鋼桁架橋典型病害調研及工程實例分析

章宏輝，杭 京，沈建華，彭麒悅，鐘 悅

(1.浙江工業大學土木工程學院，杭州 310014；2.長興縣運通公路養護中心，浙江 湖州 313100)

0 引言

我國橋梁建設和發展取得了巨大進步，鋼結構應用也成為未來橋梁建設趨勢所向。然而鋼結構橋梁建設技術出現不平衡現象：一方面是特大橋的高水準應用，另一方面是中小橋的低水準應用且關注度較少[1]。在此情況下，導致鋼結構中小橋的養護方案較欠缺，甚至有的鋼結構橋梁竣工運營多年后其養護記錄為零。現已運營的鋼結構橋梁存在不同程度的病害損傷，如不采取人為干預，任由病害發展，原有的構件強度削弱，最終將影響整體結構的安全。因此，鋼結構中小橋的病害防治任務逐漸顯現其重要性。

鋼橋的病害產生受多方面因素的影響，可簡單劃分為化學分析和物理分析兩個角度。基于化學分析角度，由于鋼結構橋梁長期暴露在外界環境，其表面與周圍環境中的有害介質發生化學及電化學反應，當涂層性能較差時，有害介質便會破壞涂層，滲透至內部鋼材表面，使鋼材產生銹蝕，進而造成整體構件腐蝕劣化，降低橋梁結構的承載能力[2]；基于物理分析角度，鋼橋在運營使用階段，螺栓節點、連接焊縫等在循環荷載作用下產生裂縫、螺栓脫落等病害。橋梁螺栓脫落大致可分為兩大類，一類是螺栓發生斷裂，一類是螺栓發生松動，失去連接作用。高強螺栓的脫落或斷裂，會降低鋼橋構件的強度以及穩定性，影響橋梁的安全使用性能[3]。

目前對外觀病害統計主要以定期人工巡檢為主，檢測人員對橋梁外觀缺陷做評判記錄，形成橋梁檢測報告，供業主單位參考，但該方法工作強度大、效率低，受工作空間限制，對檢測人員專業知識水平要求較高[4]。對鋼橋構件內部缺陷檢測采用無損檢測方式(Nondestructive Testing)，需借助檢測儀器設備，且費用較高。隨著非接觸式檢測技術不斷發展，病害識別算法成為研究熱點之一，有研究學者提出一種橋梁裂縫病害圖片自動識別卷積模型(BCDP-AR)，實現病害自動識別和成因預判[5]。此外，借助無人機遙感技術進行橋梁病害檢測，可突破工作空間限制，提高橋梁檢測效率[6,10]。

針對鋼橋出現的各類病害，周期性檢查維護尤為重要。通過定期橋況調查，可及時發現破損與病害跡象，有針對性地采取預防性養護措施，防止病害進一步擴大[7]。現有的養護工作一般分為以下兩種方式：第一類屬于常規性養護，保持鉚釘螺栓接合和焊接處于正常狀態，防止橋梁桿件銹蝕，矯正橋梁桿件局部變形等[8]；第二類是基于實時監測的橋梁健康評估系統，該系統從整體結構上對橋梁運營進行安全監測，如果橋梁存在安全隱患，健康系統發出預警后及時采取治理措施，保證橋梁安全運營[9]。

本文基于鋼橋研究現狀和延長鋼橋使用壽命任務需求，對長興縣某座鋼桁架橋梁開展系統調研。應用無人機檢測技術對鋼桁架橋梁外觀進行全方位圖像采集[10]，檢測確定已存在的病害種類、數量，形成橋梁病害檔案，提出典型病害處治及養護措施，為同類鋼結構橋梁治理養護提供借鑒參考。

1 工程概況

1.1 橋梁

浙江省長興縣某鋼桁架橋為三跨半穿式鋼桁架連續梁橋，是長興縣境內的第一座鋼橋，也是國內首座該類型的城市橋梁。該橋位于長興縣經四路南延線上，上跨長興港，采用(62m+100m+62m)三跨下承式連續鋼桁架結構。通航標準為VI級航道，通航凈高為4.5m，設計車速為40km/h，設計汽車荷載為城—A級，人群荷載為3.5kN/m2。

橋梁縱坡2.9%，豎曲線半徑2 000m，橋面設1.5%雙向橫坡，橋面全寬30m。主桁采用無豎桿的華倫式三角形腹桿，節間長度為8m和10m。中跨跨中桁高5.76m，中支點桁高17.39m，兩片桁中心距18.08m，懸臂距主桁中心5.96m。桁內中間設4車道，懸臂設2m人行道和3m非機動車道。

