跨海斜拉橋鋼箱梁銹蝕退化分析及預養(yǎng)護

徐懋剛

（同濟大學，上海市 200092）

跨海斜拉橋鋼箱梁銹蝕退化分析及預養(yǎng)護

徐懋剛

（同濟大學，上海市 200092）

通過資料調研及實橋調查，以象山港大橋為研究對象，系統(tǒng)總結了跨海斜拉橋鋼箱梁銹蝕的病害特點及其退化規(guī)律，運用力學分析和統(tǒng)計方法進行了鋼箱梁銹蝕退化的預測，并在此基礎上確定了鋼箱梁銹蝕的預防性養(yǎng)護最佳時機。同時，根據(jù)跨海鋼箱梁斜拉橋的結構和環(huán)境特點，提出了鋼箱梁銹蝕的預防性養(yǎng)護處治措施。

跨海斜拉橋；鋼箱梁；銹蝕退化；預防性養(yǎng)護時機；預養(yǎng)護措施；

0 引言

預防性養(yǎng)護的概念誕生于20世紀80年代的美國，最初在道路路面養(yǎng)護領域提出，它在核心要求和操作方式上均有別于傳統(tǒng)的養(yǎng)護理念。它以經(jīng)濟指標作為主要考量因素，要求采用最佳成本效益的養(yǎng)護措施，并且強調高計劃性的養(yǎng)護管理。預防性養(yǎng)護的理念可以總結為如下兩點：（1）以不增加結構承載能力的方式改善結構的服務能力，讓狀態(tài)良好的結構能夠保持更長時間，從而有效延緩結構的老化進程。（2）采用最合理的方式，在最合適的時間，處理適宜的結構。目前，預防性養(yǎng)護在國內外橋梁工程領域研究處于起步階段，并且均根據(jù)中小跨徑橋梁的技術統(tǒng)計資料得出的預防性養(yǎng)護時機預測結論，針對跨海斜拉橋的預防性養(yǎng)護研究尚處于起步階段。由于跨海斜拉橋鋼箱梁結構處于有腐蝕性雜質的潮濕環(huán)境中，當鋼結構表面涂層劣化、厚度不足或構件連接部位存有細微縫隙時，易使鋼箱梁產(chǎn)生電化學銹蝕。銹蝕使鋼箱梁截面削弱，產(chǎn)生病坑、缺陷和裂紋，裂紋擴展，引起壽命降低甚至斷裂，對鋼箱梁安全性產(chǎn)生影響。因此，鋼箱梁銹蝕退化分析及預防性養(yǎng)護是跨海斜拉橋預防性養(yǎng)護重點關注的內容之一。本文通過資料調研及實橋調查，系統(tǒng)總結了跨海斜拉橋鋼箱梁銹蝕的病害特點及其退化規(guī)律，運用力學分析和統(tǒng)計方法對鋼箱梁銹蝕狀況進行了預測，并在此基礎上確定了鋼箱梁銹蝕預養(yǎng)護的最佳時機，提出了鋼箱梁銹蝕的預防性養(yǎng)護檢測內容和維護處治措施。

1 鋼箱梁病害特點

根據(jù)對東海大橋、杭州灣大橋、青島海灣大橋、金塘大橋、象山港大橋等近20余座跨海、近海斜拉橋的調研數(shù)據(jù)分析，鋼箱梁最常見的病害包括：（1）涂層劣化；（2）鋼構件銹蝕；（3）構件連接缺陷。

1.1 涂層劣化

鋼箱梁表面涂層劣化主要表現(xiàn)為粉化、起泡、裂紋、脫落、銹蝕等（典型病害見圖1）。（1）粉化是指涂層長期暴露在大氣中且受海洋環(huán)境中紫外線照射的影響使表面發(fā)生老化而導致的粉化現(xiàn)象。（2）起泡是指涂層之間或涂層與鋼構件之間滲入氣體或液體后涂層間粘附力不足所產(chǎn)生的涂層氣泡現(xiàn)象，或涂層內部鋼構件局部銹脹引起涂層的鼓泡、點泡或豆泡現(xiàn)象。（3）涂層裂紋是由于涂層內部的應變導致的，其中龜裂是涂層表面出現(xiàn)的輕微的裂紋，一般較難發(fā)現(xiàn)；當裂紋達到涂層底漆層或鋼材表面，通過目檢能見到下層或底層的網(wǎng)狀或條狀裂紋。（4）脫落是指涂層的表面和底層之間、新舊涂層之間喪失附著力后形成的小片或鱗片狀脫落現(xiàn)象，通常發(fā)生在結構下側或附著鹽分的部位。（5）銹蝕是涂層劣化中最嚴重的一種破壞類型，分為非鼓泡產(chǎn)生的銹蝕、鼓泡裂縫導致的銹蝕以及涂裝裂縫或破壞導致的銹蝕。一般表現(xiàn)為針孔銹斑、點狀銹、泡狀銹或片狀銹等。

