球型鋼支座抗腐蝕方法研究概述

段昕智，白午龍，黃少文

（1.上海市市政規劃設計研究院有限公司，上海市 200031；2.上海城市路域生態工程技術研究中心，上海市 200031）

0 引言

橋梁支座作為連接上部結構與下部結構的重要組成部件，應具有足夠的承載力，以保證安全可靠地傳遞支座反力，協調梁體的變形與轉動，同時還起到減振耗能、保證橋梁安全穩定的作用。

在橋梁的使用過程中，支座具有集中傳力的特點，在其全壽命周期中一直受到往復力的作用，且常年暴露在外，所以支座成為了橋梁整體結構中的薄弱構件[1]。橋梁支座處很容易產生腐蝕，同時支座的維護和更換異常困難，一旦耐久性受損，可能嚴重影響橋梁結構的安全[2]。

因此，實際工程中應該選取具有良好抗腐蝕性能的支座形式，并采取積極的抗腐蝕措施，以延長支座乃至橋梁整體的使用壽命。

1 球型鋼支座概述

現今橋梁的支座主要有板式橡膠支座、盆式支座和球型鋼支座等形式。

板式橡膠支座可以分為加勁橡膠支座與非加勁橡膠支座，加勁橡膠支座內布置有鋼板，可以提高支座剛度及豎向承載力，限制橫向膨脹變形，大幅增加豎向剛度。板式橡膠支座具有構造簡單、制造容易、成本低廉、安裝方便等優點，主要應用于中小跨徑橋梁。但是其缺點也很明顯，容易出現橡膠老化、龜裂、鋼板外露、不均勻鼓凸與脫膠、支座邊緣脫空、剪切超限和支座位置串動等病害[3]。

盆式支座相對于板式橡膠支座而言體積更大，高度較低，橡膠用量減少，鋼材用量居多，因此支座的質量較大，承載能力和橫豎向的位移能力顯著提升，通常應用于大跨度橋梁。盆式支座經常出現鋼件裂紋、變形、錨栓剪斷、鋼件脫焊、銹蝕、位移轉角超限、密封圈或承壓板擠出等病害[3-4]，同時長期運營也會導致滑板材料逐步磨損，支座摩擦因數增大，活動性能降低。

我國從上世紀70 年代開始研制球型鋼支座，球型鋼支座是在盆式支座的基礎上發展而來的。相比以上兩種支座，球型鋼支座在耐久性等方面具有更突出的優勢。球型鋼支座一般按其水平位移特性予以分類：雙向活動支座：具有雙向位移功能，不承擔水平向荷載的作用，代號SX；單向活動支座：具有單向位移性能，承擔單向水平荷載的作用，代號DX；固定支座：承受各向水平荷載的作用，各向無水平位移，代號GD。球型鋼支座一般由上支座板（含不銹鋼板）、平面聚四氟乙烯板、球冠襯板、球面聚四氟乙烯板和下座板等防塵結構組成[5]，其結構示意見圖1。

圖1 球型鋼支座結構形式

球型鋼支座的主要承壓部件是鋼制的球冠襯板，這使得球型鋼支座繼承了盆式支座的大位移、大承載能力的特點，同時還具有傳力可靠、反力均勻以及轉動靈活等優良特性。與板式橡膠支座和盆式支座不同的是，球型鋼支座避免了橡膠的應用，不存在橡膠的剪切應變[6]，其水平位移和轉動性能主要通過聚四氟乙烯與不銹鋼滑板材料摩擦副系統來實現。

