某沿海懸索橋溫、濕度監測數據分析

吳正峰 鄭舟軍

(浙江交工高等級公路養護有限公司 杭州 310000)

1 工程概況

某橋是連島工程中技術要求最高的一座特大型跨海橋梁，主橋為兩跨連續半漂浮加勁梁懸索橋，主跨1 650 m。位于浙江省北部沿海舟山市境內，地理坐標位于東經121°55(E)和北緯30°05′(N)。該橋地處北亞熱帶，屬東亞季風氣候區，受冬夏季風影響，全年四季分明，氣候溫和濕潤，降水充沛。

該橋主橋加勁梁的形式為扁平流線形分離式雙箱斷面，2個封閉鋼箱橫橋向拉開距離為6 m，用橫向連接箱梁和橫向連接工字梁加以連接。加勁梁標準梁段長度為18 m。全橋共劃分126個梁段：北邊跨標準梁段24個，中跨標準梁段84個，北邊跨合龍段1個，中跨合龍段2個，其余特殊梁段15個。橋塔為門式框架結構，其中北塔由2個塔柱和2根橫梁組成，南塔由2個塔柱和3根橫梁組成。共有南、北2個錨碇，共4個錨室，錨碇由前錨室和錨塊、散索鞍支墩及基礎構成，形成完整的空間受力結構。

在大橋建設期，設計單位根據大橋結構各部位的內部通風狀況和除濕需求共設計布置了22臺除濕設備，其中加勁梁內部除濕設備主要布置在JJL007、JJL031、JJL065、JJL095、JJL119梁段，左、右箱室各1臺，共計10臺除濕設備；主索鞍上部署了4臺除濕設備，分別部署在南、北塔東西鞍罩；錨碇內部里共部署了8臺除濕設備，南、北錨左、右室各布置2臺。見圖1。

圖1 除濕機布置分布圖

2 橋位外界環境溫、濕度

該橋跨中橋面2019年全年溫、濕度測點數據見圖2、圖3，傳感器位于中跨箱梁外部。

圖2 橋梁主跨橋面溫度曲線

圖3 橋梁主跨中橋面相對濕度曲線

由圖2、圖3可知，大橋所處位置的氣溫全年主要在0～30 ℃，平均溫度為13.3 ℃。其中當日溫度達到30 ℃以上的有9 d，溫度為20～30 ℃的有100 d，溫度為10～20 ℃的有152 d，溫度為10 ℃以下的104 d。大橋所處位置的濕度主要為40%～100%，年平均濕度達到79.3%。濕度超過80%的有288 d、濕度為60～80%的有50 d，濕度低于60%的有27 d。根據溫、濕度數據分析，大橋所處位置亞熱帶海洋性氣候特征明顯，全年溫度適中，但濕度較大。

橋梁外界環境決定了結構材料的腐蝕速度，也一定程度決定了結構耐久性和承載能力[1]。GB/T 15957-1995 《大氣環境腐蝕性分類》規定，相對濕度RH>75%屬于潮濕型環境，相對濕度RH<60% 屬干燥型大氣環境，另外還對大氣中腐蝕性物質含量進行分類，根據環境氣體類別對應得到可參考的腐蝕類型和腐蝕速度。也有文獻考慮海洋環境大氣氯離子含量等的影響，分析纜索鋼絲的腐蝕速度[2-3]。由于大橋只監測了溫濕度、風力、風向等外界環境參數，并沒有對腐蝕性物質含量進行監測。因此，對材料腐蝕速度的評價需要采用其他方式。

文獻[4]對溫度和相對濕度環境下未鍍鋅高強鋼絲的腐蝕速率譜進行了研究，試驗結果表明，環境相對濕度70%、溫度10 ℃以下區域,腐蝕速率數量級為1×10-6g/(dm2·h)，可歸為弱腐蝕區；相對濕度75%以下、溫度20～50 ℃區域，腐蝕速率數量級小于1×10-4g/(dm2·h)，可歸為低腐蝕區；相對濕度75%以上、溫度10～50 ℃區域，腐蝕速率數量級大于1×10-4g/(dm2·h)，可歸為強腐蝕區。參照文獻[4]分類標準，對全年監測數據統計分類，其環境溫、濕度分類及頻率見表1。

表1 橋梁外界環境溫、濕度分類表

由表1可見，該橋處于較惡劣的強腐蝕區環境中，需對橋梁結構關鍵部位進行針對性的防護。

3 加勁梁內部溫、濕度狀況

該橋2 228 m的加勁梁是相對封閉的結構，雖在加勁梁兩端和每個節段風嘴上方布置有檢修孔或檢修通道，但這些檢修通道日常均呈關閉狀態。橋梁建設時，在其內部布置了10臺除濕設備以降低室內的濕度，當相對濕度低于45%時除濕機自動關閉，超過時則運行除濕工作。橋梁健康監測系統在中跨JJL069梁段布置了溫濕度傳感器，傳感器收集2019年全年的溫度變化數據見圖4。

