悬索桥主电缆保护复合包装系统的圆周扩展性能

摘要

采用预浸纤维增强复合材料和丁腈橡胶，设计了悬索桥主缆防护复合缠绕系统。测试了系统的周向膨胀性能，得到了构件的周向承载力和径向位移曲线。对各组构件的失效模式进行了对比分析。结果表明，大部分零件在搭接过渡时发生垂直断裂。预浸层数的增加对构件周向承载力的贡献最大，增幅为65.31%~109.01%。胶带层数的增加对构件径向位移的影响最为显著，增幅为7.06%~23.5%。在试验初期，由于加载装置的压实作用，构件各部分的应变较小，加载过程中构件的应变值一般呈线性增加，其中重叠处的应变最小。计算得到的主缆截面温度变形与试验数据吻合较好。胶带的应用增加了主缆的变形;因此，主缆保护系统可以有更多的变形冗余，并延迟外预浸料包层极限应变的到来。

1.介绍

随着技术的飞速发展和材料性能的不断提高，现代悬索桥越来越受到重视[1]，其工程结构优越[2]，已成为世界上长距离桥梁建设的首选桥梁类型。主缆、吊索、索塔、楼板体系和锚固是悬索桥的五大主要结构形式。根据刚度的不同，悬索桥分为两种[3.]、柔性悬索桥和刚性悬索桥。柔性悬索桥是一种桥面直接敷设在悬索上的低荷载桥梁，多用于短跨径桥梁。刚性悬索桥是在刚性梁上铺设桥面;刚性梁通过悬杆悬吊在悬索上。现代的悬索桥多为刚性悬索桥，外形美观1是岳阳洞庭湖二桥总布置图。

在悬索桥的所有结构部件中，主缆是整个桥的主要支撑部件，主缆的使用寿命伴随着桥的全寿命周期。悬索桥上主缆的腐蚀情况[4在世界范围内是一个不容忽视的问题。主电缆腐蚀情况如图所示2．

已经对主电缆保护系统进行了一些研究。所谓的罗布林体系，由约翰·雷布林创建[5，在传统的主电缆保护系统中应用最为广泛。如图所示3.，将密封材料填充在主电缆导线中，并在表面上涂抹腻子，然后使用约4 mm的导线 在腻子层上沿主电缆缠绕直径mm。最后，进行分层涂层[6均均匀地涂在绕线后的表面。该系统的主要作用是密封主电缆外表面，防止和隔离水、盐等腐蚀性物质的腐蚀。但是，该系统的安装过程从安装到完成需要很长时间;涂层会逐渐出现老化开裂现象。随着悬索桥的振动，主缆的长度和横截面同时会发生轴向变形。外部涂层弹性较小，容易发生开裂，导致潮湿空气的引入。

另一种保护系统叫做合成护套[7]是美国在20世纪60年代和70年代发展起来的，以取代罗布林系统。第一层防护系统用尼龙带缠绕在主缆上，再在尼龙带上涂布粘合剂，最后用玻璃纤维氯丁橡胶缠绕带、聚酯薄膜、聚丙烯树脂缠绕带缠绕。与Roebling系统相比，系统的构建过程大大缩短。但由于早期复合材料性能不稳定，技术还不够成熟。这种保护系统效果不理想，没有得到广泛的应用。近年来，人们发明了纤维增强复合材料缠绕带结构。它由未硫化的氯磺化聚乙烯、纤维网格布局和氯磺化聚乙烯组成。缠绕带的基体材料为氯磺化聚乙烯，增强材料为纤维网格布局。这种纤维增强缠绕带防腐系统首次应用于湖南省株洲市枫溪大桥。与美国棕包带相比，伸长率和撕裂强度分别提高了54%和62%。 Fiber-reinforced composite wrapping tape has excellent properties such as ageing resistance, easy maintenance, and replacement and gives full play to the remarkable advantages of lightweight, high strength, and corrosion resistance of fiber-reinforced composite materials. However, as shown in Figure4，该系统的最大缺点是安装过程是麻烦和复杂的。

