大跨径钢桥钢箱梁锈蚀病害分析及养护措施

祝 龙

(辽宁省交通运输事业发展中心 沈阳市 110005)

0 引言

近几年来我国公路钢桥处于飞速发展阶段，突破了跨越大江大河的障碍，大跨度钢结构桥梁的建设速度及规模已处于世界领先地位。我国钢结构桥梁建设飞速发展的同时在役桥梁出现涂层劣化、钢板锈蚀、焊缝开裂等病害，导致耐久性降低、使用寿命缩短、维护成本过高等问题，从而加强桥梁运营期养护管理已成为钢结构桥梁亟待解决的问题。钢结构会因遭受锈蚀而使净截面积减小，相应的应力会增大，从而降低钢梁的承载能力，严重情况下还会导致构件发生断裂，影响桥梁的结构安全及使用寿命。由于锈蚀是导致桥梁上部结构退化的主要原因，因此对钢箱梁的锈蚀与防护问题进行研究。

1 钢箱梁锈蚀病害

1.1 钢箱梁锈蚀机理

钢材腐蚀主要为电化学腐蚀(也称为湿腐蚀)，是由于钢材表面发生电化学反应而产生破坏。钢材发生电化学腐蚀前提为钢材处于腐蚀介质中，加上钢材本身物理及化学性质的不均匀性构成腐蚀电池。在电化学腐蚀过程中，钢材中的铁元素作为腐蚀电池的阳极会失去电子，经过一系列的反应最终形成铁锈[1]。电化学腐蚀中吸氧腐蚀较为常见，吸氧腐蚀是由于钢铁表面水膜溶有O2，O2的电子被还原成为OH—，见式(1)和式(2)所示。

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

(1)

(2)

由锈蚀机理可以看出，电化学反应一旦生成之后，腐蚀速度会越来越快，如在海洋环境空气湿度较高，使O2附着于钢板表面，形成很强的电解溶液，为钢板电化学腐蚀创造最佳环境。

1.2 锈蚀原因

影响钢结构桥梁锈蚀因素较多，分为环境因素、构造因素、施工因素及养护因素等多方面。主要对构造、施工及养护管理各个方面进行深入研究，以便从根本上减少锈蚀病害发生的条件。

1.2.1构造因素

桥梁构造取决于设计阶段，设计阶段在桥梁使用寿命中占有主导地位，不仅要考虑桥梁受力还需关注桥梁的养护，目前桥梁设计理念保证桥梁满足正常使用极限状态、承载能力极限状态及交竣工验收标准。这种设计思想导致对耐久性考虑不足，使桥梁在使用过程中很容易出现耐久性差、使用性能低等问题。目前的钢结构桥梁设计主要存在的不足之处：

(1)钢桥属于轻型薄壁结构、强度高、跨域能力大，同时钢桥与混凝土桥梁相比变形较大。在运营过程中为保证行车的舒适性及安全性，钢桥需设置较多的纵横向加劲肋，形成较多的尺寸较小的封闭箱室，导致运营期间很难做到近距离养护。

(2)设计阶段为了追求结构形式的新颖和创新，忽略了施工可操作性及检查维护的方便性，导致桥梁施工质量不足，日常养护不能及时发现处理病害，给桥梁腐蚀留下隐患。

(3)钢桥防护涂装设计时未考虑区域特点，设计时参考其他桥梁的防腐涂层及规范要求前提下，选用造价成本低廉材料，导致防护涂装过早地失去防腐效果，出现相应病害。

1.2.2施工因素

施工质量好坏决定了桥梁的使用寿命，因此桥梁施工是保证桥梁安全及耐久性的关键因素。近年来我国桥梁数量及施工技术水平已经迈入了桥梁大国行列之中，但施工方面仍存在很多不足之处值得改进，主要体现以下问题：

(1)施工队伍不规范。大多数钢结构桥梁的建造过程都是通过一个一个钢梁节段焊接而成，部分加劲肋通过栓接，但在施工细节上仍然存在很大疏漏，如焊缝中存在未焊满、未熔合、气孔、夹渣、咬边等缺陷，不仅削弱了焊缝面积，在使用过程中极容易引起应力集中导致出现裂纹[2-3]。

(2)施工组织管理混乱。目前我国大型桥梁施工组织上基本都存在层层分包现象，各个单位的技术水平及人员配置参差不齐，导致一座桥的整体质量难以控制，特别在交叉作业处或相互衔接部位，而且这些部位往往是桥梁受力最不利位置或关键部位。

1.2.3养护因素

钢结构桥梁日常养护大大降低了病害的发生，目前我国特大桥及结构复杂的桥梁基本都进行日常养护工作，但仍存在的主要问题有：

(1)隐蔽构件检查不彻底，如箱室内锚具是否存在漏水、锈蚀等病害，必要时需要打开锚具后盖检查锚杯是否积水、锈蚀等，这些部位的漏水得不到及时处理很容易引起周围的钢箱梁锈蚀。