圖4 中跨JJL069梁段截面箱室內溫度

由圖4可見，加勁梁內部的溫度變化趨勢與環境溫度基本一致，數據分析表明箱室內年平均溫度為20.3 ℃，最高溫度為42 ℃，最低溫度為3.4 ℃，溫度在30 ℃以上的有51 d，溫度在20～30 ℃的有141 d。夏季高溫內部溫度較外界溫度高10 ℃左右，主要是封閉空間不利于散熱造成。冬季低溫時內部溫度較外界高6 ℃，主要是由于除濕機運行過程中產生發熱和封閉空間的保溫效果。

2019年全年濕度變化數據見圖5。

圖5 中跨JJL069梁段截面箱室內相對濕度

由圖5可見，2019年第一季度，加勁梁除濕機升級改造，導致部分除濕機暫停運行，因此該季度室內濕度受外界環境影響較大。期間總體相對濕度為30%～70%，小于外界環境濕度，平均相對濕度為47.9%，相對濕度45%以上的有80 d。其他時段，箱室內年平均相對濕度為42.3%，最高相對濕度為70.4%，最低相對濕度為15.3%，相對濕度45%以上的有83 d。

綜上，單從溫、濕度監測數據分析，加勁梁內部是低腐蝕的環境空間，內部腐蝕速率應很慢。

根據2019年橋梁定期檢查報告，發現該橋33個加勁梁節段出現了較大面積的霉斑，說明這些節段所處的環境存在一定的腐蝕性，具體位置見圖6。

圖6 加勁梁除濕機和霉斑位置分布圖(單位：m)

歸納總結，發現大部分霉斑出現的位置與除濕機的位置比較接近，除了箱梁內部涂裝體系存在問題外，分析其原因如下：①加勁梁內部空間，晝夜存在較大溫差，溫度降低，內部壓強和絕對濕度基本不變，相對濕度則增加，多余的水蒸氣容易凝結在鋼結構表面；②鋼箱梁內部除濕機間隔較遠，內部隔斷較多，導致干燥空氣無法正常流動至各個節段；③每個節段兩側的檢修孔沒有完全封閉，除濕機位置有排氣孔，存在外界濕潤空氣滲入；④除濕機作業產生熱量，導致附近節段溫度升高。綜上所述，因此需要檢查發生霉斑位置的檢查孔和排氣孔的密封是否良好，建議除濕機在降溫過程中保持工作狀況，箱梁內部干燥空氣循環系統持續流通。

4 錨碇室內溫、濕度狀況

橋錨室是大橋的關鍵部位，內部空間大，主纜鋼絲裸露的表面積也最大，內部溫、濕度控制要求也高。通過分析錨室內2019年溫、濕度監測數據，錨室內環境濕度大部分時間在40%～45%，即大部分位于低腐蝕區到弱腐蝕區之間，具體見圖7。其中北錨右室有28 d(占7.67%)處于強腐蝕區環境，每周1次的經常性檢查也證實該情況的存在，建議加強觀測并及時采取措施。

圖7 錨室腐蝕區監測次數統計圖

5 主索鞍內部溫、濕度狀況

該橋在主索鞍處均布置了除濕機，監測系統未布置溫濕度傳感器，采用經常性檢查進行數據分析。在48次檢測中，南塔西鞍罩處于弱腐蝕區的有2次(占4%)、低-弱腐蝕過渡區的有11次(占23%)、低腐蝕區的有35次(占73%)；南塔東鞍罩處于弱腐蝕區的有2次(占4%)、低-弱腐蝕過渡區的有14次(占29%)、低腐蝕區的有32次(占67%)；北塔西鞍罩處于弱腐蝕區的有1次(占2%)、低-弱腐蝕過渡區的有16次(占33%)、低腐蝕區的有31次(占65%)；北塔東鞍罩處于弱腐蝕區的有2次(占4%)、低-弱腐蝕過渡區的有14次(占29%)、低腐蝕區的有32次(占67%)。綜上所述，主索鞍部署的除濕系統使鞍罩

內總體處于一個低腐蝕區的環境。主索鞍腐蝕區監測結果見圖8。

圖8 主索鞍腐蝕區監測次數統計圖

6 結論

1) 該橋地處亞熱帶海洋性氣候區，其外界環境溫、濕度監測結果表明，結構物處于強腐蝕區，對關鍵部位的結構耐久性和承載力構成較大風險，必須在設計過程中布置除濕系統。

2) 在大橋加勁梁內部布置除濕系統，對降低箱室內濕度有一定作用，但仍發現局部位置產生霉斑。建議在箱梁內部可通過布置除濕機建立可通達各部位的內部干燥空氣循環系統，并應保持不間斷運行。

3) 監測發現北錨右室溫、濕度狀況有7.67%概率處于強腐蝕環境，建議加強觀測并及時采取措施。