许多实例表明，上述两种传统的主缆保护系统基本不能防止腐蚀，因此需要一种新的腐蚀管理系统。除湿系统[8是日本在20世纪末开发的。如图所示5，该系统的主要方法是用相对干燥的空气（湿度40%-50%）持续填充主电缆，并破坏主电缆的腐蚀状况，以防止主电缆钢丝的腐蚀。电缆除湿系统首次应用于明石-开京大桥[9，大家都知道它的表现还算不错。从那时起，有少数悬索桥采用了这一系统，大多数新桥都按照标准做法安装了除湿装置。除湿系统的关键是主缆表面不能开裂;否则会严重影响除湿效果。另一方面，保护系统需要在主电缆的整个生命周期内不断地为其提供干燥空气，因此整个系统的成本很高。

对于温度场对主缆的影响已有一些研究。以西堠门大桥为例，发现在环境因素的影响下，主缆截面温度场具有明显的不均匀性。主缆内外温度存在明显的相位差，温度幅值差异较大。对于大直径主缆悬索桥，即使夜间环境温度相对稳定，截面加权平均温度与表面算术平均温度之间也存在较大差异。轴向应力和平均应力随温度的升高而减小，而竖向弯矩随温度的升高而增大。在不均匀温度的作用下，产生了主缆横向弯矩，且横向弯矩的方向指向高温侧;所以主缆变形损坏了。

鉴于FRP（纤维增强聚合物）具有优异的防护性能和耐腐蚀性[10]，密封性能，以及橡胶材料减少应力集中的特点，本文介绍了采用这两种材料的新型悬索桥主缆保护系统的设计和制备工艺。该保护系统需要考虑外部环境对主电缆周向扩展对保护系统的影响。本文以FRP约束混凝土构件竖向受压FRP管的力学性能为线索，研究了主缆保护系统在周向内膨胀力作用下的力学性能。从而指导新型复合主电缆保护系统的设计。对试件进行分组，并进行周向扩展试验，研究各组试件的不同破坏模式。得到了构件的周向承载能力-径向位移曲线和周向应变-径向位移曲线。分析了预浸层数和胶带层数对试样性能的影响。

2.实验

2．1．样品制备

样品材料由光固化预浸料缠绕带和丁腈橡胶带组成。标本分为两种类型，如图所示6；一个是仅由可光固化的预浸料胶带制成的箍样本，另一个是由可光固化的预浸料缠绕带和丁腈橡胶带制成的复合缠绕带。

第一类标本分为三组;第一组用1层光固化预浸胶包覆，第二组用2层光固化预浸胶包覆，第三组用3层光固化预浸胶包覆。

第二类标本分为四组；第二类和第一类试样的前三组之间的差异在于第一类试样内部包裹了一层丁腈橡胶带。第二类试样的第四组内包裹2层丁腈橡胶带，外层分别包裹1层、2层和3层光固化预浸带。

样本的规格如表所示1预浸带的重叠宽度为235.5 mm.两种试样均应缠绕在膨胀装置上，预浸料丝锥需要通过紫外线照射硬化40分钟以上。在制作试样之前，将凡士林涂抹在膨胀装置的表面，然后用薄膜覆盖，以减少试样与膨胀装置之间的摩擦sion装置。两种试样均无角度直接缠绕在膨胀装置的外层上。第二种试样的内部丁腈橡胶带和外部预浸带具有交错搭接接头。丁腈橡胶有两个侧面，一面光滑，另一面粗糙。在本文中，粗糙表面使用丁腈橡胶带的e与预浸料包层粘合。表面完全硬化后，将应变计连接到图中所示的相应位置7．

