既有鋼結構橋梁病害分析及其防護技術研究

張志卻，謝 凱，解文宗，李登國，盧彭真

(1.嘉興市秀洲區交通建設投資有限責任公司 嘉興市 314000； 2.浙江工業大學 杭州市 310014)

鋼結構橋梁的總體結構穩定性和強度都比較優越，目前廣泛應用于各種類型橋梁結構中，如大跨徑懸索橋、斜拉橋、拱橋等。當然，鋼結構橋梁也存在著不足和缺陷，如鋼材耐腐蝕性和耐火性以及耐磨性能的預防和養護是每一個鋼結構產品都無法避免的問題，特別是防腐蝕問題尤為重要，如何解決防腐的問題就成了鋼結構橋梁防護的重要課題。另外，由于我國早期鋼結構橋梁的建造經驗不足以及后期養護意識缺乏，我國許多既有鋼結構橋梁出現了疲勞開裂的情況，而且隨著幾年來我國交通流量的大幅度增長，此類情況愈加嚴重。如何對鋼結構橋梁的病害進行分析及預防成為橋梁工程發展中的一個重要問題，因此，將進行對既有鋼結構橋梁的病害分析和其防護技術的研究和探討。

1 既有鋼結構橋梁國內外研究發展動態

1.1 國外研究現狀

目前世界上的發達國家中，美國和日本在運用鋼結構造橋領域中處于全球領先地位。在橋梁的結構用鋼方面，美國的研究已經經歷了從普通鋼到高性能鋼(High Performence Steel,簡稱HPS)的發展階段和過程，自1990年起，美國在結構上推廣運用高性能鋼的橋梁已經多于200座，HPS在橋梁鋼結構的運用中，表現出高韌性、高強度、優良的可焊性以及較好的耐候性等優點[1]。由于日本環海的地理位置，所以日本建造的橋梁必須考慮由于海水中存在的鹽分而造成的對鋼結構鹽腐蝕的情況，為了提高橋梁鋼結構抵御鹽腐蝕的能力，新日鐵和NKK分別開發出了抗鹽腐蝕耐候橋梁用鋼和海岸用耐候橋梁用鋼，日本鋼鐵聯盟和東京技術協會也共同開發出了BHS500W和BHS700W耐腐蝕高性能橋梁用鋼[2]。目前歐洲各國常用的橋梁建設鋼材多為S235、S275以及S355鋼，歐洲橋梁用鋼部分常用種類及性能要求見表1。在歐洲，鋼鐵生產廠更注重用調質工藝來制造出高強度結構用鋼，運用調質工藝甚至可以使鋼的屈服強度達到1100MPa，但是這個強度級別的用鋼在橋梁建設中并沒有得到有效應用和推廣?？梢钥闯?，美國和日本等在世界橋梁鋼結構材料開發領域走在前端的國家，都有著由政府部門、鋼鐵公司、行業學會、大學研究所共同合作成立的專門研發機構，各行業各部門之間通力合作，充分調動全社會的人力和物力資源來加速開發過程。

表1 歐洲橋梁用鋼部分常用種類及性能要求

1.2 國內研究現狀

20世紀以來，我國的道路橋梁等交通基礎設施飛速發展，交通流量快速增加，公路橋梁已經超過73萬座，但其中鋼結構橋梁所占比例極少，甚至不足1%，相比較于發達國家既有鋼結構橋梁30%的總占比是遠遠不及的。自1996年起，中國鋼鐵產量突飛猛進，通過對各鋼鐵企業的結構調整和技術改造，我國生產出的鋼材品種和材質有了明顯的改善，為鋼結構橋梁的建造提供了堅實的物質基礎。在技術研究領域方面，應對鋼結構橋梁疲勞、振動、焊接等方面技術也有了提升和飛躍，特別是在鋼結構橋梁防腐問題上，我國運用世界上較為先進的熱噴涂長效防腐技術來提高鋼結構橋梁的抵御腐蝕的能力，極大延長了鋼橋使用壽命和減小了對鋼結構的養護開支[3]。結合當前我國推進新環保能源利用、行業轉型升級、供給側改革速度加快的背景，橋梁建造結構材料的改進也得及時推進，鋼結構有著良好的結構性能，節能環保的制作過程，鋼結構橋梁的推廣已經成為了一種必然趨勢，我國對鋼結構橋梁相關材料的開發利用以及對既有鋼結構橋梁的養護技術會不斷地研究深入。

