嚴寒沿海地區斜拉橋病害問題分析及養護策略研究

楊曉超

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

公路橋梁作為重要的連通樞紐之一，在我國的交通路網中起著至關重要的作用。隨著近年來橋梁工程項目和服役數量的不斷增加，許多橋梁病害問題逐漸被突顯出來，耐久性問題更加受到重視[1]。對于已經服役多年的橋梁，及時發現病害問題、采用合理的養護策略成為提高橋梁耐久性的重要途徑之一。

目前，國內外科研和工程技術人員圍繞如何提升橋梁耐久性進行了大量的研究，總結橋梁常見的病害問題并提出了許多切實可行的橋梁養護策略。陳華濤[2]對鄉村橋梁中所發現的病害問題進行了探究并提出了與之對應的橋梁維護管理措施。陸建兵[3]建議在日常的橋梁病害檢查工作中，以預防、安全、效率、仔細為基本原則，及時發現潛在的橋梁病害問題。任建淑[4]通過實際工程的檢測結果和查閱相關研究資料發現，對于普通橋梁中常見的病害如主梁、墩柱等主要受力構件出現裂縫，應給予足夠的重視并及時進行處理，否則隨著損傷累積將影響結構的安全性。王剛等[5]采用BIM技術建立多平臺的橋梁全方位養護平臺，可通過手機、電腦等移動端實時了解橋梁養護情況。

盡管對于普通橋梁常見的病害問題及其成因和一些相應的養護策略已經有了較為豐富的研究資料，但針對于橋址處于嚴寒沿海地區等特殊橋梁病害問題和防治方法的研究卻相對較少，這對該類橋梁的設計、施工和養護決策制定等階段均造成一定的困難，這將影響橋梁的耐久性和工程項目的可持續性[6]。因此，以某實際橋梁工程為研究對象，通過外觀缺損狀況檢查、材質狀況與狀態參數檢測來分析探究嚴寒沿海地區橋梁的常見病害問題，提出切實可行的橋梁養護決策。

1 工程概況

以我國東北部某實際工程為研究對象，該橋橋址位于近海嚴寒氣候地區，全年氣溫的最低值可達-26.5℃，溫差變化大，且所處的近海大氣環境具有較高的氯離子濃度。另外該橋在經完工驗收后兩年內沒有進行相關的養護工作，全橋自然暴露于大氣環境中，因此可通過對該橋的檢測結果分析了解橋梁處于嚴寒沿海地區時的技術狀況變化，為同類橋梁的設計提供一定的理論技術依據。

該橋全長3026m，主橋為主跨636m的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋結構體系。斜拉索在梁端和塔端分別采用鋼錨箱和鋼錨梁錨固構造。采用高為195m的H型變截面箱形索塔，并設置橫系梁，其余橋墩為箱型截面混凝土墩。該橋立面圖和主橋橫斷面圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 橋梁立面圖(單位：cm)

圖2 主橋橫斷面圖(單位：cm)

2 橋梁病害及成因

通過對該橋梁進行實地檢測，發現斜拉索護套破損、索內鋼絲銹蝕、涂漆層劣化、鋼箱梁銹蝕、混凝土開裂等病害。與普通橋梁相比，處于嚴寒沿海地區橋梁的病害損傷情況更為嚴重，出現次數更多。下面列舉了檢測過程中發現的一些病害情況，并分析了病害的發生原因。

2.1 斜拉索護套損傷

通過對該橋152條斜拉索進行檢測發現其中絕大部分護套出現損傷。其中較為常見的護套損傷包括橫向、縱向開裂破損、刮痕等問題。

由于嚴寒地區室外溫差大，環境惡劣，長期暴露于大氣環境中的PE護套在服役過程中常遭受暴曬、雨雪沖刷、冰凍等作用耦合影響，從而造成材料分子間凝聚力減小，韌性降低。且橋梁斜拉索服役過程中護套隨著索內鋼絲的變形而始終處于高應力狀態，橋面活荷載又使得護套上存在著交變應力作用，當這種交變應力大于受損后材料的分子間作用力時，護套將會發生不同情形的開裂破損。