2．2.样品制造

标本制作顺序如下(图)8）：（a）将膨胀装置的18件中间部分拼接到圆柱体中，两端用镀锌铁丝固定;（b）钢盖与装置中间部分的两端弯曲，用螺钉和螺母固定;（c）在前两个步骤中组装的装置放置在两个长凳或水泥墩之间，放置上角钢固定螺钉;（d）均匀地将凡士林施加到中间装置的外表面，手动翻转固定装置，并用胶带包裹，滚轮用来去除试样中的气泡，以保持表面光滑和平坦，内部橡胶层第二标本可以简单地固定胶带;（e）将标本置于足够的光源以进行UV固化，并且必须持续地翻转该装置，使得样本的所有部件可均匀地接受相同量的紫外线辐射和固化量;（F）在样品完全固化后（单层15分钟，双层超过30分钟的足够的照明，需要多层固化）;将其标记在相应的位置，平稳地抛光，擦拭干净，粘附应变仪;（g）在应变仪粘贴到胶水后，除去两个钢盖和螺钉，将器件放置在固定在通用试验机上的两个钢头插头的中间，以及钢塞之间的接触区域设备的中间部分应涂抹含有含水剂的润滑。

2．3.膨胀辅助装置

2.3.1。膨胀辅助装置的设计

对frp夹套混凝土在竖向受压作用下的力学性能已有一定的研究，主要研究frp夹套混凝土的破坏模式和承载力;标本的种类主要分为圆形[11- - - - - -15),矩形(16- - - - - -18]， 正方形 [19],椭圆[20.，以及其他横向[21frp护套混凝土柱。Samaan等人[13]对三种gfrp护套混凝土进行了轴压试验。通过对应力-应变曲线的分析，可以发现荷载在曲线的前半部分由混凝土支撑;在曲线的后半段，混凝土压碎后，荷载主要由GFRP管支撑。本文将参考上述研究方法，研究主缆保护系统在内周向膨胀力作用下的力学性能，并设计一种膨胀辅助装置[22，23]．

根据试验数据拟合了受压约束混凝土的本构关系;拟合了受压约束混凝土的本构关系。

在试验过程中，将两种试件的中间部分覆盖在外，将上下钢盘插入辅助膨胀装置的两端。试件和辅助膨胀装置作为一个整体放入万能试验机。以一定的速度向上和向下按压两端的插头，最后胶带就会破裂。辅助膨胀装置的具体尺寸如图所示9．

2.3.2。扩展辅助装置的力分析

如图所示10，通过计算辅助膨胀装置的纵向力系和横向力系，得到周向承载力和径向位移的换算公式。

纵向力系的平衡方程为

假设A和C之间的摩擦系数为 ， ，

水平方向:

它可以从辅助膨胀装置的具体尺寸中得到， ， ．摩擦系数 ［24，这是由于A部分与C部分之间以及C部分与试件之间有足够的润滑。周向承载力之间的换算关系垂直载荷将辅助膨胀装置的尺寸代入式(4).

径向位移的垂直位移的转化公式：

将值代入方程(7),

根据轴对称应力下构件的极坐标平面解，均匀压力下考虑环或圆柱位移的问题与本文研究的主缆保护系统内压下的问题相似。因此，参考上述理论，可以推导出轴对称荷载作用下主缆保护系统的径向位移公式。

主电缆保护系统的径向位移值可通过替换内径等参数获得 ，外径 ，弹性模量 ，，将试样的泊松比代入式(9).

2.4.实验方案

试验在南京工业大学万能试验机上进行，利用辅助膨胀装置将万能试验机的垂直载荷转化为均匀的周向膨胀力，然后测试复合保护系统的抗膨胀性能。使用万能试验机，加载速率为0.5 该万能试验机的精度可达0.5级，加载力可达600 千牛。每个试样上有12个应变计，8个在横向，4个在垂直方向，沿保护系统环的圆周均匀布置。为了补偿万能试验机测量的位移误差，两个LVDT的范围为10 cm安装在试验机的前部、后部和两侧，以测量试验机的垂直位移。

采用大功率紫外固化灯对光固化片进行固化，并用静态应变仪DN-3816采集试样的应变数据。记录实验现象、力、位移值，根据力-位移曲线分析实验现象。试验加载装置原理图如图所示11．

