大跨度跨海斜拉橋鋼箱梁典型病害分析

林國華 邱業亮

摘要：鋼箱梁具有重量輕、施工便捷、環境影響小及經濟性好的優點，在斜拉橋尤其是跨海斜拉橋中廣泛采用。由于海洋性大氣環境惡劣，對橋梁結構的腐蝕作用強，導致跨海大橋的鋼箱梁結構病害頻發，如鋼箱梁腐蝕、涂裝劣化、鋼箱梁疲勞裂紋及鋼箱梁變形過大等，對跨海斜拉橋的正常運營和維護帶來了不利影響。因此，本文對跨海斜拉橋在海洋大氣環境中鋼箱梁的典型病害情況進行分類，并對各種類型病害的成因進行分析，在此基礎上提出對應的維護技術措施，所得結論可為同類型跨海斜拉橋鋼箱梁的設計和維護提供一定參考。

關鍵詞：跨海斜拉橋;鋼箱梁;典型病害;維護

鋼箱梁自重輕、強度高、制作施工速度快及經濟性好，在大跨徑橋梁尤其是跨海大橋中有著廣泛的應用。同時，鋼箱梁截面高度較小，可以有效增加橋下凈空，在通航和凈空要求高的跨河及城市橋梁中也有廣泛應用[1]。對于采用鋼箱梁結構的跨海及跨河的橋梁，由于所處環境濕度較大，環境大氣中可能含有腐蝕成分，容易導致鋼箱梁腐蝕病害的發生。而鋼箱梁的腐蝕又加劇了涂裝劣化，引起鋼箱梁關鍵部位產生應力集中以及構件強度降低，導致疲勞裂縫的產生[2]。

同時，鋼箱梁構造復雜、焊縫眾多，內部缺陷難以避免，反復的車輛荷載及超載作用下，會發生疲勞開裂。疲勞裂紋產生機理復雜，初期不易發現，檢測及修復困難，且修復成本高，是影響鋼箱梁橋運營安全的最嚴重的病害。同鋼橋類似，鋼箱梁的主要病害：鋼材腐蝕、涂層劣化和疲勞裂縫不是單獨存在，三者之間緊密聯系，并相互影響[3]。雖然針對鋼箱梁橋的腐蝕和疲勞裂縫有不同的預防措施，但以上病害仍無法避免，且普遍存在，為橋梁的正常運營及養護帶來了挑戰。因此，本文對鋼箱梁的鋼材腐蝕、涂層劣化及疲勞開裂的類型及成因進行分析，并提出相應的養護技術措施，所得結論可為類似鋼箱梁結構跨海斜拉橋的運營及養護提供參考。

1 鋼箱梁的腐蝕及養護

1.1鋼箱梁腐蝕的類型

腐蝕是鋼箱梁的主要病害之一。盡管橋梁很少因腐蝕出現倒塌事故，但鋼箱梁腐蝕直接影響到橋梁的壽命。鋼箱梁的腐蝕類型很多，依據腐蝕的外觀情況，可分為點蝕、均勻腐蝕、縫隙腐蝕三種。螺栓腐蝕在鋼板腐蝕分類是作為縫隙腐蝕的一種，由于縫隙腐蝕會造成疲勞，產生應力集中，對鋼箱梁的影響較螺栓腐蝕嚴重。螺栓腐蝕維修簡單，而縫隙銹蝕維修較為復雜，因此可以將螺栓腐蝕作為第4種腐蝕類型。

1.2鋼箱梁腐蝕成因分析

鋼箱梁的點蝕主要由空氣中的化學離子導致，外觀特征為在梁體個別的點或微小區域出現麻點，蝕孔向縱深方向發展，其余區域基本不腐蝕;均勻腐蝕則有周圍的大氣環境和腐蝕性的化學離子共同產生，表征為在箱梁表面產生均勻減薄的腐蝕現象;縫隙腐蝕是由腐蝕性的化學離子和結構應力共同作用下導致的，在裂縫的局部范圍內引起縫隙內金屬的加速腐蝕，使螺栓構件松動和破壞;螺栓腐蝕主要是由于大氣中的腐蝕性環境引起的的螺桿、螺母及螺栓孔的腐蝕。

1.3鋼箱梁腐蝕的養護措施

鋼箱梁的防腐技術主要包括腐蝕的預防以及產生腐蝕后的維護，具體針對涂層劣化和局部腐蝕兩大病害。大跨橋梁往往處于江河湖海地區，鋼箱梁外表面和內表面的溫濕度差異較大，因此對于鋼箱梁防腐技術而言，外表面和內表面的防腐應作區別對待。

鋼箱梁外表面的防腐涂裝通常由底層、封閉層、中間層和面層組成。底層起到鈍化、屏蔽鋼鐵表面的作用，通常采用無機或有機富鋅涂層;封閉層是對底層的空隙進行封閉，降低底層的電化學腐蝕率，一般采用環氧云鐵、環氧鐵紅等;中間層可增加涂料厚度，在底漆和面漆之間其承上啟下的作用;面層用于保護底層和中間層，延緩腐蝕的發生時間，通常采用氯化橡膠和聚氨脂兩大類。

