知：
（1）通过对比送风工况1、2、3、10、11、12等，最佳送风压力是2500-3500Pa，根据距离是111m,计算其比摩阻约为20-30（Pa/m)。
（2）在所有参与试验的工况中，最佳除湿距离是111m。
（3）单独正压送风与单独负压引风的通风效果相似，正压送风与负压引风叠加的通风效果更好，即排气比更大。
在222米的主缆试验段中，选择某二个或几个气夹作为主动进气夹，即正压进气；某二个或几个气夹作为主动排气夹，即吸气。在进气夹内施加不同的正压力，在排气夹内施加不同的负压力，观察并记录进排气的空气参数，再进行分析的试验过程，称为正负压叠加试验。这一试验的特征是主缆内部大部分处于正压，排气夹附近局部处于负压状态。
在正压和负压试验的基础上，正负压试验的目的是趋势验证。因此，只需做一组对比试验即可。
正负压叠加的排风比基本在25%以上，较正压和负压有明显的排风量改善，但增加的风量中，不排除有外部侵入空气成分，且随着负压的提高，外界空气进入主缆的风险加大，因此，应严格控制负压值，并谨慎使用。
（1）排气夹出口的面积是影响排气比的重要因素，即在其他条件相同的情况下，只要加排气夹出口的面积，就可以明显增大排风量。
（2）影响送风方向的主要原因，可能是由于主缆腐蚀造成的结构变形，使得不同送风方向其阻力不同，从而影响送风方向。
本文刊载 /《大桥养护与运营》杂志 2019年 第4期 总第8期
作者 / 熊锋 梅波 罗吉庆
作者单位 / 广东虎门大桥有限公司
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