2.5. 实验过程

G-1-X组在膨胀辅助装置周围用一层光固化预浸料纤维增强复合材料带包裹三个组件。g -1组分的加载速率为2 mm/min。由于加载速度过快，构件破坏迅速，整个加载过程仅持续85 s。G-1-2构件加载速率调整为0.5 mm/min(其余试件均按此速率加载)。在G-2-X组中，所有三个组件都用两层光固化预浸料纤维增强复合胶带包裹。采用连续缠绕的方法同时固化第一组分的外两层预浸料缠绕带。固化30分钟后，发现搭接处厚度过厚，无法完全固化。因此，后两种试样采用分层包裹和渐进固化的方法制备，每层固化15分钟。下面的组件都采用了这个过程。G-3-X组用三层光固化预浸料纤维增强复合带包裹所有三种组分。 Specimens were manufactured by layered wrapping and incremental curing, and each layer was cured for 15 minutes. The lap joints of each layer did not coincide with each other. In group G-1-R-X, all three components were wrapped with a layer of nitrile rubber belt and a layer of photocurable prepreg fiber-reinforced composite wrapping tape. In group G-2-R-X, all three components were wrapped with a layer of nitrile rubber belt and 2 layers of photocurable prepreg fiber-reinforced composite wrapping tape. In group G-3-R-X, all three components were wrapped with a layer of nitrile rubber belt and 3 layers of light-cured prepreg fiber-reinforced composite wrapping tape. In group G-X-2R-1, all three components were wrapped with two layers of nitrile rubber belt and then wrapped with one, two, and three layers of light-cured prepreg fiber-reinforced composite wrapping tape, respectively. The time history, maximum circumferential bearing capacity, and radial displacement can be seen in Table2．

3.实验结果分析

3．1.失效模式

无橡胶带试验组的失效模式如图所示12.如图所示12（a），试件G-1-X裂纹出现在预浸料缠绕带搭接处;该试样瞬间破裂，裂纹是垂直的。周围有大量纤维被拉出，其他部位未见明显损伤。如图所示12 (b)，试件G-2-X裂纹位于外预浸料缠绕带搭接处;试件瞬间断裂，断裂声音大，裂纹垂直;周围有大量纤维被拉出。在加载过程中产生纤维断裂的声音。如图所示12 (c)，三层中的裂纹位置不同，至少有一层在搭接处被破坏。试样瞬间断裂，声音大，裂纹垂直；大量的纤维被拔出。在这个加载过程中，总是会听到纤维断裂的声音。

1层胶带试验组的破坏模式如图所示13.如图所示(13日)试件G-1-R-X裂纹位于外预浸料缠绕带搭接处，试件瞬时断裂，裂纹为垂直裂纹;少量纤维被拉出。在此过程中出现了白色的垂直裂缝，内部胶带状态良好。如图所示13 (b)，试件G-2-R-X的裂纹位于预浸料外包带或内包带的搭接处;试件瞬间断裂，断裂声音大，裂纹垂直。在加载过程中产生了纤维断裂的声音和许多白色的垂直裂纹。胶带损坏时，胶带状态良好，与预浸料缠绕胶带粘接良好。如图所示13 (c)，两个部件的三层裂纹全部连接，且至少有一层裂纹位于搭接过渡位置。试样瞬间断裂，断裂噪音巨大，裂纹垂直。在加载过程中，经常会出现纤维断裂和白色垂直裂纹的声音。橡胶带状况良好，损坏时与预浸料包装带粘合良好。

