大跨度跨海斜拉橋鋼箱梁典型病害分析

林國華 邱業(yè)亮

摘要：鋼箱梁具有重量輕、施工便捷、環(huán)境影響小及經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)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(huán)境惡劣，對橋梁結(jié)構(gòu)的腐蝕作用強(qiáng)，導(dǎo)致跨海大橋的鋼箱梁結(jié)構(gòu)病害頻發(fā)，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(hù)帶來了不利影響。因此，本文對跨海斜拉橋在海洋大氣環(huán)境中鋼箱梁的典型病害情況進(jìn)行分類，并對各種類型病害的成因進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出對應(yīng)的維護(hù)技術(shù)措施，所得結(jié)論可為同類型跨海斜拉橋鋼箱梁的設(shè)計和維護(hù)提供一定參考。

關(guān)鍵詞：跨海斜拉橋;鋼箱梁;典型病害;維護(hù)

鋼箱梁自重輕、強(qiáng)度高、制作施工速度快及經(jīng)濟(jì)性好，在大跨徑橋梁尤其是跨海大橋中有著廣泛的應(yīng)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(yīng)用[1]。對于采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)的跨海及跨河的橋梁，由于所處環(huán)境濕度較大，環(huán)境大氣中可能含有腐蝕成分，容易導(dǎo)致鋼箱梁腐蝕病害的發(fā)生。而鋼箱梁的腐蝕又加劇了涂裝劣化，引起鋼箱梁關(guān)鍵部位產(chǎn)生應(yīng)力集中以及構(gòu)件強(qiáng)度降低，導(dǎo)致疲勞裂縫的產(chǎn)生[2]。

同時，鋼箱梁構(gòu)造復(fù)雜、焊縫眾多，內(nèi)部缺陷難以避免，反復(fù)的車輛荷載及超載作用下，會發(fā)生疲勞開裂。疲勞裂紋產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，初期不易發(fā)現(xiàn)，檢測及修復(fù)困難，且修復(fù)成本高，是影響鋼箱梁橋運營安全的最嚴(yán)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(lián)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(yù)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(yǎng)護(hù)帶來了挑戰(zhàn)。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(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)技術(shù)措施，所得結(jié)論可為類似鋼箱梁結(jié)構(gòu)跨海斜拉橋的運營及養(yǎng)護(hù)提供參考。

1 鋼箱梁的腐蝕及養(yǎng)護(hù)

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(xiàn)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(jù)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(chǎn)生應(yīng)力集中，對鋼箱梁的影響較螺栓腐蝕嚴(yán)重。螺栓腐蝕維修簡單，而縫隙銹蝕維修較為復(fù)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(xué)離子導(dǎo)致，外觀特征為在梁體個別的點或微小區(qū)域出現(xiàn)麻點，蝕孔向縱深方向發(fā)展，其余區(qū)域基本不腐蝕;均勻腐蝕則有周圍的大氣環(huán)境和腐蝕性的化學(xué)離子共同產(chǎn)生，表征為在箱梁表面產(chǎn)生均勻減薄的腐蝕現(xiàn)象;縫隙腐蝕是由腐蝕性的化學(xué)離子和結(jié)構(gòu)應(yīng)力共同作用下導(dǎo)致的，在裂縫的局部范圍內(nèi)引起縫隙內(nèi)金屬的加速腐蝕，使螺栓構(gòu)件松動和破壞;螺栓腐蝕主要是由于大氣中的腐蝕性環(huán)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(yǎng)護(hù)措施

鋼箱梁的防腐技術(shù)主要包括腐蝕的預(yù)防以及產(chǎn)生腐蝕后的維護(hù)，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(qū)，鋼箱梁外表面和內(nèi)表面的溫濕度差異較大，因此對于鋼箱梁防腐技術(shù)而言，外表面和內(nèi)表面的防腐應(yīng)作區(qū)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(jī)或有機(jī)富鋅涂層;封閉層是對底層的空隙進(jìn)行封閉，降低底層的電化學(xué)腐蝕率，一般采用環(huán)氧云鐵、環(huán)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(hù)底層和中間層，延緩腐蝕的發(fā)生時間，通常采用氯化橡膠和聚氨脂兩大類。

箱梁內(nèi)部通風(fēng)差，濕氣的聚集會導(dǎo)致涂層的起泡銹蝕等，另外鋼箱梁內(nèi)部的疲勞開裂也會對涂層造成破壞，進(jìn)而產(chǎn)生腐蝕。因此，對于鋼箱梁內(nèi)部，在防腐涂層的基礎(chǔ)上，安裝相應(yīng)的除濕系統(tǒng)是目前大跨度鋼箱梁內(nèi)防腐的主要技術(shù)手段。

2 鋼箱梁的涂層劣化及養(yǎng)護(hù)

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(jìn)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(yīng)達(dá)10年以上。隨著使用時間的增加，鋼箱梁受大氣中腐蝕物質(zhì)的侵蝕，涂層發(fā)生老化、變質(zhì)，即涂層劣化，如圖2所示。

鋼箱梁涂層的劣化主要表現(xiàn)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(fā)生老化，涂層中的色相原料在紫外線作用下易發(fā)生變質(zhì)，原料的分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生分解成粉狀，涂層出現(xiàn)白色或深色粉狀物。銹蝕是涂層劣化最嚴(yán)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(chǎn)生的銹蝕和鼓泡裂縫產(chǎn)生的銹蝕，以及涂裝開裂或破壞產(chǎn)生的銹蝕。涂層劣化引發(fā)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(chǎn)生的刮傷、變色、熏黑等缺陷[6]。

