某沿海懸索橋溫、濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

吳正峰 鄭舟軍

(浙江交工高等級公路養(yǎng)護有限公司 杭州 310000)

1 工程概況

某橋是連島工程中技術(shù)要求最高的一座特大型跨海橋梁，主橋為兩跨連續(xù)半漂浮加勁梁懸索橋，主跨1 650 m。位于浙江省北部沿海舟山市境內(nèi)，地理坐標位于東經(jīng)121°55(E)和北緯30°05′(N)。該橋地處北亞熱帶，屬東亞季風氣候區(qū)，受冬夏季風影響，全年四季分明，氣候溫和濕潤，降水充沛。

該橋主橋加勁梁的形式為扁平流線形分離式雙箱斷面，2個封閉鋼箱橫橋向拉開距離為6 m，用橫向連接箱梁和橫向連接工字梁加以連接。加勁梁標準梁段長度為18 m。全橋共劃分126個梁段：北邊跨標準梁段24個，中跨標準梁段84個，北邊跨合龍段1個，中跨合龍段2個，其余特殊梁段15個。橋塔為門式框架結(jié)構(gòu)，其中北塔由2個塔柱和2根橫梁組成，南塔由2個塔柱和3根橫梁組成。共有南、北2個錨碇，共4個錨室，錨碇由前錨室和錨塊、散索鞍支墩及基礎(chǔ)構(gòu)成，形成完整的空間受力結(jié)構(gòu)。

在大橋建設(shè)期，設(shè)計單位根據(jù)大橋結(jié)構(gòu)各部位的內(nèi)部通風狀況和除濕需求共設(shè)計布置了22臺除濕設(shè)備，其中加勁梁內(nèi)部除濕設(shè)備主要布置在JJL007、JJL031、JJL065、JJL095、JJL119梁段，左、右箱室各1臺，共計10臺除濕設(shè)備；主索鞍上部署了4臺除濕設(shè)備，分別部署在南、北塔東西鞍罩；錨碇內(nèi)部里共部署了8臺除濕設(shè)備，南、北錨左、右室各布置2臺。見圖1。

圖1 除濕機布置分布圖

2 橋位外界環(huán)境溫、濕度

該橋跨中橋面2019年全年溫、濕度測點數(shù)據(jù)見圖2、圖3，傳感器位于中跨箱梁外部。

圖2 橋梁主跨橋面溫度曲線

圖3 橋梁主跨中橋面相對濕度曲線

由圖2、圖3可知，大橋所處位置的氣溫全年主要在0～30 ℃，平均溫度為13.3 ℃。其中當日溫度達到30 ℃以上的有9 d，溫度為20～30 ℃的有100 d，溫度為10～20 ℃的有152 d，溫度為10 ℃以下的104 d。大橋所處位置的濕度主要為40%～100%，年平均濕度達到79.3%。濕度超過80%的有288 d、濕度為60～80%的有50 d，濕度低于60%的有27 d。根據(jù)溫、濕度數(shù)據(jù)分析，大橋所處位置亞熱帶海洋性氣候特征明顯，全年溫度適中，但濕度較大。

橋梁外界環(huán)境決定了結(jié)構(gòu)材料的腐蝕速度，也一定程度決定了結(jié)構(gòu)耐久性和承載能力[1]。GB/T 15957-1995 《大氣環(huán)境腐蝕性分類》規(guī)定，相對濕度RH>75%屬于潮濕型環(huán)境，相對濕度RH<60% 屬干燥型大氣環(huán)境，另外還對大氣中腐蝕性物質(zhì)含量進行分類，根據(jù)環(huán)境氣體類別對應得到可參考的腐蝕類型和腐蝕速度。也有文獻考慮海洋環(huán)境大氣氯離子含量等的影響，分析纜索鋼絲的腐蝕速度[2-3]。由于大橋只監(jiān)測了溫濕度、風力、風向等外界環(huán)境參數(shù)，并沒有對腐蝕性物質(zhì)含量進行監(jiān)測。因此，對材料腐蝕速度的評價需要采用其他方式。