圖1 鋼桁架橋工程實例

1.2 構件

1.2.1 構件形式

主桁、下平聯、橫撐和橋門架為桿系結構，橋面板為組合結構。主桁節點采用整體節點，在工廠焊接制作，工地通過高強螺栓在節點外拼接。主橫梁通過高強螺栓和拼接鋼板連接主桁節點。由于桁梁較寬，下平聯采用雙X形式，與弦桿在節點處相連，以抵抗橫向風力及弦桿變形產生的內力，下平聯全橋通設。桁架中墩處設橫撐和橋門架。

主橋橋墩為實體式柱式橋墩，墩柱設計為圓臺狀，主結構為直徑2.3m的鋼筋混凝土柱式結構，外飾漿砌條狀塊石。承臺設計為近似圓臺狀，全高2.2m，直徑8.157m，基礎為直徑1.5m的鉆孔灌注樁。橋臺采用三肋式橋臺，承臺高2m，基礎為直徑1.2m的鉆孔灌注樁。

1.2.2 構件材料

橋梁主體結構(下弦桿、上弦桿、腹桿、橋塔豎桿、主中橫梁、次橫梁、次縱梁、下平聯、橫撐、橋門架及橋面板)采用Q345qD鋼，符合GB/T714-2000的要求。部分輔助結構(防撞護欄和人行道欄桿)采用Q235B鋼，符合GB/700-2006的要求。高強度連接副由一個10.9S高強度大六角頭螺栓、一個10H高強度大六角頭螺母、兩個HRC35～45高強度墊圈組成，其型式尺寸、技術條件及標記符合GB/T1228～1231—2006的規定。

橋梁外表面涂裝采用鐵路第7涂裝體系，包括：噴砂除銹+底漆+中間漆+面漆。栓接點螺栓、螺栓頭處涂裝特制的環氧富鋅底漆，涂裝前螺栓應除油，螺母和墊片應清除皂化膜。主桁箱形桿件內隔板以內部分噴砂除銹，箱梁截面形成后，對端隔板以內部分采用封閉式措施，端隔板所有縫隙、空洞使用彈性密封材料封堵嚴密，防止水汽進入引起鋼板銹蝕。

2 無人機采集橋梁病害的方法

鋼桁架橋梁結構形式多為兩片主桁架以及橫向支撐組成。大型鋼桁架橋為保證其結構強度、穩定的要求，豎向高度與縱、橫向跨度呈正相關。為突破空間限制，降低鋼橋病害檢測成本，無人機檢測技術是較優選擇[7]。無人機可定點懸停觀測、實時傳輸拍攝畫面，與常規檢測相比，具有較多優勢：降低檢測成本；隨著無人機技術快速發展，無人機各項功能滿足工程檢測需求，應用領域廣泛；設備由蓄電池供電，使用成本遠低于橋梁檢測車和搭架檢測；高精度的空中檢測，多軸飛行器運用高分辨率攝像機的搭載，可以應對多種復雜橋梁病害的高精度拍攝，實現病害定點360°全方位識別；后期維修養護較為方便。采用無人機拍攝對橋梁整體結構進行病害識別，可形成系統性的橋梁病害檔案。

根據無人機采集圖像分辨率，同時減少圖像采集數量，將本文工程實例的鋼橋采樣區間劃分為東西兩側各12個區域，針對各區域進行病害圖像數據采集，完成病害圖像數據歸檔。

圖2 全橋區域劃分

為保證全橋上部結構病害采集完整，不遺漏鋼橋任何一個邊角，采用以下拍攝方式：

(1)無人機圖像采集鏡頭垂直于主桁面(東、西兩片桁架)，采取拍照模式獲取桁架結構各區間的圖像，如圖3所示。

圖3 主桁圖像采集

(2)由于桁架內側有橫向支撐、門式桁架等障礙物，內側無人機由上而下俯視拍攝兩片桁架，采取拍照模式獲取該區間的圖像，如圖4所示。

圖4 細節圖像采集

(3)橫向支撐、門式桁架等構件與第(2)步采樣方式相同，采取拍照模式獲取該區間的圖像。

(4)最后對全橋全方位錄像拍攝，收集構件細節的圖像。

3 鋼橋典型病害及原因分析

在鋼橋的病害分析中，產生的腐蝕為一般攻擊腐蝕、局部腐蝕和環境腐蝕等三種[11]。腐蝕病害產生的起因是涂層在負載環境下劣化后起泡，逐漸發展成涂層開裂，緊接著是涂層剝落，最后開始內部鋼材直接暴露發生銹蝕。

