既有鋼結(jié)構(gòu)橋梁病害分析及其防護技術(shù)研究

張志卻，謝 凱，解文宗，李登國，盧彭真

(1.嘉興市秀洲區(qū)交通建設(shè)投資有限責(zé)任公司 嘉興市 314000； 2.浙江工業(yè)大學(xué) 杭州市 310014)

鋼結(jié)構(gòu)橋梁的總體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和強度都比較優(yōu)越，目前廣泛應(yīng)用于各種類型橋梁結(jié)構(gòu)中，如大跨徑懸索橋、斜拉橋、拱橋等。當(dāng)然，鋼結(jié)構(gòu)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(yù)防和養(yǎng)護是每一個鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(jié)構(gòu)橋梁防護的重要課題。另外，由于我國早期鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建造經(jīng)驗不足以及后期養(yǎng)護意識缺乏，我國許多既有鋼結(jié)構(gòu)橋梁出現(xiàn)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(yán)重。如何對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的病害進行分析及預(yù)防成為橋梁工程發(fā)展中的一個重要問題，因此，將進行對既有鋼結(jié)構(gòu)橋梁的病害分析和其防護技術(shù)的研究和探討。

1 既有鋼結(jié)構(gòu)橋梁國內(nèi)外研究發(fā)展動態(tài)

1.1 國外研究現(xiàn)狀

目前世界上的發(fā)達(dá)國家中，美國和日本在運用鋼結(jié)構(gòu)造橋領(lǐng)域中處于全球領(lǐng)先地位。在橋梁的結(jié)構(gòu)用鋼方面，美國的研究已經(jīng)經(jīng)歷了從普通鋼到高性能鋼(High Performence Steel,簡稱HPS)的發(fā)展階段和過程，自1990年起，美國在結(jié)構(gòu)上推廣運用高性能鋼的橋梁已經(jīng)多于200座，HPS在橋梁鋼結(jié)構(gòu)的運用中，表現(xiàn)出高韌性、高強度、優(yōu)良的可焊性以及較好的耐候性等優(yōu)點[1]。由于日本環(huán)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(jié)構(gòu)鹽腐蝕的情況，為了提高橋梁鋼結(jié)構(gòu)抵御鹽腐蝕的能力，新日鐵和NKK分別開發(fā)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(lián)盟和東京技術(shù)協(xié)會也共同開發(fā)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(shè)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(chǎn)廠更注重用調(diào)質(zhì)工藝來制造出高強度結(jié)構(gòu)用鋼，運用調(diào)質(zhì)工藝甚至可以使鋼的屈服強度達(dá)到1100MPa，但是這個強度級別的用鋼在橋梁建設(shè)中并沒有得到有效應(yīng)用和推廣?？梢钥闯?，美國和日本等在世界橋梁鋼結(jié)構(gòu)材料開發(fā)領(lǐng)域走在前端的國家，都有著由政府部門、鋼鐵公司、行業(yè)學(xué)會、大學(xué)研究所共同合作成立的專門研發(fā)機構(gòu)，各行業(yè)各部門之間通力合作，充分調(diào)動全社會的人力和物力資源來加速開發(fā)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(nèi)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)以來，我國的道路橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施飛速發(fā)展，交通流量快速增加，公路橋梁已經(jīng)超過73萬座，但其中鋼結(jié)構(gòu)橋梁所占比例極少，甚至不足1%，相比較于發(fā)達(dá)國家既有鋼結(jié)構(gòu)橋梁30%的總占比是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及的。自1996年起，中國鋼鐵產(chǎn)量突飛猛進，通過對各鋼鐵企業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)改造，我國生產(chǎn)出的鋼材品種和材質(zhì)有了明顯的改善，為鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建造提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。在技術(shù)研究領(lǐng)域方面，應(yīng)對鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞、振動、焊接等方面技術(shù)也有了提升和飛躍，特別是在鋼結(jié)構(gòu)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(shù)來提高鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的養(yǎng)護開支[3]。結(jié)合當(dāng)前我國推進新環(huán)保能源利用、行業(yè)轉(zhuǎn)型升級、供給側(cè)改革速度加快的背景，橋梁建造結(jié)構(gòu)材料的改進也得及時推進，鋼結(jié)構(gòu)有著良好的結(jié)構(gòu)性能，節(jié)能環(huán)保的制作過程，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的推廣已經(jīng)成為了一種必然趨勢，我國對鋼結(jié)構(gòu)橋梁相關(guān)材料的開發(fā)利用以及對既有鋼結(jié)構(gòu)橋梁的養(yǎng)護技術(shù)會不斷地研究深入。