2层胶带试验组的破坏模式如图所示14.如图所示(14日)，试件G-1-2R-1裂纹出现在非搭接接缝处;试件瞬间断裂，产生锯齿状裂纹。在此加载过程中出现白色垂直裂纹。橡胶带状况良好。如图所示14 (b)，试件G-2-2R-1裂纹位于外预浸料缠绕带搭接处;试件瞬间断裂，断裂声音大，外裂纹垂直。在加载过程中产生了纤维断裂的声音和许多白色的垂直裂纹。胶带损坏时，胶带状态良好，与预浸料缠绕胶带粘接良好。如图所示14 (c)，这三层的裂缝彼此不重合。不是所有的人都在接头处。试件瞬间断裂，产生锯齿状裂纹。破碎的噪音很大。在加载过程中经常会出现纤维断裂和白色垂直裂纹的声音。胶带损坏时，胶带状态良好，与预浸料缠绕胶带粘接良好。

3．2.荷载位移曲线

带和不带胶带试件的周向承载力-径向位移曲线对比如图所示15．无胶带试验组的周向膨胀结果见表3.．

根据表中2层橡胶带与1层橡胶带试件周向膨胀试验对比结果4结果表明:与采用1层橡胶带的试件相比，采用1层橡胶带时，2层橡胶带试件的周向承载力提高了10.19%，径向位移提高了10.09%;与1层胶带相比，2层胶带缠绕预浸料层时，试件的周向承载力提高了3.8%，径向位移提高了11.26%;当3层预浸料包覆在试件外围时，与1层胶带相比，2层胶带试件的周向承载力提高了12.15%，径向位移提高了7.06%。可以看出，随着胶带层数的增加，试件径向位移增大，但增大速率逐渐减小。

由表可得预浸料包覆层和胶带层数变化对试件周向承载力和径向位移的贡献5；预浸层数的变化比胶带层数的变化对环向承载力的影响更大。当胶带层数相同时，预浸料层数1 ~ 2对环向承载力的影响大于预浸料层数2 ~ 3对环向承载力的影响。胶带层数的增加也增加了试件的周向承载力，但没有明显的规律可循。当预浸料层数相同时，2 ~ 3层预浸料层数对径向位移的影响大于1 ~ 2层预浸料层数对径向位移的影响。但随着胶带用量的增加，这一趋势逐渐下降。当预浸料层数相同时，胶带层数从0到1的变化大于胶带层数从1到2的贡献，且该趋势在预浸料层数为2时最为显著。

3．3.周向应变-径向位移曲线

本节只选取各组代表性试件的周向应变-径向位移曲线。分析了相同预浸层数下胶带层数的变化对胶带层数的影响。

从图中1层预浸料包裹试样的周向应变-径向位移曲线可以看出16越靠近裂纹位置，应变值越大。在所有应变计中，试样搭接接头的应变值最小。在加载过程中，还存在非破坏位置应变突然增加的现象。这主要是由于内部纤维褶皱瞬间拉伸或内部纤维织物断裂所致。构件的径向位移为2.44 mm不带橡胶带，2.58 1层胶带为mm，2.72 当部件的破坏应变达到95%时，2层橡胶带为mm。随着橡胶带层数的增加，部件损坏时的径向位移变大。

从图中2层预浸料包覆试件的周向应变-径向位移曲线可以看出17加载初期构件的应变值较小，这是由于加载装置构件的压实作用造成的。当外部预浸料包覆层增加到2层时，径向位移随着胶带数量的增加而增大。当两层预浸料包覆层破坏应变达到95%时，构件无胶带时径向位移为2.31 mm，单层胶带时径向位移为3.28 mm，双层胶带时径向位移为3.95 mm。试件靠近破坏位置处的应变值最大，重叠部分的应变值较小。

从图中3层预浸料包覆试件的周向应变-径向位移曲线可以看出18加载初期构件的应变值较小，这是由于加载装置构件的压实作用造成的。在加载过程中，大多数位置的值显著地线性增加。与前两组相似，胶带层数的增加显著影响试件断裂时的径向位移。随着胶带层数的增加，构件破坏应变达到95%时，无胶带时构件径向位移为3.18 mm，单层胶带时构件径向位移为4.04 mm，双层胶带时构件径向位移为4.51 mm。与前两组相似，接近破坏位置的试样应变值最大，重叠部分的应变值较小。