3.1 鋼材銹蝕

鋼結構橋梁的銹蝕病害是一種緩慢的氧化反應，發生銹蝕病害需要一定的濕度、溫度、氧氣和大氣中有害介質的綜合影響，一旦構件表面的涂層開裂或脫落，所處環境相對濕度較大，水汽在金屬表面形成水膜，空氣中的氧氣透過水膜到金屬表面產生化學作用，從而容易使構件發生銹蝕病害。長興縣屬亞熱帶海洋性季風氣候，光照充足、氣候溫和、降水充沛、雨熱同季、溫光協調，在此大氣環境下，滿足鋼材銹蝕產生的基本條件，如工程實例鋼橋便存在大量銹蝕。銹蝕病害中的主要化學成分是鐵銹，鐵銹是一種棕紅色的物質，易吸收水分，如不及時去除，將加快構件銹蝕速度，導致銹蝕病害大面積成群出現。

構件表面銹蝕，除涂層開裂、脫落導致銹蝕的原因外，另一原因是由于涂層表面清潔度差，表面黏附的灰塵或其余雜質在一定程度上阻止水分流失，形成水膜后各類有害介質進入膜體內，提高水膜導電性能，從而加速構件表面涂層、內部鋼材的銹蝕過程。如工程實例橋梁主桁架橫向構件產生銹蝕的頻率高于其他垂直構件產生銹蝕的頻率，構件向上表面銹蝕的頻率高于其他面的頻率。

圖5 腹桿面板銹蝕

圖6 主桁架上面板銹蝕

構件邊角周圍也是銹蝕病害常見發生的位置，這一類位置有主桁梁外伸翼緣處和腹桿邊角等。主桁架外伸翼緣位置容易吸附雨水，產生水膜后與上文中表面銹蝕相同。腹桿邊角位置主要是由于涂層較薄，劣化速度快，易發生涂層開裂，進而產生銹蝕病害。

圖7 主桁架外伸翼緣銹蝕

圖8 腹桿邊角銹蝕

焊縫銹蝕是由于在噴涂漆膜階段為防止局部過熱產生焊縫劣化，焊縫處涂層厚度比其兩側表面涂層厚度薄，在相同環境因素影響下，焊縫處涂層先發生開裂，并且裂縫沿焊縫方向發展一般呈長條狀。

圖9 焊縫銹蝕

構件排水口也是銹蝕病害易發部位，銹蝕痕跡分布沿水流呈現長條形銹斑，嚴重程度與排水后距離呈正相關。由于該位置與水分接觸的頻率最高，也是銹蝕易發部位。如工程實例橋梁部分排水口曾進行簡易養護，但其中部分出水口在相同位置出現了二次銹蝕，涂層發生了明顯的劣化翹起。

語言教學不僅需要良好的語言教學能力，更需要具備良好的語言教學策略，語言教學策略指得是為了達到教學目標，采取一系列的語言手段。促進幼兒更好的掌握語言運用能力。語言教學能力對幼兒學習有著重要的影響，只有采取正確的教學策略，才能促進幼兒學習能力的提升。所以教師應該根據實際情況，不斷學習，逐漸提高自身的語言教學能力。

圖10 無養護排水口銹蝕

圖11 養護后二次銹蝕排水口

3.2 涂層劣化

3.2.1 涂層開裂、剝落

涂層開裂現象是漆膜出現不連續的外觀變化，嚴重處漆膜完全脫落，內部鋼材裸露[12]。產生該病害的原因是在噴涂階段有不規范的操作[11]：噴涂層過熱，即噴涂距離太小或噴槍移動速度過慢，引起涂層局部過熱，冷卻后產生裂縫；噴涂層厚度不均勻，導致涂層收縮率不均勻，出現裂縫。此外，最常見的開裂原因是構件表面起泡，產生原因之一是由于在涂層老化過程中失去與構件的黏附力，內部氣體受熱膨脹使表面涂層突起，一般呈非規則圓形凸起狀，隨著內部氣體不斷增加最終導致涂層開裂；除氣體受熱膨脹以外，構件表面在噴涂前存在油污、塵土等物質和潮氣、水珠等揮發性液體存在，在環境溫度形成催化作用下產生化學反應生成氣體。

噴涂操作不規范和構件本身不清潔成為涂層開裂的主要原因，進而發展成涂層剝落。涂層剝落一般都是在涂層開裂后，內部構件與涂層的黏結力逐漸減弱，形成較大的涂層翹起，最終導致開裂涂層的剝落。

圖12 涂層起泡

圖13 涂層剝落

3.2.2 涂層變色

漆膜表面顏色因環境氣候原因，與其周圍顏色產生異同。主要原因是由于涂層內的樹脂或顏料受到污染而改變了局部涂層的內部結構變化顯現出不同的顏色[13]；涂層受到光化學反應而變色；涂層受到高溫干燥而發生變色；以及受到紫外線的直射導致涂層變色。如工程實例橋梁中發生的涂層變色的最大原因是由于涂料本身發生了變化，因為在整橋病害中僅北部主桁架存在上面板涂層變色，故涂料自身變化成為主要誘因之一。

