大跨徑鋼橋鋼箱梁銹蝕病害分析及養(yǎng)護措施

祝 龍

(遼寧省交通運輸事業(yè)發(fā)展中心 沈陽市 110005)

0 引言

近幾年來我國公路鋼橋處于飛速發(fā)展階段，突破了跨越大江大河的障礙，大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)速度及規(guī)模已處于世界領(lǐng)先地位。我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)飛速發(fā)展的同時在役橋梁出現(xiàn)涂層劣化、鋼板銹蝕、焊縫開裂等病害，導(dǎo)致耐久性降低、使用壽命縮短、維護成本過高等問題，從而加強橋梁運營期養(yǎng)護管理已成為鋼結(jié)構(gòu)橋梁亟待解決的問題。鋼結(jié)構(gòu)會因遭受銹蝕而使凈截面積減小，相應(yīng)的應(yīng)力會增大，從而降低鋼梁的承載能力，嚴重情況下還會導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生斷裂，影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全及使用壽命。由于銹蝕是導(dǎo)致橋梁上部結(jié)構(gòu)退化的主要原因，因此對鋼箱梁的銹蝕與防護問題進行研究。

1 鋼箱梁銹蝕病害

1.1 鋼箱梁銹蝕機理

鋼材腐蝕主要為電化學(xué)腐蝕(也稱為濕腐蝕)，是由于鋼材表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生破壞。鋼材發(fā)生電化學(xué)腐蝕前提為鋼材處于腐蝕介質(zhì)中，加上鋼材本身物理及化學(xué)性質(zhì)的不均勻性構(gòu)成腐蝕電池。在電化學(xué)腐蝕過程中，鋼材中的鐵元素作為腐蝕電池的陽極會失去電子，經(jīng)過一系列的反應(yīng)最終形成鐵銹[1]。電化學(xué)腐蝕中吸氧腐蝕較為常見，吸氧腐蝕是由于鋼鐵表面水膜溶有O2，O2的電子被還原成為OH—，見式(1)和式(2)所示。

2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2

(1)

(2)

由銹蝕機理可以看出，電化學(xué)反應(yīng)一旦生成之后，腐蝕速度會越來越快，如在海洋環(huán)境空氣濕度較高，使O2附著于鋼板表面，形成很強的電解溶液，為鋼板電化學(xué)腐蝕創(chuàng)造最佳環(huán)境。

1.2 銹蝕原因

影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁銹蝕因素較多，分為環(huán)境因素、構(gòu)造因素、施工因素及養(yǎng)護因素等多方面。主要對構(gòu)造、施工及養(yǎng)護管理各個方面進行深入研究，以便從根本上減少銹蝕病害發(fā)生的條件。

1.2.1構(gòu)造因素

橋梁構(gòu)造取決于設(shè)計階段，設(shè)計階段在橋梁使用壽命中占有主導(dǎo)地位，不僅要考慮橋梁受力還需關(guān)注橋梁的養(yǎng)護，目前橋梁設(shè)計理念保證橋梁滿足正常使用極限狀態(tài)、承載能力極限狀態(tài)及交竣工驗收標準。這種設(shè)計思想導(dǎo)致對耐久性考慮不足，使橋梁在使用過程中很容易出現(xiàn)耐久性差、使用性能低等問題。目前的鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計主要存在的不足之處：

(1)鋼橋?qū)儆谳p型薄壁結(jié)構(gòu)、強度高、跨域能力大，同時鋼橋與混凝土橋梁相比變形較大。在運營過程中為保證行車的舒適性及安全性，鋼橋需設(shè)置較多的縱橫向加勁肋，形成較多的尺寸較小的封閉箱室，導(dǎo)致運營期間很難做到近距離養(yǎng)護。

(2)設(shè)計階段為了追求結(jié)構(gòu)形式的新穎和創(chuàng)新，忽略了施工可操作性及檢查維護的方便性，導(dǎo)致橋梁施工質(zhì)量不足，日常養(yǎng)護不能及時發(fā)現(xiàn)處理病害，給橋梁腐蝕留下隱患。