2.2 斜拉索鋼絲銹蝕

對于斜拉橋而言，其上的絕大部分荷載都將由斜拉索來承擔，而斜拉索的使用壽命往往受到索內鋼絲耐久性的影響。在橋梁斜拉索的病害中，鋼絲銹蝕是較為常見的斜拉索病害情況之一。

索內鋼絲銹蝕原因多為斜拉索護套發生破損開裂等損傷后，索內鋼絲金屬表面與大氣環境中的腐蝕因子發生化學反應而發生銹蝕。如圖3所示為不同環境下鋼材斷面銹蝕情況的SEM圖像，可以發現當僅有雨雪沖刷而沒有發生積聚時，鋼材銹蝕程度明顯輕于雨雪積聚環境。當橋址處于東北嚴寒地區時，冬季斜拉索表面常發生結冰和積雪，將使得索內鋼絲的銹蝕損傷程度更為嚴重。

圖3 腐蝕鋼材斷面的SEM圖

2.3 涂漆層劣化

為防止大氣中較高的氯離子濃度對鋼材和混凝土造成嚴重的腐蝕影響，橋梁鋼構件和混凝土表面均刷涂防腐漆。但本次檢測發現，該橋涂漆層發生了不同程度的劣化損傷。橋梁護欄、欄桿涂漆層劣化檢測的合格率為43.4%，在混凝土箱梁中發現12孔(占全部的16%)出現了16處涂層劣化和漆皮脫落。

嚴寒沿海地區橋梁所處的自然環境較普通橋梁更為惡劣，就我國東北地區而言，一年四季最大氣溫差可達60℃，而直接暴露于大氣環境下的金屬表面的最大溫差可達到100℃左右，這對涂層材料的選擇提出了更高要求，若涂漆材料的線膨脹系數與鋼材或混凝土相差較大，構件母材與涂層之間會產生剪應力作用，當涂層老化粘結力不足時，就會造成涂漆層的破損、起皮和脫落等病害。

2.4 鋼梁銹蝕損傷

該橋梁在墩柱和箱梁等部位出現不同程度的涂漆層劣化和脫落現象且在箱梁內部和拉索鋼錨梁螺栓等部位出現了局部銹蝕損傷情況。圖4可見箱梁內部明顯的水跡且已經引起了該區域局部銹蝕的發生。檢測還發現大量鋼錨梁螺栓防腐漆脫落且發生局部腐蝕。

圖4 箱梁內部鋼材局部銹蝕

當橋梁處于嚴寒沿海地區時，較大的空氣濕度和冬季積雪融化的雪水，容易通過縫隙滲透進入箱梁內部且長時間聚集難以排出，隨著時間推移將影響該區域涂漆層的性質，進而造成積水處鋼材的局部腐蝕病害。而對于直接暴露于大氣環境中的鋼結構而言，一旦防腐涂漆層破損，將使得空氣中的氯離子或灰塵等電化學介質直接與鋼材發生反應引起銹蝕。

2.5 混凝土開裂

通過對該橋梁檢測發現全橋共計76個橫隔梁(占總數100%)存在581條裂縫，其中超限裂縫37條(占總數6%)。共計463條橫隔梁豎向裂縫，其中35條超限裂縫，并發現支座墊石出現環向裂縫。

嚴寒沿海地區橋梁所處的自然環境較普通橋梁更為惡劣，就我國東北地區而言一年四季最大氣溫差可達60℃。而混凝土的熱脹冷縮的性質明顯，受外界環境影響較大，當外部環境的溫度發生大幅度變化時，混凝土內部將產生不同分布模式的拉應力，從而可以引起溫度裂縫的發生。對于嚴寒沿海地區的橋梁來說，這種由于環境溫度大幅變化造成的混凝土開裂現象是不容忽視的。