2 既有鋼結構橋梁病害及其原因分析

2.1 鋼結構橋梁的腐蝕問題

鋼結構橋梁在施工應用中出現的腐蝕現象為常見的病害現象。鋼結構橋梁的腐蝕可分為多種現象，均勻分布于整個金屬表面，并使金屬整體厚度以均勻速度變薄的腐蝕稱為均勻腐蝕現象，鋼結構橋梁一旦出現大面積腐蝕現象，會使橋梁結構的整體穩定性下降，出現結構扭曲、構件斷裂和整體或局部變形；在鋼結構橋梁個別點或者部分產生面積較小、速度較快、腐蝕方向呈縱向發展的腐蝕作用或產生的腐蝕現象稱為點腐蝕現象，由于此腐蝕現象是往橋梁縱深方向發展，所以其造成的影響比較嚴重，嚴重時甚至會引起橋梁的坍塌[4]；一般在鋼結構橋梁的連接處或者焊縫接頭處，在金屬與金屬或金屬和非金屬連接過程而產生的縫隙中，由于電解質溶液的進入而發生的腐蝕現象稱為縫隙腐蝕現象，對橋梁經受的活動荷載運行過程中的安全穩定性保障也會產生不良的影響；鋼結構橋梁的腐蝕病害會對橋梁建設工程安全穩定的生產應用造成極其大的危害。

2.2 鋼結構橋梁的疲勞問題

鋼結構橋梁在交變荷載循環作用下，其構造細節的初始缺陷或者初始裂紋處會產生裂紋，若不及時發現處理，裂紋會不斷擴大直至損壞橋體鋼結構發生疲勞破壞。鋼材的本身屬性是引發鋼結構橋梁疲勞問題的主要因素，鋼材在循環荷載作用下，會逐漸累積損傷，產生裂紋及裂紋逐漸擴展直至破壞,對橋梁結構整體穩定性和橋梁應用壽命有著嚴重的影響。

鋼結構橋梁的疲勞問題多出現于焊縫處，由于在實際焊接操作中很難達到理想的熔深，在焊縫處難免出現缺陷和不足，焊縫缺陷又可分為氣孔等三維缺陷和未熔合等二維缺陷，不同的缺陷對裂縫的產生和擴展有不同的影響，這些焊縫缺陷在循環交變荷載作用下會產生應力集中的現象，從而在焊縫位置形成了裂縫并造成了裂縫的進一步擴展。同時，鋼結構橋梁的構造細節、溫度效應、橋面系的鋪裝及超載等也是影響橋梁疲勞問題的因素。

2.3 鋼結構橋梁連接施工因素引起的問題

鋼結構橋梁的施工工藝相較于其他類型的橋梁更為簡便，主要的施工工藝有數控放樣、切割施工、焊接施工、分段裝配等，連接施工是鋼結構橋梁施工過程中的重要內容，良好的連接施工對橋梁工程的施工質量和施工安全性起到了保障作用。如果橋梁結構設計人員沒有嚴格執行國家標準和設計要求，盲目追求設計感覺而忽視了結構的整體穩定性，那么在建筑施工過程中，施工方難以發現細節問題，就會在施工完成后使橋梁存在設計細節缺陷，影響橋梁整體質量[5]；另一方面，如果在橋梁施工過程中，施工人員未合理按照設計方案進行實際施工，在施工過程中運用材料的配置量不符合要求或者構件的加裝位置出現了誤差，就會影響項目工程的安全穩定施工，縮短工程的使用壽命，破壞橋梁結構的整體安全性。

3 鋼結構橋梁病害防護的應用及其新進展

3.1 鋼結構橋梁防腐層的應用與發展

鋼結構橋梁在施工應用中，為確保其施工質量和使用壽命達到合格要求，橋梁防腐技術的有效落實是至關重要的因素之一，在實際工程中對于鋼結構橋梁的防腐施工，大多是通過結構表面涂層防腐技術進行實施的，采用惰性材料包覆鋼材表面以達到隔離水、氧等腐蝕條件的機械隔離措施。在具體施工中對鋼結構表面要進行三次涂層的施工應用，各層防腐涂料主要組分匯總見表2。