文獻[4]對溫度和相對濕度環(huán)境下未鍍鋅高強鋼絲的腐蝕速率譜進行了研究，試驗結(jié)果表明，環(huán)境相對濕度70%、溫度10 ℃以下區(qū)域,腐蝕速率數(shù)量級為1×10-6g/(dm2·h)，可歸為弱腐蝕區(qū)；相對濕度75%以下、溫度20～50 ℃區(qū)域，腐蝕速率數(shù)量級小于1×10-4g/(dm2·h)，可歸為低腐蝕區(qū)；相對濕度75%以上、溫度10～50 ℃區(qū)域，腐蝕速率數(shù)量級大于1×10-4g/(dm2·h)，可歸為強腐蝕區(qū)。參照文獻[4]分類標準，對全年監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分類，其環(huán)境溫、濕度分類及頻率見表1。

表1 橋梁外界環(huán)境溫、濕度分類表

由表1可見，該橋處于較惡劣的強腐蝕區(qū)環(huán)境中，需對橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位進行針對性的防護。

3 加勁梁內(nèi)部溫、濕度狀況

該橋2 228 m的加勁梁是相對封閉的結(jié)構(gòu)，雖在加勁梁兩端和每個節(jié)段風嘴上方布置有檢修孔或檢修通道，但這些檢修通道日常均呈關(guān)閉狀態(tài)。橋梁建設(shè)時，在其內(nèi)部布置了10臺除濕設(shè)備以降低室內(nèi)的濕度，當相對濕度低于45%時除濕機自動關(guān)閉，超過時則運行除濕工作。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在中跨JJL069梁段布置了溫濕度傳感器，傳感器收集2019年全年的溫度變化數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 中跨JJL069梁段截面箱室內(nèi)溫度

由圖4可見，加勁梁內(nèi)部的溫度變化趨勢與環(huán)境溫度基本一致，數(shù)據(jù)分析表明箱室內(nèi)年平均溫度為20.3 ℃，最高溫度為42 ℃，最低溫度為3.4 ℃，溫度在30 ℃以上的有51 d，溫度在20～30 ℃的有141 d。夏季高溫內(nèi)部溫度較外界溫度高10 ℃左右，主要是封閉空間不利于散熱造成。冬季低溫時內(nèi)部溫度較外界高6 ℃，主要是由于除濕機運行過程中產(chǎn)生發(fā)熱和封閉空間的保溫效果。

2019年全年濕度變化數(shù)據(jù)見圖5。

圖5 中跨JJL069梁段截面箱室內(nèi)相對濕度

由圖5可見，2019年第一季度，加勁梁除濕機升級改造，導致部分除濕機暫停運行，因此該季度室內(nèi)濕度受外界環(huán)境影響較大。期間總體相對濕度為30%～70%，小于外界環(huán)境濕度，平均相對濕度為47.9%，相對濕度45%以上的有80 d。其他時段，箱室內(nèi)年平均相對濕度為42.3%，最高相對濕度為70.4%，最低相對濕度為15.3%，相對濕度45%以上的有83 d。

綜上，單從溫、濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，加勁梁內(nèi)部是低腐蝕的環(huán)境空間，內(nèi)部腐蝕速率應很慢。

根據(jù)2019年橋梁定期檢查報告，發(fā)現(xiàn)該橋33個加勁梁節(jié)段出現(xiàn)了較大面積的霉斑，說明這些節(jié)段所處的環(huán)境存在一定的腐蝕性，具體位置見圖6。

圖6 加勁梁除濕機和霉斑位置分布圖(單位：m)

歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)大部分霉斑出現(xiàn)的位置與除濕機的位置比較接近，除了箱梁內(nèi)部涂裝體系存在問題外，分析其原因如下：①加勁梁內(nèi)部空間，晝夜存在較大溫差，溫度降低，內(nèi)部壓強和絕對濕度基本不變，相對濕度則增加，多余的水蒸氣容易凝結(jié)在鋼結(jié)構(gòu)表面；②鋼箱梁內(nèi)部除濕機間隔較遠，內(nèi)部隔斷較多，導致干燥空氣無法正常流動至各個節(jié)段；③每個節(jié)段兩側(cè)的檢修孔沒有完全封閉，除濕機位置有排氣孔，存在外界濕潤空氣滲入；④除濕機作業(yè)產(chǎn)生熱量，導致附近節(jié)段溫度升高。綜上所述，因此需要檢查發(fā)生霉斑位置的檢查孔和排氣孔的密封是否良好，建議除濕機在降溫過程中保持工作狀況，箱梁內(nèi)部干燥空氣循環(huán)系統(tǒng)持續(xù)流通。

4 錨碇室內(nèi)溫、濕度狀況

橋錨室是大橋的關(guān)鍵部位，內(nèi)部空間大，主纜鋼絲裸露的表面積也最大，內(nèi)部溫、濕度控制要求也高。通過分析錨室內(nèi)2019年溫、濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)，錨室內(nèi)環(huán)境濕度大部分時間在40%～45%，即大部分位于低腐蝕區(qū)到弱腐蝕區(qū)之間，具體見圖7。其中北錨右室有28 d(占7.67%)處于強腐蝕區(qū)環(huán)境，每周1次的經(jīng)常性檢查也證實該情況的存在，建議加強觀測并及時采取措施。

圖7 錨室腐蝕區(qū)監(jiān)測次數(shù)統(tǒng)計圖

5 主索鞍內(nèi)部溫、濕度狀況

該橋在主索鞍處均布置了除濕機，監(jiān)測系統(tǒng)未布置溫濕度傳感器，采用經(jīng)常性檢查進行數(shù)據(jù)分析。在48次檢測中，南塔西鞍罩處于弱腐蝕區(qū)的有2次(占4%)、低-弱腐蝕過渡區(qū)的有11次(占23%)、低腐蝕區(qū)的有35次(占73%)；南塔東鞍罩處于弱腐蝕區(qū)的有2次(占4%)、低-弱腐蝕過渡區(qū)的有14次(占29%)、低腐蝕區(qū)的有32次(占67%)；北塔西鞍罩處于弱腐蝕區(qū)的有1次(占2%)、低-弱腐蝕過渡區(qū)的有16次(占33%)、低腐蝕區(qū)的有31次(占65%)；北塔東鞍罩處于弱腐蝕區(qū)的有2次(占4%)、低-弱腐蝕過渡區(qū)的有14次(占29%)、低腐蝕區(qū)的有32次(占67%)。綜上所述，主索鞍部署的除濕系統(tǒng)使鞍罩

內(nèi)總體處于一個低腐蝕區(qū)的環(huán)境。主索鞍腐蝕區(qū)監(jiān)測結(jié)果見圖8。

圖8 主索鞍腐蝕區(qū)監(jiān)測次數(shù)統(tǒng)計圖

6 結(jié)論

1) 該橋地處亞熱帶海洋性氣候區(qū)，其外界環(huán)境溫、濕度監(jiān)測結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)物處于強腐蝕區(qū)，對關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)耐久性和承載力構(gòu)成較大風險，必須在設(shè)計過程中布置除濕系統(tǒng)。

2) 在大橋加勁梁內(nèi)部布置除濕系統(tǒng)，對降低箱室內(nèi)濕度有一定作用，但仍發(fā)現(xiàn)局部位置產(chǎn)生霉斑。建議在箱梁內(nèi)部可通過布置除濕機建立可通達各部位的內(nèi)部干燥空氣循環(huán)系統(tǒng)，并應保持不間斷運行。

3) 監(jiān)測發(fā)現(xiàn)北錨右室溫、濕度狀況有7.67%概率處于強腐蝕環(huán)境，建議加強觀測并及時采取措施。