大跨徑鋼橋鋼箱梁銹蝕病害分析及養護措施

祝 龍

(遼寧省交通運輸事業發展中心 沈陽市 110005)

0 引言

近幾年來我國公路鋼橋處于飛速發展階段，突破了跨越大江大河的障礙，大跨度鋼結構橋梁的建設速度及規模已處于世界領先地位。我國鋼結構橋梁建設飛速發展的同時在役橋梁出現涂層劣化、鋼板銹蝕、焊縫開裂等病害，導致耐久性降低、使用壽命縮短、維護成本過高等問題，從而加強橋梁運營期養護管理已成為鋼結構橋梁亟待解決的問題。鋼結構會因遭受銹蝕而使凈截面積減小，相應的應力會增大，從而降低鋼梁的承載能力，嚴重情況下還會導致構件發生斷裂，影響橋梁的結構安全及使用壽命。由于銹蝕是導致橋梁上部結構退化的主要原因，因此對鋼箱梁的銹蝕與防護問題進行研究。

1 鋼箱梁銹蝕病害

1.1 鋼箱梁銹蝕機理

鋼材腐蝕主要為電化學腐蝕(也稱為濕腐蝕)，是由于鋼材表面發生電化學反應而產生破壞。鋼材發生電化學腐蝕前提為鋼材處于腐蝕介質中，加上鋼材本身物理及化學性質的不均勻性構成腐蝕電池。在電化學腐蝕過程中，鋼材中的鐵元素作為腐蝕電池的陽極會失去電子，經過一系列的反應最終形成鐵銹[1]。電化學腐蝕中吸氧腐蝕較為常見，吸氧腐蝕是由于鋼鐵表面水膜溶有O2，O2的電子被還原成為OH—，見式(1)和式(2)所示。

2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2

(1)

(2)

由銹蝕機理可以看出，電化學反應一旦生成之后，腐蝕速度會越來越快，如在海洋環境空氣濕度較高，使O2附著于鋼板表面，形成很強的電解溶液，為鋼板電化學腐蝕創造最佳環境。

1.2 銹蝕原因

影響鋼結構橋梁銹蝕因素較多，分為環境因素、構造因素、施工因素及養護因素等多方面。主要對構造、施工及養護管理各個方面進行深入研究，以便從根本上減少銹蝕病害發生的條件。

1.2.1構造因素

橋梁構造取決于設計階段，設計階段在橋梁使用壽命中占有主導地位，不僅要考慮橋梁受力還需關注橋梁的養護，目前橋梁設計理念保證橋梁滿足正常使用極限狀態、承載能力極限狀態及交竣工驗收標準。這種設計思想導致對耐久性考慮不足，使橋梁在使用過程中很容易出現耐久性差、使用性能低等問題。目前的鋼結構橋梁設計主要存在的不足之處：

(1)鋼橋屬于輕型薄壁結構、強度高、跨域能力大，同時鋼橋與混凝土橋梁相比變形較大。在運營過程中為保證行車的舒適性及安全性，鋼橋需設置較多的縱橫向加勁肋，形成較多的尺寸較小的封閉箱室，導致運營期間很難做到近距離養護。

(2)設計階段為了追求結構形式的新穎和創新，忽略了施工可操作性及檢查維護的方便性，導致橋梁施工質量不足，日常養護不能及時發現處理病害，給橋梁腐蝕留下隱患。

(3)鋼橋防護涂裝設計時未考慮區域特點，設計時參考其他橋梁的防腐涂層及規范要求前提下，選用造價成本低廉材料，導致防護涂裝過早地失去防腐效果，出現相應病害。

1.2.2施工因素

施工質量好壞決定了橋梁的使用壽命，因此橋梁施工是保證橋梁安全及耐久性的關鍵因素。近年來我國橋梁數量及施工技術水平已經邁入了橋梁大國行列之中，但施工方面仍存在很多不足之處值得改進，主要體現以下問題：

(1)施工隊伍不規范。大多數鋼結構橋梁的建造過程都是通過一個一個鋼梁節段焊接而成，部分加勁肋通過栓接，但在施工細節上仍然存在很大疏漏，如焊縫中存在未焊滿、未熔合、氣孔、夾渣、咬邊等缺陷，不僅削弱了焊縫面積，在使用過程中極容易引起應力集中導致出現裂紋[2-3]。

(2)施工組織管理混亂。目前我國大型橋梁施工組織上基本都存在層層分包現象，各個單位的技術水平及人員配置參差不齊，導致一座橋的整體質量難以控制，特別在交叉作業處或相互銜接部位，而且這些部位往往是橋梁受力最不利位置或關鍵部位。

1.2.3養護因素

鋼結構橋梁日常養護大大降低了病害的發生，目前我國特大橋及結構復雜的橋梁基本都進行日常養護工作，但仍存在的主要問題有：

(1)隱蔽構件檢查不徹底，如箱室內錨具是否存在漏水、銹蝕等病害，必要時需要打開錨具后蓋檢查錨杯是否積水、銹蝕等，這些部位的漏水得不到及時處理很容易引起周圍的鋼箱梁銹蝕。