球型鋼支座相比于板式橡膠支座和盆式支座，克服了其材料、結構以及工作原理上的諸多缺陷與不足，具有以下優點[3]：

（1）避免采用橡膠材料，不存在橡膠老化和質量控制問題，鋼材的耐腐蝕性能更好；

（2）傳力路徑明確，克服了盆式橡膠支座中盆環應力集中的缺陷；

（3）支座內部通過平面摩擦副和球面摩擦副之間的滑動實現支座的平面位移和轉角需求，與橡膠支座依靠橡膠變形提供轉角相比，其反力更小，轉動更靈活；

（4）設計容許應力不再受橡膠材料限制，當選用承載能力高、耐磨性好的新型滑動材料時，可有效減小尺寸、降低重量；

（5）滑板材料相比于橡膠，其各項性能指標受溫度變化影響小，溫度適應性更強，可在-40℃～+60℃的溫度下正常工作，在我國南北方區域，甚至嚴寒、大溫差的高緯度地區[7]均適用。

鑒于以上諸多優點，球型鋼支座已經廣泛應用到了國內各地的高鐵高架橋、城市軌交橋梁中，如上海的南浦大橋、佛山西站高鐵橋梁段、河北的大嶺堡大橋[8]、廣州報業文化中心連廊[9]等等。

然而，雖然球型鋼支座避免了橡膠材料的老化問題，但是不可避免的受到鋼材腐蝕的病害，造成支座安全可靠度下降，耐久性大打折扣，尤其是在海洋高濕度、高鹽度等嚴酷腐蝕性環境下，球型鋼支座面臨的受腐蝕形勢極其嚴峻。因此，為了對球型鋼支座進行合理的抗腐蝕保護與設計，前提是了解鋼材的腐蝕機理與影響介質。

2 鋼材腐蝕機理與影響介質

鋼材的腐蝕是鋼材在環境中發生化學反應或者電化學反應，導致材料本身損傷或者性能退化。據中國工程院在“我國腐蝕情況及控制戰略”重大項目的研究結果，2014 年國內腐蝕產生的成本約為2.13 萬億元（其中鋼材腐蝕最普遍），占到當年GDP 的3.34%[10]，足以見得鋼材腐蝕造成的損失之嚴重。

2.1 鋼材腐蝕機理

按照腐蝕的作用性質分類，鋼材腐蝕有三種情況：物理腐蝕、化學腐蝕、電化學腐蝕。

（1）物理腐蝕

物理腐蝕指純粹的物理溶解引起腐蝕破壞，在實際的腐蝕情況中占比較小，比如鋼材在高溫熔鹽、熔堿、液態金屬中的腐蝕。

（2）化學腐蝕

化學腐蝕是指鋼材直接與氧化劑接觸發生化學反應，從而被腐蝕。化學腐蝕中常見氧化劑包括氧氣，氯氣，硫等氣體，但是自然環境中的化學反應導致的化學腐蝕速度相對緩慢。

（3）電化學腐蝕

2.2 鋼材腐蝕影響介質

鋼材所處環境的不同對其受腐蝕程度尤為重要，帶有腐蝕性的物質成分統稱為腐蝕介質，根據環境腐蝕介質的不同，鋼材腐蝕可以分為大氣腐蝕、淡水腐蝕、海水腐蝕、土壤腐蝕、化工介質腐蝕、微生物腐蝕等[12]。對于橋梁支座，常常受到的是前三種腐蝕情況。

（1）淡水腐蝕

淡水主要來源于地表降水，包括雨、雪、冰雹。普通的淡水呈中性，對鋼材腐蝕性低，但隨之環境的變化和空氣中工業排放的污染物增多，水質會形成酸雨，腐蝕性增強。

（2）大氣腐蝕

鋼材由于長期暴露與空氣當中，所以大氣腐蝕具有普遍性，大氣腐蝕情況又可以分為三種情景：干環境、潮濕環境、濕環境。

目前研究發現影響鋼材大氣腐蝕速率的因素主要有[10]：

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a.溫度在零度以上的時候大氣濕度超過臨界濕度的時間長久，這是影響大氣腐蝕速率的最重要因素，腐蝕速率與超過臨界濕度的時間近似呈指數關系；

b.大氣中的腐蝕物質含量，如二氧化碳、二氧化硫、氟化氫、硫化氫、氮的氧化物等，這些物質能夠大大加速腐蝕速率。

c.鹽粒沉降，在自然環境中的常見鹽中，腐蝕速率由高到低依次為NaCl＞Na2SO4＞Na2SO3＞H2O，且對于處在含有以上電解液的環境中的鋼材，僅僅涂抹在表面的試樣比完全浸泡在電解液中的試樣腐蝕速率更快。