2 既有鋼結(jié)構(gòu)橋梁病害及其原因分析

2.1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的腐蝕問題

鋼結(jié)構(gòu)橋梁在施工應(yīng)用中出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象為常見的病害現(xiàn)象。鋼結(jié)構(gòu)橋梁的腐蝕可分為多種現(xiàn)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(xiàn)象，鋼結(jié)構(gòu)橋梁一旦出現(xiàn)大面積腐蝕現(xiàn)象，會使橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性下降，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)扭曲、構(gòu)件斷裂和整體或局部變形；在鋼結(jié)構(gòu)橋梁個別點或者部分產(chǎn)生面積較小、速度較快、腐蝕方向呈縱向發(fā)展的腐蝕作用或產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象稱為點腐蝕現(xiàn)象，由于此腐蝕現(xiàn)象是往橋梁縱深方向發(fā)展，所以其造成的影響比較嚴(yán)重，嚴(yán)重時甚至?xí)饦蛄旱奶鶾4]；一般在鋼結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的縫隙中，由于電解質(zhì)溶液的進入而發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象稱為縫隙腐蝕現(xiàn)象，對橋梁經(jīng)受的活動荷載運行過程中的安全穩(wěn)定性保障也會產(chǎn)生不良的影響；鋼結(jié)構(gòu)橋梁的腐蝕病害會對橋梁建設(shè)工程安全穩(wěn)定的生產(chǎn)應(yīng)用造成極其大的危害。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞問題

鋼結(jié)構(gòu)橋梁在交變荷載循環(huán)作用下，其構(gòu)造細(xì)節(jié)的初始缺陷或者初始裂紋處會產(chǎn)生裂紋，若不及時發(fā)現(xiàn)處理，裂紋會不斷擴大直至損壞橋體鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞。鋼材的本身屬性是引發(fā)鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞問題的主要因素，鋼材在循環(huán)荷載作用下，會逐漸累積損傷，產(chǎn)生裂紋及裂紋逐漸擴展直至破壞,對橋梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和橋梁應(yīng)用壽命有著嚴(yán)重的影響。

鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞問題多出現(xiàn)于焊縫處，由于在實際焊接操作中很難達(dá)到理想的熔深，在焊縫處難免出現(xiàn)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(chǎn)生和擴展有不同的影響，這些焊縫缺陷在循環(huán)交變荷載作用下會產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)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(jié)構(gòu)橋梁的構(gòu)造細(xì)節(jié)、溫度效應(yīng)、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(jié)構(gòu)橋梁連接施工因素引起的問題

鋼結(jié)構(gòu)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(shù)控放樣、切割施工、焊接施工、分段裝配等，連接施工是鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工過程中的重要內(nèi)容，良好的連接施工對橋梁工程的施工質(zhì)量和施工安全性起到了保障作用。如果橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計人員沒有嚴(yán)格執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計要求，盲目追求設(shè)計感覺而忽視了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，那么在建筑施工過程中，施工方難以發(fā)現(xiàn)細(xì)節(jié)問題，就會在施工完成后使橋梁存在設(shè)計細(xì)節(jié)缺陷，影響橋梁整體質(zhì)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(shè)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(gòu)件的加裝位置出現(xiàn)了誤差，就會影響項目工程的安全穩(wěn)定施工，縮短工程的使用壽命，破壞橋梁結(jié)構(gòu)的整體安全性。