(3)鋼橋防護涂裝設(shè)計時未考慮區(qū)域特點，設(shè)計時參考其他橋梁的防腐涂層及規(guī)范要求前提下，選用造價成本低廉材料，導(dǎo)致防護涂裝過早地失去防腐效果，出現(xiàn)相應(yīng)病害。

1.2.2施工因素

施工質(zhì)量好壞決定了橋梁的使用壽命，因此橋梁施工是保證橋梁安全及耐久性的關(guān)鍵因素。近年來我國橋梁數(shù)量及施工技術(shù)水平已經(jīng)邁入了橋梁大國行列之中，但施工方面仍存在很多不足之處值得改進，主要體現(xiàn)以下問題：

(1)施工隊伍不規(guī)范。大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建造過程都是通過一個一個鋼梁節(jié)段焊接而成，部分加勁肋通過栓接，但在施工細節(jié)上仍然存在很大疏漏，如焊縫中存在未焊滿、未熔合、氣孔、夾渣、咬邊等缺陷，不僅削弱了焊縫面積，在使用過程中極容易引起應(yīng)力集中導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋[2-3]。

(2)施工組織管理混亂。目前我國大型橋梁施工組織上基本都存在層層分包現(xiàn)象，各個單位的技術(shù)水平及人員配置參差不齊，導(dǎo)致一座橋的整體質(zhì)量難以控制，特別在交叉作業(yè)處或相互銜接部位，而且這些部位往往是橋梁受力最不利位置或關(guān)鍵部位。

1.2.3養(yǎng)護因素

鋼結(jié)構(gòu)橋梁日常養(yǎng)護大大降低了病害的發(fā)生，目前我國特大橋及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的橋梁基本都進行日常養(yǎng)護工作，但仍存在的主要問題有：

(1)隱蔽構(gòu)件檢查不徹底，如箱室內(nèi)錨具是否存在漏水、銹蝕等病害，必要時需要打開錨具后蓋檢查錨杯是否積水、銹蝕等，這些部位的漏水得不到及時處理很容易引起周圍的鋼箱梁銹蝕。

(2)養(yǎng)護隊伍不專業(yè)，沒有科學(xué)的管養(yǎng)體制和健全的技術(shù)培訓(xùn)，好多養(yǎng)護隊伍在鋼箱梁內(nèi)進行橋梁養(yǎng)護時很隨意，如鋼箱梁銹蝕處理時，未進行鋼板打磨就直接涂刷防腐涂層等現(xiàn)象[4]。

(3)維修不及時或者不進行維修，由于各種原因經(jīng)費不充足導(dǎo)致無法進行養(yǎng)護維修，從而加劇了銹蝕病害的發(fā)展。

1.2.4環(huán)境因素

環(huán)境因素對鋼橋病害的產(chǎn)生起到重要作用，比如大氣中有害氣體、含有酸性物質(zhì)的雨水、海洋環(huán)境等因素均促使鋼橋發(fā)生銹蝕病害，大大降低橋梁耐久性和防腐涂層的使用年限，因此橋梁需采取一定措施盡量降低環(huán)境因素對鋼橋耐久性的影響，如箱梁內(nèi)安置除濕機、箱梁安裝密封門等[5]。

因此為了減少鋼橋銹蝕病害，應(yīng)從設(shè)計、施工、養(yǎng)護管理等各階段著手，在設(shè)計階段做好結(jié)構(gòu)細部設(shè)計，施工階段做好防腐涂層涂刷質(zhì)量，養(yǎng)護階段要做到早發(fā)現(xiàn)早處理，從而可以有效避免或抑制后期可能發(fā)生的銹蝕病害。

2 工程實例

2.1 工程概況

以濱海公路遼河大橋作為依托工程，位于營口、盤錦兩市交界遼河入海口處。主橋采用雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋(見圖1)，其跨徑布置為(62.3+152.7+436+152.7+62.3)m，主橋長866m，主跨處于R=13000m的凸形豎曲線上。主梁為扁平流線形鋼箱梁，其頂板為正交異性板結(jié)構(gòu)，鋼箱梁具體構(gòu)造尺寸見圖2，鉆石型索塔。大橋地處溫帶，東南臨太平洋，西北靠歐亞大陸，氣候受季風(fēng)影響很大；且靠近渤海，鹽分含量高，海鹽粒子吸收空氣中的水分后比較易在金屬表面形成液膜，從而引起腐蝕。