（3）海水腐蝕

海水腐蝕指材料或構件在海洋環境中發生的腐蝕。這是一種非常復雜的腐蝕環境，海水中含有大量的氯離子，海洋腐蝕以局部腐蝕為主，往往從鋼構件的表面開始，在小區域發生腐蝕作用并擴大，加上海洋中的微生物、附著生物及它們的代謝產物都會對腐蝕的過程產生促進加速作用[13]。

3 球型鋼支座抗腐蝕保護與設計

3.1 球型鋼支座受腐蝕類型

球型鋼支座由于其所處在橋梁上下部結構的銜接位置，其腐蝕既具有一般鋼結構的腐蝕特征，又有其自身的不同特點，球型鋼支座的腐蝕主要表現為均勻腐蝕（全面腐蝕）、點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕等形態[14]。

（1）均勻腐蝕

此類腐蝕遍布于鋼材表面，所以也叫全面腐蝕，因為是均勻的大規模表面腐蝕，會造成大量的金屬損失，使得支座鋼材厚度逐漸減薄，但由于腐蝕速度均勻，所以從技術層面來看，這類腐蝕對支座的危害并不會很大，可以較為可靠地進行預測以及防護。

（2）點蝕

支座的點蝕是金屬表面在相對集中的小部位發生局部腐蝕。點狀腐蝕的迅速出現，往往是因為點蝕發生前期，會在鋼結構表面的氧化保護層中生成微米級別的小凹陷或微孔，這些微孔處于亞穩定狀態，在外界條件的影響下迅速增生并向內擴張，最終形成大的凹陷和孔穴[15]。

點蝕最常見地發生在沿海地區，因為氯離子半徑小、穿透力強、極性強等特點，很容易到達金屬表面，并且在點蝕形成的凹坑內富集，同時在基體鐵與腐蝕產物膜界面處的雙電層結構會容易優先吸附氯離子，導致該區域陽極溶解加速。金屬基體會被向下深挖腐蝕，形成點蝕坑內陽極金屬的溶解，這一過程屬于氯離子的催化機制，當氯離子濃度超過臨界值之后，陽極金屬將處在持久活化狀態而不會鈍化。因此點蝕坑會不斷擴大、加深。

所以對于沿海等環境下的球型鋼支座，點蝕形成的蝕孔出現位置、腐蝕程度等難以通過有效的檢測方法做出評估及預測，一旦支座形成了嚴重的腐蝕穿孔，往往可能導致承載力大幅下降甚至失效，隱患極大，因此需要特別關注球型鋼支座的點蝕病害。

（3）縫隙腐蝕

在安裝支座時，支座墊石頂面不水平或梁底不平整，墊石砂漿不密實，與支座連接不牢固，緊固件松動或者橋墩、橋臺等的不均勻沉降、傾斜，上部結構的水平移位與振動變位等諸多原因，都會形成縫隙，進而發生縫隙腐蝕。

縫隙腐蝕的結果會導致橋梁支座強度降低，與其他構件吻合度變差。隨著縫隙內腐蝕產物體積的增大，會引起局部附加應力，鋼支座的承載能力降低。同時，當支座處于通風不佳、濕度高或凍融地區時，縫隙腐蝕更容易產生局部高腐蝕速率，危害球型鋼支座健康。對于球型鋼支座，還應避免支座內部構件的連接面產生積水，一旦球冠襯板腐蝕生銹，將直接損害支座的位移轉動性能，從而潛在威脅橋梁的安全位移。