2.2涂層劣化的維護(hù)

依據(jù)鋼箱梁劣化的具體情況，劣化維護(hù)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(fā)生涂裝劣化的鋼箱梁，僅對發(fā)生腐蝕的區(qū)域表面進(jìn)行處理，然后按照完整的涂裝規(guī)格對已處理的區(qū)域進(jìn)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(qū)域，該維護(hù)措施適用于劣化面積較小且涂裝具有充足粘結(jié)力的部位。

整體維修涂裝首先需要對劣化的區(qū)域表面進(jìn)行除銹、清理等處理，然后按照完整的涂裝規(guī)格對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行翻新涂裝。

重新維修涂裝是徹底清除原有涂層、進(jìn)行表面處理后，按照完整的涂裝規(guī)格對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)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(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，初期不易發(fā)現(xiàn)，檢測及修復(fù)困難，一旦發(fā)生則難以修復(fù)，是影響鋼箱梁橋運營安全的最嚴(yán)重的病害。

隨著裂紋檢測技術(shù)的進(jìn)步，對斜拉橋鋼箱梁疲勞裂紋的認(rèn)識逐漸深入。斜拉橋鋼箱梁存在縱向水平力，內(nèi)部常常采用縱隔板進(jìn)行剛度加強(qiáng)與內(nèi)力分布的調(diào)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(xiàn)疲勞損傷。無論采用何種橋梁結(jié)構(gòu)形式，鋼箱梁橋面板都是疲勞敏感區(qū)。據(jù)統(tǒng)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(chǎn)生的原因

影響疲勞性能的因素主要有構(gòu)造細(xì)節(jié)、應(yīng)力幅、材料特性和環(huán)境等，其中構(gòu)造細(xì)節(jié)是疲勞裂縫位置和裂紋擴(kuò)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(dāng)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(dǎo)致頂板和U肋的聯(lián)合撓曲，進(jìn)而在焊接裂縫處出現(xiàn)疲勞裂紋，向下發(fā)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(chǎn)生較大的固端彎矩，并帶有高度的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)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(yīng)力較大引起的疲勞破壞，如圖5所示。橫隔板開裂區(qū)域的應(yīng)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(yīng)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(yīng)引起的局部應(yīng)力，后者的應(yīng)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(xiàn)應(yīng)力集中，在活載的反復(fù)作用下，最終導(dǎo)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(chǎn)生較大的局部撓曲變形，由于變形的連續(xù)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(chǎn)生次彎矩。在次彎矩的作用下，U肋的焊趾處產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力和應(yīng)力集中，容易造成U肋焊趾，焊根處產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)生，一般呈縱向發(fā)育擴(kuò)展，有些裂紋發(fā)展方向會偏離焊趾，向U肋母材擴(kuò)展，造成母材發(fā)生剪切破壞。

（4）設(shè)計構(gòu)造因素

與設(shè)計構(gòu)造因素相關(guān)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(shè)計參數(shù)的選擇。

3.3鋼箱梁疲勞裂縫的維護(hù)

鋼箱梁的日常檢測對于保證橋梁的正常運營相當(dāng)重要，對鋼橋運營期間出現(xiàn)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(dāng)目測發(fā)現(xiàn)裂縫出現(xiàn)，評估裂縫的擴(kuò)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(fù)檢;如果為內(nèi)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(guī)焊接工藝進(jìn)行處治，根據(jù)部位的不同，在焊接時層數(shù)的位置有所區(qū)別，具體處治措施如下。

（1）橫隔板與構(gòu)件連接處角裂縫維修

為防止該處的裂紋再次擴(kuò)展，應(yīng)在裂縫終端鉆止裂孔，孔直徑一般可取8mm，止裂孔的深度應(yīng)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(yīng)大于10度，底部應(yīng)圓滑過渡。采用砂輪機(jī)將清刨部位進(jìn)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(jìn)行焊接，焊接完成后進(jìn)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(jìn)行外觀報檢，24h后進(jìn)行超聲波探傷檢測，達(dá)到焊接要求。焊縫修補次數(shù)應(yīng)控制不超過兩次，但焊接前必須制定符合規(guī)范要求的焊接工藝，由專業(yè)焊工進(jìn)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(jìn)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(xiàn)開裂范圍的U肋完全割除，兩端切割面垂直，對切割面進(jìn)行打磨處理后，采用原規(guī)格U肋支座等長的嵌補段，進(jìn)行現(xiàn)場嵌補焊接。U肋與橋面板采用原設(shè)計焊縫，U肋間采用內(nèi)部帶襯板的對接焊縫。焊接應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范及原設(shè)計文件的要求。U肋幫襯加固法：首先對各裂縫進(jìn)行修補焊接，然后打磨平整，之后采用特制U肋幫襯段進(jìn)行現(xiàn)場幫襯與原U肋周邊的圍焊，焊接應(yīng)滿足相關(guān)要求。

4 結(jié)語

本文分析了跨海大跨度橋梁鋼箱梁結(jié)構(gòu)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(jìn)行了總結(jié)分析。對三種典型病害進(jìn)行分類說明，并對病害的成因進(jìn)行了分析，可為合理防治鋼箱梁病害進(jìn)行參考，并在此基礎(chǔ)上提出各類典型病害的檢測和維護(hù)方法。所提出的典型病害對應(yīng)維護(hù)技術(shù)措施，可為同類型跨海斜拉橋鋼箱梁的設(shè)計和維護(hù)提供一定參考，也節(jié)約了鋼箱梁的運營和維護(hù)成本。

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