2.6 橋面鋪裝層病害

在對該橋鋪裝層進行檢測時發現：全橋的伸縮縫處人行道受水侵蝕，鋪裝層局部老化變形、破損，該病害占該橋全部病害的比例較大。

在橋梁服役過程中，橋面將直接與自然環境介質如雨水、積雪等相接觸，加之人或機動車輛的通行也會對其產生摩擦作用造成一定的損傷。又考慮到嚴寒地區冬季將大量使用含有氯離子的除雪劑而造成橋面鋪裝的進一步腐蝕。因此，相對于普通橋梁而言，橋址處于嚴寒沿海地區橋梁的橋面將更容易發生鋪裝層病害。

3 橋梁養護策略

根據以上分析，作者綜合考慮嚴寒沿海地區的環境特點與橋梁養護技術，提出可適用于嚴寒沿海地區橋梁的病害預防和養護策略，減少橋梁病害的發生。

(1)重視斜拉索的養護和修復：當斜拉索PE護套發生破損刮痕長度在3mm以內時可以使用與護套相同的材料直接進行覆蓋焊接修補，當護套開裂破損較為嚴重時應采用加熱套管進行修復。對斜拉索的密封薄弱部位如錨固端等區域進行加強防護，可以采用內填聚氨酯發泡劑、墊密封圈和增設防雨罩等措施。

(2)提高防腐涂漆層質量：對于嚴寒沿海等氣候環境較為惡劣的地區，除鋼結構外還應對混凝土結構表面刷涂防腐漆，應保證涂漆材料膨脹系數等指標符合橋址所在地的相關規范和技術要求，對施工質量加以控制，避免涂漆層過早失效。

(3)主動預防鋼材銹蝕的發生：對橋梁檢查過程中發現的積水、積灰及時進行處理，并在該區域補涂防腐漆。對塔端錨頭等不易檢查的部位應定期進行補涂防腐油工作。對于已經發生局部腐蝕病害的構件，應當先進行除銹后再進行防腐涂料的補涂工作，防止進一步銹蝕的發生。

(4)盡可能應用高性能混凝土：由于嚴寒沿海地區氣候環境復雜，空氣中氯離子含量高，四季溫差較大，對混凝土本身材料性質的要求較高。因此在設計階段，應根據橋址的氣候環境和主要侵蝕因素來選擇合適的化學添加劑和骨料，對橋梁不同部位進行混凝土專項設計，同時還要考慮混凝土電通量和含氣量等參數對材料性能的影響。在施工階段應該嚴格按照相關要求進行混凝土的澆注和養護工作。

(5)及時對混凝土病害進行處理：對寬度較大的混凝土開裂縫隙進行注膠封閉，對寬度較小的開裂可采用涂膠封閉的措施，切忌使混凝土裂縫直接暴露于大氣環境中。對于麻面、掉角等病害，應當先處理掉表面發生腐蝕破壞的混凝土，再應用具有較好耐腐蝕性的砂漿進行修補。

(6)改善橋面系排水：由于嚴寒沿海橋梁所處環境空氣濕度大、冬季積雪嚴重，所以應對橋面系的排水進行合理的優化設計，根據橋址所處環境對橋面傾角和泄水管道等進行專項設計，如有發現排水設施損壞應當及時補修。

4 結論

通過對某實際工程進行實地檢測，分析并討論了嚴寒沿海地區橋梁的主要病害及成因，并結合檢測結果和現有的橋梁養護技術提出了較為合理的適應該類橋梁的養護策略，具體結論如下：

(1)嚴寒沿海地區斜拉橋的常見病害主要有：斜拉索護套破損、索內鋼絲銹蝕、涂漆層劣化、鋼箱梁銹蝕、混凝土開裂和橋面鋪裝層病害等。

(2)相較于普通橋梁而言，嚴寒沿海地區斜拉橋的病害成因更為復雜，多種橋梁病害是由于環境溫度變化大、空氣中氯離子濃度高、冬季積雪融化積水和除雪劑腐蝕等多種原因的復合作用所導致。

(3)嚴寒沿海地區斜拉橋的養護策略應該根據橋址所處氣候環境進行有針對性的調整。建議從重視斜拉索的養護和修復、提高防腐涂漆層質量、鋼材銹蝕的主動預防策略、應用高性能混凝土、改善橋面系排水等方面來提高橋梁的耐久性。