圖1 涂層劣化的病害特征

1.2 鋼構件銹蝕

鋼箱梁銹蝕的病害特征主要表現(xiàn)為均勻銹蝕、孔蝕、縫隙銹蝕、應力腐蝕等（典型病害見圖2）。（1）均勻銹蝕是整體銹蝕，腐蝕分布于整個金屬表面，并以相同的速率使金屬整體厚度減薄會削弱鋼箱梁腹板和翼緣板的厚度。（2）孔蝕是局部銹蝕，在構件表面形成大大小小的孔眼，多為相對較小的孔隙，對構件的安全性影響很大。（3）縫隙銹蝕是局部銹蝕，發(fā)生于構件表面的縫隙中，當金屬表面有灰塵等臟物覆蓋時，也有可能發(fā)生縫隙銹蝕。（4）應力腐蝕是拉伸應力和腐蝕環(huán)境共同作用產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象，存在殘余應力的焊縫位置附近及拉應力較大部位均有可能發(fā)生應力腐蝕；當鋼材發(fā)生應力腐蝕時，受力的構件在遠低于材料屈服極限的拉伸工作應力下可能會突然斷裂而沒有任何預兆。

圖2 鋼構件銹蝕的病害特征

1.3 構件連接缺陷

鋼箱梁構件的主要連接方式有焊縫連接和螺栓連接。焊縫連接部位的主要病害有焊縫脫焊、漏焊、銹蝕、撕裂、脫開、焊縫位置出現(xiàn)疲勞裂紋等，螺栓連接的主病害有螺栓銹蝕、滑移、錯位、脫落、剪斷、缺失、連接失效、未涂漆防護等（典型病害見圖3）。鋼箱梁構件連接缺陷屬于結構性病害，鋼箱梁焊縫承受與其方向垂直的交變荷載的作用時，在焊縫缺陷及局部應力集中處易誘發(fā)疲勞裂紋，該裂紋一旦形成，在應力與腐蝕介質的共同作用下，裂紋將迅速擴展，如不及時修復，將會引起嚴重后果，實橋檢測時應引起重視。

圖3 構件連接缺陷的病害特征

2 鋼箱梁銹蝕退化分析

2.1 反演預測方法

鋼箱梁在海洋性環(huán)境中的銹蝕以均勻銹蝕和孔蝕為主。蝕坑一般較淺，較密，呈潰瘍狀腐蝕，均勻銹蝕和孔蝕同時存在。開始時銹蝕較快，之后變緩趨于穩(wěn)定。初始階段孔蝕速率最大可達均勻銹蝕的8倍，其后均勻銹蝕和孔蝕速率基本相等[1]。目前，參照結構鋼銹蝕過程規(guī)律的經(jīng)驗公式[2]，其中D為腐蝕深度 (mm)，A為第一年的腐蝕深度(mm/a)，t為腐蝕持續(xù)時間(a)；n為與腐蝕材料與環(huán)境有關的常數(shù)。鋼箱梁銹蝕深度可按冪指數(shù)預測分析。但由于腐蝕作用是一個包含物理和化學等現(xiàn)象的復雜反應過程，鋼橋所采用鋼材的化學成分以及鋼橋所處位置的環(huán)境因素對經(jīng)驗公式中的參數(shù)取值影響顯著，因此，需依據(jù)既有的經(jīng)驗觀測數(shù)據(jù)并結合橋位區(qū)域的外在環(huán)境因素和鋼本身的化學成分含量，通過統(tǒng)計分析確立式中冪函數(shù)參數(shù)A和n的定量關系。梁彩鳳等人[3]在對試驗鋼的成分和試驗站的環(huán)境特點以及暴露16 a的腐蝕數(shù)據(jù)進行定量結果的多元逐步回歸統(tǒng)計分析后，給出了鋼材的化學成分和環(huán)境因子與冪函數(shù)參數(shù)的定量關系見式（1），表1為考慮環(huán)境因素和鋼材成分通過回歸計算得出的A值和n值：