箱梁內部通風差，濕氣的聚集會導致涂層的起泡銹蝕等，另外鋼箱梁內部的疲勞開裂也會對涂層造成破壞，進而產生腐蝕。因此，對于鋼箱梁內部，在防腐涂層的基礎上，安裝相應的除濕系統是目前大跨度鋼箱梁內防腐的主要技術手段。

2 鋼箱梁的涂層劣化及養護

2.1涂層劣化的類別及成因

鋼箱梁長期暴露在空氣中，為了減少空氣中水汽對鋼材的腐蝕，通常在鋼箱梁表面進行涂裝，兼具鋼箱梁的裝飾效果，鋼箱梁配套涂層的使用壽命應達10年以上。隨著使用時間的增加，鋼箱梁受大氣中腐蝕物質的侵蝕，涂層發生老化、變質，即涂層劣化，如圖2所示。

鋼箱梁涂層的劣化主要表現為涂層粉化、起泡、裂紋、脫落、銹蝕等形式[5]。由于涂層長期暴露在大氣中，表面已發生老化，涂層中的色相原料在紫外線作用下易發生變質，原料的分子結構產生分解成粉狀，涂層出現白色或深色粉狀物。銹蝕是涂層劣化最嚴重的一種破壞類型，是涂層破壞后底層鋼板的銹蝕，分為非鼓泡產生的銹蝕和鼓泡裂縫產生的銹蝕，以及涂裝開裂或破壞產生的銹蝕。涂層劣化引發的銹蝕主要有針孔銹斑、點狀銹蝕、泡狀銹蝕和片狀銹蝕等類型。

除上述類型外，涂層劣化還包括鋼箱梁制作、安裝階段產生的刮傷、變色、熏黑等缺陷[6]。

2.2涂層劣化的維護

依據鋼箱梁劣化的具體情況，劣化維護可分為局部維修涂裝、整體維修涂裝和重新維修涂裝三種情況[7]。

對于局部發生涂裝劣化的鋼箱梁，僅對發生腐蝕的區域表面進行處理，然后按照完整的涂裝規格對已處理的區域進行的涂裝。局部維修涂裝主要包括清理和重新涂裝被銹蝕的區域，該維護措施適用于劣化面積較小且涂裝具有充足粘結力的部位。

整體維修涂裝首先需要對劣化的區域表面進行除銹、清理等處理，然后按照完整的涂裝規格對整個結構進行翻新涂裝。

重新維修涂裝是徹底清除原有涂層、進行表面處理后，按照完整的涂裝規格對整個結構進行的涂裝。

3 鋼箱梁的疲勞裂縫

3.1疲勞裂縫的類型

鋼箱梁疲勞裂紋產生機理復雜，初期不易發現，檢測及修復困難，一旦發生則難以修復，是影響鋼箱梁橋運營安全的最嚴重的病害。

隨著裂紋檢測技術的進步，對斜拉橋鋼箱梁疲勞裂紋的認識逐漸深入。斜拉橋鋼箱梁存在縱向水平力，內部常常采用縱隔板進行剛度加強與內力分布的調整，桁架式縱隔板鋼管裂紋為斜拉橋特有裂紋，也是斜拉橋的主要裂紋。此外斜拉橋在長期交通荷載作用下，鋼箱梁外腹板可能出現疲勞損傷。無論采用何種橋梁結構形式，鋼箱梁橋面板都是疲勞敏感區。據統計，常見的鋼箱梁裂紋主要有以下幾類：U肋的U形裂縫、橫隔板上的裂縫、U肋與橋面板及橫隔板處焊縫開裂等[8]。

3.2疲勞裂縫產生的原因

影響疲勞性能的因素主要有構造細節、應力幅、材料特性和環境等，其中構造細節是疲勞裂縫位置和裂紋擴展速率的決定性因素。

（1）U肋的U形裂縫

扁平鋼箱梁頂板和U肋相當于支承于彈性支座上的多跨梁，直接作用于U肋和頂板的局部輪壓荷載，在中部導致頂板和U肋的聯合撓曲，進而在焊接裂縫處出現疲勞裂紋，向下發展直至貫通，見圖4。在較大的豎向輪壓荷載作用下，端部橋面板和U肋的焊接處將產生較大的固端彎矩，并帶有高度的應力集中，從而導致焊縫開裂。

（2）橫隔板上的裂縫

橫隔板開裂的主要原因是正交異形鋼橋面板在承受重型活載時，該處的局部應力較大引起的疲勞破壞，如圖5所示。橫隔板開裂區域的應力主要由兩部分組成：一部分是車輪荷載直接作用下的局部應力，另一部分是由橫隔板上各U肋穿孔之間的齒形板形成的懸臂梁效應引起的局部應力，后者的應力與橫隔板上緣的水平剪力成正比。U肋過焊孔處橫隔板容易出現應力集中，在活載的反復作用下，最終導致疲勞破壞。