（4）應力腐蝕

應力腐蝕的發生往往是因為在腐蝕與交變應力的聯合作用下，產生較大的局部應力與疲勞，鋼材表面氧化膜破壞，形成微裂紋，產生斷裂應力腐蝕。應力腐蝕是疲勞應力與腐蝕相互作用的結果，在兩者的疊加作用下，既能加速球型鋼支座上疲勞裂紋的擴展，又加深了腐蝕的程度，從而導致支座失去有效支撐作用，誘發安全隱患。

3.2 球型鋼支座抗腐蝕保護措施

為了提升球型鋼支座的耐久性，目前的手段主要有以下方面：

（1）提升基材的耐腐蝕性能

通過在支座所用鋼材中加入能提高鋼材抗腐蝕性能的合金元素，如鉻、鎳、錫、鈦等，制成合金鋼材，能夠有效地提高鋼材的抗腐蝕能力。

現今，耐候鋼的應用也越來越廣，耐候鋼通過在其表面形成連續、致密的堅硬內銹層，有效阻礙腐蝕性氣體和介質向基體滲透。目前的耐候鋼按化學成分可以分為銅磷鋼和銅磷鉻鎳鋼，有Q295GNH、Q295GNHL、Q345GNH、Q345GNHL、Q390GNH 等型號，將耐候鋼引入至球型鋼支座中，可以顯著提高其耐腐蝕性能。文獻“高濕熱環境下隔震支座連接板防腐技術經濟分析”[16]分析了重度防腐涂層、熱噴涂、耐候鋼三種支座防腐方案的全壽命累計費用現值，見圖2，可見耐候鋼在長期使用情況下具有經濟合理性。

圖2 不同方案全壽命累計費用現值比較

（2）采用特殊工藝

目前鋼材防腐的工藝多種多樣，可選擇性很大，可以應用到球型鋼支座中的主要有以下幾種：

a.火焰噴涂：將鋅鋁等金屬高溫熔化，通過專業設備將其噴涂到橋梁鋼結構表面，冷卻凝固形成保護層。這種方法的優勢在于不僅可以有效地將鋼結構與外界環境隔離，同時金屬涂層可以利用犧牲陽極保護陰極的方式對鋼結構進行保護。這種防腐在實際應用中的缺陷在于對于球型鋼支座這種受集中力及往復力的構件來說，支座鋼材表面的金屬涂層容易脫落[17]。

b.熱浸鍍鋅：首先用酸溶液將支座上的銹漬清洗干凈并保持濕潤，然后將放入準備好的高溫鋅溶液中浸泡并取出，冷卻一段時間后鋼結構部件表面會形成一層保護層，有效的將球型鋼支座與外部腐蝕環境分離；另一方面當涂層損壞后也可以通過犧牲陽極的方式對球型鋼支座進行保護。

c.非金屬覆蓋：又叫涂層防護，是最常用的鋼材防腐手段。由于氣候環境以及工業等因素，而無法用一種涂料來抵抗各種情況的腐蝕，所以現階段對于涂料涂裝常采取多層涂料疊加的方式，這種方式的優勢在于操作方便工期短，缺點在于涂料的防腐蝕周期比較短，應用到球型鋼支座中，需要定期維護。

d.陽極犧牲與陰極保護：對于需要在水下或地下使用的鋼結構，普遍采用了陰極保護的防腐方式，陰極保護有外加電流和犧牲陽極兩種形式：外加電流措施是對于裸露的鋼構件實施外加電流，犧牲陽極措施主要利用比鋼材的電位更負的金屬和合金制成犧牲性的陽極，從而使鋼結構本身免遭腐蝕。研究表明，陰極保護技術是海工環境下行之有效的防腐蝕措施，經采取該措施后的鋼結構腐蝕速度可大大減少，僅為未保護鋼結構的5%～10%，且犧牲陽極的方法具有施工簡便、工期短、不需專人維護管理等優點[18]，對于更換難度大的支座來說，是很合適的一種防護措施。