(2)养护队伍不专业，没有科学的管养体制和健全的技术培训，好多养护队伍在钢箱梁内进行桥梁养护时很随意，如钢箱梁锈蚀处理时，未进行钢板打磨就直接涂刷防腐涂层等现象[4]。

(3)维修不及时或者不进行维修，由于各种原因经费不充足导致无法进行养护维修，从而加剧了锈蚀病害的发展。

1.2.4环境因素

环境因素对钢桥病害的产生起到重要作用，比如大气中有害气体、含有酸性物质的雨水、海洋环境等因素均促使钢桥发生锈蚀病害，大大降低桥梁耐久性和防腐涂层的使用年限，因此桥梁需采取一定措施尽量降低环境因素对钢桥耐久性的影响，如箱梁内安置除湿机、箱梁安装密封门等[5]。

因此为了减少钢桥锈蚀病害，应从设计、施工、养护管理等各阶段着手，在设计阶段做好结构细部设计，施工阶段做好防腐涂层涂刷质量，养护阶段要做到早发现早处理，从而可以有效避免或抑制后期可能发生的锈蚀病害。

2 工程实例

2.1 工程概况

以滨海公路辽河大桥作为依托工程，位于营口、盘锦两市交界辽河入海口处。主桥采用双塔双索面钢箱梁斜拉桥(见图1)，其跨径布置为(62.3+152.7+436+152.7+62.3)m，主桥长866m，主跨处于R=13000m的凸形竖曲线上。主梁为扁平流线形钢箱梁，其顶板为正交异性板结构，钢箱梁具体构造尺寸见图2，钻石型索塔。大桥地处温带，东南临太平洋，西北靠欧亚大陆，气候受季风影响很大；且靠近渤海，盐分含量高，海盐粒子吸收空气中的水分后比较易在金属表面形成液膜，从而引起腐蚀。

图1 辽河大桥主桥全景图

图2 钢箱梁截面图

2.2 原涂装体系

辽河大桥涂装面积大、维修工作量大且工作条件恶劣、养护成本高，因此设计时采用了耐腐蚀寿命长的防腐涂层，以降低维护费用。本次主要研究钢箱梁内部防腐涂层，其涂装体系见表1。

表1 钢箱梁内部涂层体系

2.3 钢箱梁锈蚀病害

对辽河大桥钢箱梁内部腐蚀情况进行全面检查，发现钢箱梁内部顶底板均存在腐蚀；钢箱梁外部涂层能见轻度均匀变色和轻微粉化，底板有点状锈蚀及泡状锈蚀。

本次检测根据锈蚀程度分为严重锈蚀(涂层因锈蚀大面积锈蚀)、中度锈蚀(涂层出现局部锈蚀)及轻度锈蚀(涂层表面存在浮锈)。严重锈蚀占箱梁内部总面积1.2%，中度锈蚀占箱梁内部总面积0.7%。

2.4 维修方案

对检查数据分析，钢箱梁内表面未出现锈蚀的面积占有绝大部分，如去除全部原有涂装不仅费时费力而且造价增加好几倍，因此决定对钢箱梁内表面进行局部锈蚀处理。结合辽河大桥钢箱梁内的温湿度、工作环境、防腐要求以及经济指标对比分析，最终确定钢箱梁锈蚀维修的涂装方案[6]：

(1)对箱梁内表面局部锈蚀部位，采用手工清除锈迹，随后在钢表面涂上新的防腐涂层。

(2)对钢箱梁表面针头状锈蚀的部位，直接清除粉化层，涂红丹油性底漆两道，然后全部覆盖面漆两道。

2.5 养护措施

根据本桥的实际情况，按照检查范围、深度、方式和检查结果的用途等不同，桥梁检查可归纳为下列三类，即日常巡查、定期检查和特殊检查。由于箱梁内部处于封闭环境中，并设置了抽湿系统，可保证箱内相对湿度小于50%，防腐寿命要求为50年。

针对大桥制定专有预防性养护方案，预防性养护主要为了延缓病害发生时间，抑制病害进一步发展。预防性养护可以大大降低病害发生的概率，减小病害处理难度，有利于节约养护成本。

3 结论

针对目前国内钢箱梁养护管理经验不足的现象，总结了钢箱梁的病害类型，并分析了成因，基于滨海公路辽河大桥提出了相应养护措施，主要结论如下：

(1)钢箱梁病害的成因主要有材料、设计、施工、养护及运营荷载和意外事件等。就目前状况来看，设计技术还有较大提升空间，需注意设计采用的钢板厚度及防腐设计细节等。

(2)及时全面地了解钢箱梁的病害，并进行处理，是养护管理工作的重要内容，可以有效避免病害进一步恶化。

(3)对滨海公路辽河大桥钢箱梁锈蚀和维修进行分析研究，提出了钢箱梁内部涂装维护方案。采用该方案不仅可以节约维修成本，而且能够取得良好的防护效果，可为类似工程的提供借鉴。