圖14 涂層變色

3.2.3 清潔度差

清潔度差是指構件表面黏附大量灰塵、油污。如工程實例橋梁下平聯由于在建設期間遺留建筑材料，成橋后未進行清理，導致該位置積留大量雜物。腹桿下端也存在大量油漬、污垢，螺栓安裝過程中，未及時清理油污，安裝完成后油漬開始向下滲透，并且油污在水流的帶動下不斷向下延伸。橫向支撐存在大量水漬，因為工字鋼形成封閉凹槽累積雨水，水分蒸發后留下灰塵、污垢。

圖15 涂層污漬

圖16 涂層水漬

3.3 螺栓銹蝕、脫落

3.3.1 螺栓、連接板銹蝕

圖17 螺栓銹蝕

圖18 螺栓連接板銹蝕

3.3.2 螺栓脫落

螺栓脫落的主要原因一是螺栓本身的質量問題，二是使用階段的客觀條件造成螺栓斷裂。

螺栓自身問題：煉造高強螺栓在復雜的生產環境內澆筑鋼液會混入鎂、鈣等耐火材料碎塊，從而導致高強螺栓局部出現晶界脆化，出現潛在的裂痕隨時間推移出現螺栓斷裂。

使用階段的各種因素影響：一方面，橋梁在拼裝過程中經常會出現對孔不精準，導致螺栓受力不均，出現螺栓斷裂。或是施工時螺栓超擰值超標、摩擦面處理等施工工藝控制不精確等問題，導致螺栓在成橋后正常使用階段，由于受到搭接板的剪切力，或是超擰后使用階段超出螺栓抗拉強度而導致螺栓斷裂；另一方面，橋梁成橋后使用階段，線路開通運營后，鋼桁架橋梁在行車循環荷載作用下，運營初期螺栓群應力重新分布，局部螺栓受力較大，超過螺栓的抗拉強度，出現斷裂現象。

圖19 螺栓脫落

4 鋼桁架橋典型病害治理及維修建議

4.1 防腐涂裝

鋼結構防腐涂裝的檢查維修主要包括[14]：(1)檢查。鋼構件油漆損壞或失效，表現為漆膜粉化露底、龜裂剝落、起泡及吐銹等。(2)除銹。鋼結構涂裝前，對其表面進行清理。鋼構件除銹及表面處理的目的在于去除塵埃、油垢、水、氧化皮、鐵銹或舊的不堅固的漆膜，以增強新涂漆膜的附著力，提高油漆質量。(3)油漆。油漆的種類很多，性能不同，鋼構件上使用的油漆要求防銹性能和耐候性能良好。

4.2 高強螺栓檢查維護

焊縫連接和高強螺栓連接是鋼桁架橋兩種主要的連接方式，如工程實例鋼桁架橋使用了近14 000副高強度螺栓連接副，因此，在橋梁后期運營過程中高強螺栓的使用和質量對橋梁的正常運營和安全起著至關重要的作用。

高強螺栓檢查時若發現松動或銹蝕嚴重時應予以更換，對于松動的高強螺栓嚴禁加以擰緊后重新使用。嚴格控制高強螺栓設計預緊力，建議采用控制扭矩的電動扳手，施擰前扳手需檢測標定。更換時，高強度螺栓、螺母、墊圈必須按生產廠家提供的批號配套使用，并不得改變其出廠狀態。

4.3 定期清潔

保持鋼桁架橋梁整體清潔度。施工完成后應清除所有遺留的建筑材料，必要部位重新清洗涂漆。運營階段，管理養護部門需定期對整橋巡檢，清理下桁底部的廢棄物，去除腹桿表面吸附的油污、灰塵，發生銹蝕的部位需除銹后重新噴漆。

5 結語

鋼結構橋梁的定期巡查與合理養護一定程度上可延緩橋梁老化損壞速度，延長橋梁的使用壽命。由于養護的成本將以多倍的價值折現至橋梁使用中，面對每一次的檢查都應規范檢查程序、提升檢查手段和端正檢查態度；對于普通鋼結構橋梁，則按照一般養護手冊的規章進行養護；對于特殊鋼結構橋梁，則將橋梁養護系統化、定制化，系統劃分各類鋼結構橋梁養護的注意要點，定制專屬的養護手冊。積極歸納總結巡查中發現的問題，對其進行分析研討，提出對應的維修養護措施。完成維修工作后采用文字和照片形式予以記錄，形成工程實例橋梁的健康檔案，不斷提高養護水平和養護工作質量。