表2 各層防腐涂料主要組分

防腐涂層的性能對鋼結構橋梁抵御腐蝕病害起著重要作用，所以高性能防腐涂層的開發與應用對鋼結構橋梁的防腐工程是十分重要的。針對鋼結構橋梁高性能防腐涂料的研究發現，以氟樹脂為基本原料，通過所含氟原子單體或多個氟原子發生均聚或共聚反應得到的氟樹脂防腐涂料(簡稱氟涂料)具有良好的耐候性、耐低溫性、耐化學腐蝕性等，更具有其特有的不粘性和低摩擦性，在實際工程應用中擁有較好的效果[6]。高性能防腐涂料的開發與應用以及多種高性能防腐涂料的復合運用，在鋼結構橋梁抵御腐蝕病害防護研究的領域將得到更加重視和深入的研究。

3.2 耐候鋼的應用與發展

隨著大型鋼結構橋梁向全焊接結構和高參數方向發展，對橋梁鋼結構的總體質量要求越來越高，即鋼材不僅要具有優良的耐熱耐低溫性、耐腐蝕性、韌性等，而且還要具有一定的強度以滿足整體橋梁結構輕量化要求[5，7]，對此，國內外的材料工作者提出來高性能鋼的概念，耐候橋梁用鋼作為高性能鋼研究領域的方向之一，近年來越來越受到國內外學者的廣泛專注。耐候鋼是在鋼材中添加耐腐蝕合金元素，例如銅、鎳、硌、釩等，在鋼結構銹層與基體間形成一層致密的非結晶態尖石型氧化物膜，從而保護內部未銹蝕基體受到腐蝕病害。

3.3 無損檢測技術的應用與發展

由于鋼結構材料本身屬性方面的因素，鋼結構橋梁在實際施工應用中受到持續的交變荷載的作用，會出現疲勞老化現象，為了提升鋼結構橋梁的使用壽命，保障其安全性能，對鋼結構橋梁損傷探測及分析就尤為重要。為合理控制鋼結構橋梁的應用質量和使用壽命，施工方在實際施工時應當加強落實對鋼結構的質量檢測，應用無損檢測技術對鋼結構的材料現狀以及破損狀況進行嚴格檢測。超聲波、射線、渦流、磁粉、滲透是五種常見的無損探測法。為了適應使用條件及工作環境，近年來研究人員開發出了一些新型的超聲波探傷技術，包括自動超聲技術、自動相控陣超聲技術等，但這些新的超聲波探傷技術在橋梁缺陷探測和應用壽命評估的實際應用還得不斷進行驗證和完善。上述五種無損探傷法各有其使用優點和劣勢條件，在當今對高效無損探測方式的需求下，聲發射探傷法得到了發展和應用。聲發射探傷法靈敏度高，對結構內部缺陷定位準確，但聲發射信號易受噪音影響，在去噪不充分的工作環境下難以達到理想探測效果，對聲發射探測法如何在有噪環境下保持準確高效的探測結果仍然有待進一步研究。

4 結論

鋼結構橋梁相較于其他結構橋梁有著特有的結構和性能優勢，隨著全球范圍內鋼結構橋梁數量的快速上升，鋼結構橋梁的病害防護問題就顯得愈加突出，既有鋼結構橋梁的病害形式主要有腐蝕病害、疲勞病害以及連接施工因素引起的病害等，為了預防和緩解以上病害對橋梁正常使用壽命的影響，各國橋梁學者都在不同方向上做著深入研究以及在橋梁防護應用領域做著進一步發展，主要討論了對防腐蝕涂層新型材料的研發和應用，對耐候鋼等高性能鋼材料性能的進一步研發應用以及對探測橋梁損傷部位新方法的探討和實踐。對于既有鋼結構橋梁的病害分析以及防護技術有很多還停留在理論階段，還需要在大量的實驗和實際工程應用中得到進一步發展。