圖1 遼河大橋主橋全景圖

圖2 鋼箱梁截面圖

2.2 原涂裝體系

遼河大橋涂裝面積大、維修工作量大且工作條件惡劣、養(yǎng)護成本高，因此設(shè)計時采用了耐腐蝕壽命長的防腐涂層，以降低維護費用。本次主要研究鋼箱梁內(nèi)部防腐涂層，其涂裝體系見表1。

表1 鋼箱梁內(nèi)部涂層體系

2.3 鋼箱梁銹蝕病害

對遼河大橋鋼箱梁內(nèi)部腐蝕情況進行全面檢查，發(fā)現(xiàn)鋼箱梁內(nèi)部頂?shù)装寰嬖诟g；鋼箱梁外部涂層能見輕度均勻變色和輕微粉化，底板有點狀銹蝕及泡狀銹蝕。

本次檢測根據(jù)銹蝕程度分為嚴重銹蝕(涂層因銹蝕大面積銹蝕)、中度銹蝕(涂層出現(xiàn)局部銹蝕)及輕度銹蝕(涂層表面存在浮銹)。嚴重銹蝕占箱梁內(nèi)部總面積1.2%，中度銹蝕占箱梁內(nèi)部總面積0.7%。

2.4 維修方案

對檢查數(shù)據(jù)分析，鋼箱梁內(nèi)表面未出現(xiàn)銹蝕的面積占有絕大部分，如去除全部原有涂裝不僅費時費力而且造價增加好幾倍，因此決定對鋼箱梁內(nèi)表面進行局部銹蝕處理。結(jié)合遼河大橋鋼箱梁內(nèi)的溫濕度、工作環(huán)境、防腐要求以及經(jīng)濟指標對比分析，最終確定鋼箱梁銹蝕維修的涂裝方案[6]：

(1)對箱梁內(nèi)表面局部銹蝕部位，采用手工清除銹跡，隨后在鋼表面涂上新的防腐涂層。

(2)對鋼箱梁表面針頭狀銹蝕的部位，直接清除粉化層，涂紅丹油性底漆兩道，然后全部覆蓋面漆兩道。

2.5 養(yǎng)護措施

根據(jù)本橋的實際情況，按照檢查范圍、深度、方式和檢查結(jié)果的用途等不同，橋梁檢查可歸納為下列三類，即日常巡查、定期檢查和特殊檢查。由于箱梁內(nèi)部處于封閉環(huán)境中，并設(shè)置了抽濕系統(tǒng)，可保證箱內(nèi)相對濕度小于50%，防腐壽命要求為50年。

針對大橋制定專有預(yù)防性養(yǎng)護方案，預(yù)防性養(yǎng)護主要為了延緩病害發(fā)生時間，抑制病害進一步發(fā)展。預(yù)防性養(yǎng)護可以大大降低病害發(fā)生的概率，減小病害處理難度，有利于節(jié)約養(yǎng)護成本。

3 結(jié)論

針對目前國內(nèi)鋼箱梁養(yǎng)護管理經(jīng)驗不足的現(xiàn)象，總結(jié)了鋼箱梁的病害類型，并分析了成因，基于濱海公路遼河大橋提出了相應(yīng)養(yǎng)護措施，主要結(jié)論如下：

(1)鋼箱梁病害的成因主要有材料、設(shè)計、施工、養(yǎng)護及運營荷載和意外事件等。就目前狀況來看，設(shè)計技術(shù)還有較大提升空間，需注意設(shè)計采用的鋼板厚度及防腐設(shè)計細節(jié)等。

(2)及時全面地了解鋼箱梁的病害，并進行處理，是養(yǎng)護管理工作的重要內(nèi)容，可以有效避免病害進一步惡化。

(3)對濱海公路遼河大橋鋼箱梁銹蝕和維修進行分析研究，提出了鋼箱梁內(nèi)部涂裝維護方案。采用該方案不僅可以節(jié)約維修成本，而且能夠取得良好的防護效果，可為類似工程的提供借鑒。