4.主电缆的膨胀力

本文对新型悬索桥主缆保护系统的主要研究方向是抵抗主缆受温度影响的膨胀性能。因此，本节从主电缆的扩展开始，重点介绍主电缆的平面扩展。主缆的温度应力可根据以下公式求得:

是环境的最大温差，为主缆的线膨胀系数，为主缆钢丝的弹性模量，是主缆的温度应力，和为主缆的温度应变。

主缆的温度应力可计算为:

针对主缆在平面上受温度影响的膨胀，主缆沿圆周方向的膨胀力主要集中在单位厚度的保护系统的环上，因此取值为以及主电缆保护系统受温度影响的膨胀力可以通过以下方式计算:

因此，主电缆横截面的线性膨胀力是 kN。

根据力平衡对碳纤维布护套约束混凝土抗压性能的影响[25]时，可得到约束护套应力与周向应力的关系，可用于计算主缆约束FRP护套的约束应力周向拉应力。FRP护套的约束应力和周向应力示意图如图所示19．

是约束应力，为周向应力，玻璃钢护套的厚度，和为主电缆的直径。

当温差达到 ，主缆在温度载荷下所产生的应力 ．故周向应力可由下式求得:

当通过材料特性试验测得的预浸料片材的抗拉强度小于周向应力时 ，仅使用预浸料缠绕带不能满足保护系统的要求。主缆变形的能量被橡胶带的变形所吸收，从而减少对玻璃钢缠绕带的作用力。

采用主缆线膨胀系数计算主缆的横截面变形:

是主电缆横截面的半径应变，主缆膨胀后的半径，和为主电缆扩容前的半径。

查询相关参数，主缆的线膨胀系数为 ，最大温差为60℃。

主缆膨胀前后的半径差值为0.108 mm。除了温度变形外，主缆还会因主缆的晃动和振动而变形;使用橡胶带可以起到减震的作用。由主缆膨胀试验可知，胶带层由0增加到1时，预浸料包覆保护系统1、2、3层径向位移分别增加0.39 mm、0.71 mm、0.59 mm。可以看出，当外预浸层为2时，内胶带径向位移增量最大，增量也大于主缆变形量0.108 mm，可以满足主缆变形要求。

5.结论

本文研究了新型悬索桥主电缆保护复合包装系统的周向膨胀试验。比较了不同预浸料包装和有或没有橡胶带的保护系统的失效模式。基于理论分析，推导了圆周膨胀力作用下试样的圆周承载力和径向位移的理论值。相应的主要结论总结如下：（1)设计了主要电缆保护系统的周向扩展实验方案。比较和分析了具有不同预浸料包层和橡胶带层的部件的故障模式。通过橡胶带层的增加，组件的径向位移是最明显的影响。当添加橡胶带层时，增加主电缆的变形，并且该部件具有更大的变形冗余，这延迟了外部预浸料包裹的最终应变。在主电缆的变形之后，整个系统可以更好地变形（2)预浸料包覆层数的变化对周向容量的影响较大。当胶带层数相同时，随着预浸料层数的增加，胶带周向承载力增长速率逐渐减小;相反，径向位移的增长速率逐渐增大。当预浸料层数为2、橡胶带层数为1时，径向位移和周向承载力的增长速率最大（3)加载初期，构件的应变值较小;在加载过程中，大多数位置的值显著地线性增加。试件靠近破坏位置处的应变值最大，重叠部分的应变值较小（4)当通过材料特性试验测得的预浸料片材的抗拉强度小于周向应力时 ，仅使用预浸料缠绕带不能满足保护系统的要求。当引入橡胶带时，构件产生更多的冗余变形，延迟了外预浸料缠绕带极限应变的到达，使整个系统更好地跟随主缆变形

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

基金资助:国家自然科学基金项目(No. 51778285);江苏省自然科学杰出青年基金项目(No. 51778285);国家重点研发计划(2019YFD1101205)和南京工业大学青年创新研究群体基金资助项目。

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