3 鋼結(jié)構(gòu)橋梁病害防護的應(yīng)用及其新進展

3.1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁防腐層的應(yīng)用與發(fā)展

鋼結(jié)構(gòu)橋梁在施工應(yīng)用中，為確保其施工質(zhì)量和使用壽命達(dá)到合格要求，橋梁防腐技術(shù)的有效落實是至關(guān)重要的因素之一，在實際工程中對于鋼結(jié)構(gòu)橋梁的防腐施工，大多是通過結(jié)構(gòu)表面涂層防腐技術(shù)進行實施的，采用惰性材料包覆鋼材表面以達(dá)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(jié)構(gòu)表面要進行三次涂層的施工應(yīng)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(jié)構(gòu)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(fā)與應(yīng)用對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的防腐工程是十分重要的。針對鋼結(jié)構(gòu)橋梁高性能防腐涂料的研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)生均聚或共聚反應(yīng)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(xué)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(yīng)用中擁有較好的效果[6]。高性能防腐涂料的開發(fā)與應(yīng)用以及多種高性能防腐涂料的復(fù)合運用，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁抵御腐蝕病害防護研究的領(lǐng)域?qū)⒌玫礁又匾暫蜕钊氲难芯俊?/p>

3.2 耐候鋼的應(yīng)用與發(fā)展

隨著大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁向全焊接結(jié)構(gòu)和高參數(shù)方向發(fā)展，對橋梁鋼結(jié)構(gòu)的總體質(zhì)量要求越來越高，即鋼材不僅要具有優(yōu)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(jié)構(gòu)輕量化要求[5，7]，對此，國內(nèi)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(lǐng)域的方向之一，近年來越來越受到國內(nèi)外學(xué)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(jié)構(gòu)銹層與基體間形成一層致密的非結(jié)晶態(tài)尖石型氧化物膜，從而保護內(nèi)部未銹蝕基體受到腐蝕病害。

3.3 無損檢測技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

由于鋼結(jié)構(gòu)材料本身屬性方面的因素，鋼結(jié)構(gòu)橋梁在實際施工應(yīng)用中受到持續(xù)的交變荷載的作用，會出現(xiàn)疲勞老化現(xiàn)象，為了提升鋼結(jié)構(gòu)橋梁的使用壽命，保障其安全性能，對鋼結(jié)構(gòu)橋梁損傷探測及分析就尤為重要。為合理控制鋼結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用質(zhì)量和使用壽命，施工方在實際施工時應(yīng)當(dāng)加強落實對鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢測，應(yīng)用無損檢測技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)的材料現(xiàn)狀以及破損狀況進行嚴(yán)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(yīng)使用條件及工作環(huán)境，近年來研究人員開發(fā)出了一些新型的超聲波探傷技術(shù)，包括自動超聲技術(shù)、自動相控陣超聲技術(shù)等，但這些新的超聲波探傷技術(shù)在橋梁缺陷探測和應(yīng)用壽命評估的實際應(yīng)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(yōu)點和劣勢條件，在當(dāng)今對高效無損探測方式的需求下，聲發(fā)射探傷法得到了發(fā)展和應(yīng)用。聲發(fā)射探傷法靈敏度高，對結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷定位準(zhǔn)確，但聲發(fā)射信號易受噪音影響，在去噪不充分的工作環(huán)境下難以達(dá)到理想探測效果，對聲發(fā)射探測法如何在有噪環(huán)境下保持準(zhǔn)確高效的探測結(jié)果仍然有待進一步研究。

4 結(jié)論

鋼結(jié)構(gòu)橋梁相較于其他結(jié)構(gòu)橋梁有著特有的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢，隨著全球范圍內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)橋梁數(shù)量的快速上升，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的病害防護問題就顯得愈加突出，既有鋼結(jié)構(gòu)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(yù)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(xué)者都在不同方向上做著深入研究以及在橋梁防護應(yīng)用領(lǐng)域做著進一步發(fā)展，主要討論了對防腐蝕涂層新型材料的研發(fā)和應(yīng)用，對耐候鋼等高性能鋼材料性能的進一步研發(fā)應(yīng)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(jié)構(gòu)橋梁的病害分析以及防護技術(shù)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(yīng)用中得到進一步發(fā)展。