3.3 新型球型鋼支座的抗腐蝕設計與應用

除了前述的抗腐蝕保護措施，也可以針對支座所在的工程環境，對球形鋼支座結構形式進行創新設計，以改善抗腐蝕性能，現今國內外的學者已經針對球型鋼支座的耐腐蝕性研發了各種形式的新型球型鋼支座。

胡選儒等在2004 年研制了“HFQZ 防海洋大氣腐蝕球型支座”[19]，采用“耐腐材料+金屬噴涂+重防腐涂裝體系”的防腐技術，用預壓緊隨動式密封裝置和球冠包覆不銹鋼板的方法來保證支座在海洋大氣強腐蝕環境下的正常使用壽命不小于50 a，采用內置式調高和預埋套筒結構，方便支座維護與更換，已經應用到了東海大橋和廈門環島路實際工程中。

金家康等在2011 年研發了“ZXQZ（JF）絕緣防腐球型鋼支座”[20]，其防腐體系由兩部分組成：內防腐體系，支座鋼部件采用耐候鋼；外防腐體系，支座上座板和下座板等主要鋼部件外防腐涂層采用聚脲涂層，支座預埋鋼板外防腐涂層采用鋅鎳涂層防腐體系，螺栓孔內涂抹防腐黃油。采用內外結合的防腐體系，大大延長支座鋼部件防腐維護的周期,極大降低了支座鋼部件防腐維護的成本。支座預埋鋼板保護涂裝采用鋅鎳涂層防腐體系，鋅鎳涂層防腐體系耐侯性優異，防腐性能穩定可靠。

王禎等在2017 年研發了“耐候鋼球型鋼支座”[21]，有效提高鋼支座的耐腐蝕性能，延長使用壽命，節省大量的維護成本，平面滑板和球面滑板能夠增加各部件的耐磨性、自潤滑性、抗沖擊性，連接件能夠有效的提高定位以及裝配的效率，降低維護等后期操作的難度。

瑞士的Hermann Weiher 和Simon Hoffmann 將超高性能混凝土（UHPC）和超高性能纖維增強混凝土（UHPFRC）應用到球型鋼支座中，見圖3，他們用上述兩種材料代替了部分鋼材，制成凹型構件，具有制造簡單，可塑性強的優點，同時通過試驗驗證了其耐久性[22-23]，同時因為使用了超高性能混凝土，保障了其耐腐蝕性能。

圖3 用UHP C 制作的球型支座

球型鋼支座的耐久性也與抗腐蝕性息息相關，假如可以提高其耐久性，對抗腐蝕性能，尤其是前面所述的縫隙腐蝕防護將起到重要的作用。目前球型鋼支座耐久性的決定性因素是滑板材料。聚四氟乙烯是在我國球型鋼支座中應用最早、用量最多的材料，近年新興的支座采用改性超高分子量聚乙烯的球型鋼支座，該種材料的容許設計應力高，為聚四氟乙烯的1.5 倍，其次，該種材料的耐磨耗性能優異，其拉伸強度和扯斷伸長率均滿足技術要求，且磨耗率和摩擦系數均較低，性能保持穩定[24]。因此，該種材料可以滿足不同溫度環境內的使用要求，以提升球型鋼支座的整體耐久性，從而降低球型鋼支座的結構缺陷，減少腐蝕的潛在威脅。

4 結論與展望

球型鋼支座的應用越來越廣泛，在橋梁工程建設環境紛繁復雜的背景下，對球型鋼支座的抗腐蝕性能提出了更高的挑戰。高效且經濟地做好球型鋼支座的防腐保護，對我國嚴寒、高濕度、高海拔、海工等環境下的橋梁工程建設具有重大的意義。目前，國內外已經有很多學者針對球型鋼支座的抗腐蝕保護手段開展了諸多學術研究和項目研發。

將來可以引進更多的新材料、新工藝、新設計到球型鋼支座中，同時可以通過定性、定量分析與科學試驗手段結合的方式，深入研究新型球型鋼支座的抗腐蝕試性能，以更成熟地將支座創新技術引入到橋梁工程中去。