（3）U肋與橋面板、橫隔板處焊縫開裂

在較大的豎向輪壓荷載作用下，橋面板和U肋會產生較大的局部撓曲變形，由于變形的連續性，同時引起了橋面板的面外變形，從而在橋面板與U肋角焊縫的焊趾、焊根處產生次彎矩。在次彎矩的作用下，U肋的焊趾處產生較大的彎曲應力和應力集中，容易造成U肋焊趾，焊根處產生焊縫開裂。如圖6所示。

U肋在橫隔板附近的變形約束剛度要相對大于中間部位，剛度越大，次彎矩應力越大，因此疲勞裂紋通常會在此位置首先開裂。焊縫疲勞裂紋一旦產生，一般呈縱向發育擴展，有些裂紋發展方向會偏離焊趾，向U肋母材擴展，造成母材發生剪切破壞。

（4）設計構造因素

與設計構造因素相關的主要有鋼箱梁鋼材的選擇，橋面板厚度、底板厚度、縱向加勁肋厚度及型式、橫隔板鋼板厚度及型式等鋼箱梁主要設計參數的選擇。

3.3鋼箱梁疲勞裂縫的維護

鋼箱梁的日常檢測對于保證橋梁的正常運營相當重要，對鋼橋運營期間出現的裂紋，常用方法又人工目視檢測法、射線探傷法、超聲波探傷法、磁粉探傷法、滲透探傷法等[10]。當目測發現裂縫出現，評估裂縫的擴展情況，必要時采取緊急維修措施。

對于鋼箱梁母材上的表面及近表裂縫，可以用打磨方法消除，后用磁粉探傷復檢;如果為內部裂紋，可采用截斷面法等來處理。

對于鋼箱梁比較常見的焊縫裂紋，可以采用常規焊接工藝進行處治，根據部位的不同，在焊接時層數的位置有所區別，具體處治措施如下。

（1）橫隔板與構件連接處角裂縫維修

為防止該處的裂紋再次擴展，應在裂縫終端鉆止裂孔，孔直徑一般可取8mm，止裂孔的深度應超過裂紋深度。用直徑10mm或8mm碳棒，氣刨每條裂紋焊縫，刨槽深度超過板厚的2/3，刨槽四面斜邊角應大于10度，底部應圓滑過渡。采用砂輪機將清刨部位進行打磨處理，使坡口面光滑、無飛濺、無夾碳、露出金屬本色。采用手工電弧焊進行焊接，焊接完成后進行碳弧氣刨清根，并可見正面焊縫，打磨干凈后再采用手工電弧焊焊接;焊接后進行外觀報檢，24h后進行超聲波探傷檢測，達到焊接要求。焊縫修補次數應控制不超過兩次，但焊接前必須制定符合規范要求的焊接工藝，由專業焊工進行施焊。

（2）U肋處裂縫維修

U肋開裂的情況。對長度較短，未延伸至U肋底板的裂縫，采用普通的焊接方式對該裂縫進行修補焊接。U肋斷裂的情況。對長度較長，延伸至U肋底板和貫穿的裂縫，可采用U肋替代嵌補法或U肋幫襯加固法。U肋替代嵌補法：將出現開裂范圍的U肋完全割除，兩端切割面垂直，對切割面進行打磨處理后，采用原規格U肋支座等長的嵌補段，進行現場嵌補焊接。U肋與橋面板采用原設計焊縫，U肋間采用內部帶襯板的對接焊縫。焊接應滿足相關規范及原設計文件的要求。U肋幫襯加固法：首先對各裂縫進行修補焊接，然后打磨平整，之后采用特制U肋幫襯段進行現場幫襯與原U肋周邊的圍焊，焊接應滿足相關要求。

4 結語

本文分析了跨海大跨度橋梁鋼箱梁結構的典型病害，主要對鋼箱梁典型病害：腐蝕、涂裝劣化和疲勞裂縫進行了總結分析。對三種典型病害進行分類說明，并對病害的成因進行了分析，可為合理防治鋼箱梁病害進行參考，并在此基礎上提出各類典型病害的檢測和維護方法。所提出的典型病害對應維護技術措施，可為同類型跨海斜拉橋鋼箱梁的設計和維護提供一定參考，也節約了鋼箱梁的運營和維護成本。

參考文獻：

[1]周懷治，趙偉，張征文.中等跨徑鋼箱梁橋病害及維護研究[J].鋼結構.2020 （13）：75-76

[2]吉伯海，袁周致遠.鋼箱梁疲勞開裂維護研究現狀[J].工業建筑.2017，47（5）：1-5

[3]劉陽，章超，唐啟造.預防性養護在大跨徑斜拉橋養護中的應用[J].工程技術與應用.2020 （13）：75-76