A=A（0）+∑A（i）X（i），n=n（0）+∑n（i）X（i） （1）式中：A（0）和n（0）是常數(shù)；A（i）和n（i）是因子ii的系數(shù)；X（i）是因子i的數(shù)量。當因子是鋼材化學成分時，X（i）為鋼材化學成分百分比含量；當因子是環(huán)境因素時，X（i）為環(huán)境因子的平均或累積量，如年平均溫度和相對濕度等。因子也可以是某個因素的乘方或某幾個因素的乘積。

以象山港大橋為例。鋼箱梁結構采用Q345D鋼材，其主要化學成分和橋址處環(huán)境因素的平均值可參照設計資料。由于箱梁內部的溫度、濕度和空氣污染成分含量等因素與箱梁外部有明顯的差異，因此需要分別計算兩種腐蝕環(huán)境情況下的A值和n值。根據(jù)式（1），可計算出象山港大橋鋼箱梁外部和內部大氣環(huán)境中的銹蝕深度預測公式分別為D外=0.045 t0.728和D內=0.072 t0.465。鋼箱梁內部和外部鋼板的銹蝕退化規(guī)律見圖4，表2為象山港大橋鋼箱梁外側、內側不同時間節(jié)點的銹蝕深度。由圖表可知，鋼箱梁在外部環(huán)境作用下的腐蝕速率要比內部腐蝕環(huán)境作用下的腐蝕速率大很多，因此，鋼箱梁外部構件受大氣腐蝕影響較大，而內部橫隔板、U肋以及縱向加勁肋等構件受大氣腐蝕影響較小。

表1 考慮環(huán)境因素和鋼材成分通過回歸計算得出的A值和n值[3]

表2 象山港大橋不同時間節(jié)點處鋼箱梁銹蝕深度 mm

3 鋼箱梁銹蝕的預防性養(yǎng)護時機

確定了鋼箱梁銹蝕的退化規(guī)律后，即可從機理出發(fā)確立海洋性環(huán)境下鋼箱梁銹蝕退化的初次養(yǎng)護時機。結合相關銹蝕評定標準的評定指標，確定鋼箱梁銹蝕的綜合評定指標[4-5]為：（1）主要指標：密度、大小、深度、銹蝕面積百分率；（2）補充指標：銹蝕深度百分率、銹蝕部位。其中密度、大小和深度用來評定孔蝕，分別表示孔蝕的密度、孔口平均面積和蝕坑平均深度；銹蝕面積百分率用來評定均勻腐蝕，表示銹蝕面積占鋼板有效面積的比率；銹蝕深度百分率體現(xiàn)銹蝕的相對程度，是蝕坑平均深度與鋼板厚度的比值。各評定指標的等級劃分及取值[5]見表3。

表3 各評定指標等級劃分及取值[5]

腐蝕深度百分率不作為評定的單獨指標，而是作為腐蝕深度的補充指標。應用時，通過腐蝕深度百分率的放大系數(shù)乘以深度指標的分值作為腐蝕坑深度指標。腐蝕深度百分率放大系數(shù)取值原則為：腐蝕深度單項最大分值乘以放大系數(shù)后，腐蝕深度分值的腐蝕等級最多提高一級。腐蝕深度百分率和部位各自對應的放大系數(shù)[5]見表4。腐蝕部位重要程度分為4級。腐蝕部位作為一個放大系數(shù)在基本分值累計的基礎上將整體放大鋼箱梁的腐蝕程度，綜合評定出鋼箱梁腐蝕等級。放大系數(shù)的取值原則為：（1）與放大系數(shù)相乘后腐蝕等級最高提高一級；（2）如果總分值處于某一腐蝕等級分值范圍中靠前，表明該腐蝕程度較輕，則乘以放大系數(shù)后盡量不提高其腐蝕等級。根據(jù)鋼箱梁均勻銹蝕、孔蝕以及混合型銹蝕（兩者均有）的特征，選用的不同評定指標見表5。其中D為總分值，D1、D2、D3、D4分別為各個評定指標的分值，R1、R2分別為銹蝕深度百分率和銹蝕部位的放大系數(shù)。評定鋼箱梁混合型銹蝕時，將混合型銹蝕中的孔蝕和均勻銹蝕分別評定等級后，取等級較大的作為最終評定等級。鋼箱梁各銹蝕等級劃分見表6，依據(jù)鋼箱梁銹蝕病害預養(yǎng)護的時機選擇，確定鋼箱梁銹蝕等級為“2-輕微損傷”時進行初次預防性養(yǎng)護時機較為適宜。