(2)養護隊伍不專業，沒有科學的管養體制和健全的技術培訓，好多養護隊伍在鋼箱梁內進行橋梁養護時很隨意，如鋼箱梁銹蝕處理時，未進行鋼板打磨就直接涂刷防腐涂層等現象[4]。

(3)維修不及時或者不進行維修，由于各種原因經費不充足導致無法進行養護維修，從而加劇了銹蝕病害的發展。

1.2.4環境因素

環境因素對鋼橋病害的產生起到重要作用，比如大氣中有害氣體、含有酸性物質的雨水、海洋環境等因素均促使鋼橋發生銹蝕病害，大大降低橋梁耐久性和防腐涂層的使用年限，因此橋梁需采取一定措施盡量降低環境因素對鋼橋耐久性的影響，如箱梁內安置除濕機、箱梁安裝密封門等[5]。

因此為了減少鋼橋銹蝕病害，應從設計、施工、養護管理等各階段著手，在設計階段做好結構細部設計，施工階段做好防腐涂層涂刷質量，養護階段要做到早發現早處理，從而可以有效避免或抑制后期可能發生的銹蝕病害。

2 工程實例

2.1 工程概況

以濱海公路遼河大橋作為依托工程，位于營口、盤錦兩市交界遼河入海口處。主橋采用雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋(見圖1)，其跨徑布置為(62.3+152.7+436+152.7+62.3)m，主橋長866m，主跨處于R=13000m的凸形豎曲線上。主梁為扁平流線形鋼箱梁，其頂板為正交異性板結構，鋼箱梁具體構造尺寸見圖2，鉆石型索塔。大橋地處溫帶，東南臨太平洋，西北靠歐亞大陸，氣候受季風影響很大；且靠近渤海，鹽分含量高，海鹽粒子吸收空氣中的水分后比較易在金屬表面形成液膜，從而引起腐蝕。

圖1 遼河大橋主橋全景圖

圖2 鋼箱梁截面圖

2.2 原涂裝體系

遼河大橋涂裝面積大、維修工作量大且工作條件惡劣、養護成本高，因此設計時采用了耐腐蝕壽命長的防腐涂層，以降低維護費用。本次主要研究鋼箱梁內部防腐涂層，其涂裝體系見表1。

表1 鋼箱梁內部涂層體系

2.3 鋼箱梁銹蝕病害

對遼河大橋鋼箱梁內部腐蝕情況進行全面檢查，發現鋼箱梁內部頂底板均存在腐蝕；鋼箱梁外部涂層能見輕度均勻變色和輕微粉化，底板有點狀銹蝕及泡狀銹蝕。

本次檢測根據銹蝕程度分為嚴重銹蝕(涂層因銹蝕大面積銹蝕)、中度銹蝕(涂層出現局部銹蝕)及輕度銹蝕(涂層表面存在浮銹)。嚴重銹蝕占箱梁內部總面積1.2%，中度銹蝕占箱梁內部總面積0.7%。

2.4 維修方案

對檢查數據分析，鋼箱梁內表面未出現銹蝕的面積占有絕大部分，如去除全部原有涂裝不僅費時費力而且造價增加好幾倍，因此決定對鋼箱梁內表面進行局部銹蝕處理。結合遼河大橋鋼箱梁內的溫濕度、工作環境、防腐要求以及經濟指標對比分析，最終確定鋼箱梁銹蝕維修的涂裝方案[6]：

(1)對箱梁內表面局部銹蝕部位，采用手工清除銹跡，隨后在鋼表面涂上新的防腐涂層。

(2)對鋼箱梁表面針頭狀銹蝕的部位，直接清除粉化層，涂紅丹油性底漆兩道，然后全部覆蓋面漆兩道。

2.5 養護措施

根據本橋的實際情況，按照檢查范圍、深度、方式和檢查結果的用途等不同，橋梁檢查可歸納為下列三類，即日常巡查、定期檢查和特殊檢查。由于箱梁內部處于封閉環境中，并設置了抽濕系統，可保證箱內相對濕度小于50%，防腐壽命要求為50年。

針對大橋制定專有預防性養護方案，預防性養護主要為了延緩病害發生時間，抑制病害進一步發展。預防性養護可以大大降低病害發生的概率，減小病害處理難度，有利于節約養護成本。

3 結論

針對目前國內鋼箱梁養護管理經驗不足的現象，總結了鋼箱梁的病害類型，并分析了成因，基于濱海公路遼河大橋提出了相應養護措施，主要結論如下：

(1)鋼箱梁病害的成因主要有材料、設計、施工、養護及運營荷載和意外事件等。就目前狀況來看，設計技術還有較大提升空間，需注意設計采用的鋼板厚度及防腐設計細節等。

(2)及時全面地了解鋼箱梁的病害，并進行處理，是養護管理工作的重要內容，可以有效避免病害進一步惡化。

(3)對濱海公路遼河大橋鋼箱梁銹蝕和維修進行分析研究，提出了鋼箱梁內部涂裝維護方案。采用該方案不僅可以節約維修成本，而且能夠取得良好的防護效果，可為類似工程的提供借鑒。