表4 銹蝕深度百分率和銹蝕部位對應的放大系數(shù)[5]

表5 各銹蝕類型對應的評定指標

表6 鋼箱梁各銹蝕等級劃分及初次預養(yǎng)護時機

4 鋼箱梁銹蝕的預養(yǎng)護處治措施

鋼構件表面均有防腐涂層，涂裝后的鋼構件銹蝕是伴隨著涂層劣化狀況發(fā)展，因此應將鋼構件銹蝕和涂膜劣化視為整體一起預養(yǎng)護。將涂層厚度與設計涂層厚度進行比較，厚度不低于設計值時判定為合格，反之為不合格。同時，若抽查發(fā)現(xiàn)涂層附著力小于5 MPa，則表明涂層附著力不足，涂層極易起泡、脫落、裂紋等。針對上述兩種情況，應及時進行維護涂裝。另一方面，借鑒國外針對鋼橋涂裝維修保養(yǎng)方面的先進理念。在美國，鋼橋涂裝維護策略分為局部涂裝、整體涂裝和重新涂裝，其中的重新涂裝的維護方法耐久性最好，但考慮到經(jīng)濟性等因素，不宜作為首選方案；歐洲關于鋼橋涂裝維修方面的理念是，盡早在現(xiàn)有橋梁涂層失效周期前使用高耐久性涂料進行維修，以避免任何形式的銹蝕損傷，這與預防性養(yǎng)護的理念相一致。參考《公路橋梁鋼結構防腐涂裝技術條件》（JT/T 722-2008）的有關規(guī)定[6]，涂層劣化涂裝包括維護涂裝（局部維修）和重新涂裝（整體維修）兩類，兩類涂裝應根據(jù)涂層劣化等級確定，2、3級為維護涂裝，4、5級為重新涂裝。鋼構件銹蝕的預養(yǎng)護病害主要為均勻銹蝕、孔蝕（點蝕）、縫隙銹蝕和應力腐蝕等，針對上述病害的維修處治主要是對鋼結構進行除銹處理并涂漆防護。

6 結語

（1）系統(tǒng)總結了鋼箱梁病害的特點，分析各類病害對跨海斜拉橋結構安全性和耐久性的影響，指出了跨海斜拉橋鋼箱梁預防性養(yǎng)護的主要病害為涂層劣化、鋼構件銹蝕、構件連接缺陷。

（2）運用力學分析和統(tǒng)計方法對鋼箱梁銹蝕進行了退化分析，給出了象山港大橋鋼箱梁內部和外部的銹蝕退化規(guī)律。

（3）確定鋼箱梁銹蝕的綜合評定指標及其等級劃分、取值，并給出了鋼箱梁銹蝕的初次預防性養(yǎng)護時機。

（4）給出了鋼箱梁銹蝕的預養(yǎng)護處治措施。

[1]曹楚南.中國材料的自然環(huán)境腐蝕[M].北京:化學工業(yè)出版社, 2005.

[2]韓恩厚.大氣腐蝕[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005.

[3]梁彩鳳,侯文泰.鋼的大氣腐蝕預測[J].中國腐蝕與防護學報, 2006,26(3):129-135.

[4]ISO 8501-1,Preparation of Steel Substates before Application of Paints and Related Products-Visual Assessment of Surface Cleanliness-Part1:RustGrades and Preparation Grades of Uncoated Steel Substrates and of Steel Substrates after Overall Removal of Previous Coatings[S].

[5]吉伯海,趙端端,姜竹生,等.鋼箱梁腐蝕病害綜合評分制評定方法[J].世界橋梁,2013,41(6):81-85.

[6]JT/T 722-2008,公路橋梁鋼結構防腐涂裝技術條件[S].

U448.22

A

1009-7716（2017）04-0130-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.038

2017-02-15

寧波市交通運輸委員會科技計劃項目（201422）。

徐懋剛（1974-），男，甘肅蘭州人，高級工程師，從事路橋工程建設和管養(yǎng)工作。