海洋環境下橋樑鋼結構耐久性情況的研究論文
海洋環境下橋樑鋼結構耐久性情況的研究論文
相比於傳統的鋼筋混凝土結構，鋼結構由於輕質高強、方便施工和模組化高等優點而在工程結構，尤其是在大跨結構中得到廣泛應用。然而，由於鋼結構的構件薄壁特性、基材的電化學性和防護塗層的老化退變等原因，鋼結構容易產生腐蝕和疲勞耐久性問題，導致鋼結構區域性和整體的承載能力下降，鋼結構的服役安全性隨之退化降低。由於橋樑鋼結構的大體量和交通執行的持續性等特點，一旦發生耐久性病害和損傷，橋樑鋼結構耐久性的修復和加固難度成倍增加。本文就國內橋樑鋼結構耐久性情況進行了調查分析。
隨著我國沿海經濟的快速發展，快(高)速交通網路的需求持續增長，大規模跨海大橋的建設正在籌劃和付諸實施。自上世紀九十年代初，我國陸續建設了一批具有代表性的大型跨海大橋，如青馬大橋、東海大橋和杭州灣大橋等，而未來十年我國將在沿海地區開展較大規模的大型跨海大橋的建設實施，建立連線經濟熱點地區的沿海快速物流通道，形成沿海地區的高速交通網路。結合既有大跨橋樑建設經驗和大跨橋樑建設的設計理念，即將建設的大型跨海大橋的主樑將採用以鋼箱梁為代表的橋樑鋼結構形式。從已有的研究成果來看，江河流域的大跨橋樑鋼結構由於服役年限大小而或多或少地出現了腐蝕和疲勞耐久性問題，給橋樑的養護管理帶來了較大的挑戰。
相比於內陸地區的'江河環境，海洋環境下的橋樑鋼結構將面臨更加嚴峻的自然環境侵蝕和極端環境條件作用，輔之以大流量、重灌載車輛荷載的長期持續作用，海洋環境下的橋樑鋼結構的耐久性問題勢必更為嚴峻。
因此，在開展大規模跨海大橋的建設前，有必要針對海洋環境下橋樑鋼結構的耐久性開展全面、深入地的現場調研，探索性地研究江河環境和海洋環境下大跨橋樑鋼結構的耐久性退化規律，初步瞭解和掌握施工質量、服役環境條件等因素對橋樑鋼結構耐久性的影響，提取海洋環境下提升橋樑鋼結構耐久性的施工質量和運營養護管理的關鍵控制因素，對海洋環境下橋樑鋼結構的耐久性研究開展未雨綢繆地思考，為沿海地區跨海大橋的建設實施和養護管理提供有益的技術參考和幫助。
透過調查代表性地區的典型大跨橋樑鋼結構的耐久性現狀，探索性地研究江河環境和海洋環境下大跨橋樑鋼結構已出現的耐久性退化規律，初步瞭解和掌握施工質量、服役環境條件等因素對橋樑鋼結構耐久性的影響，提取海洋環境下提升橋樑鋼結構耐久性的施工質量和運營養護管理的關鍵控制因素。
一、橋樑鋼結構耐久性現場調研專案概況
針對海洋環境和江河環境選取了金塘大橋、西堠門大橋、桃夭門大橋、杭州灣跨海大橋、江東大橋、江陰長江大橋、泰州長江大橋和虎門大橋等八座大跨徑橋樑，著重對各座橋樑的鋼箱梁開展了耐久性狀況的現場調查工作，各座橋樑的概況如表2.1.1所示。從表中可以看出，八座橋樑中的四座為跨海大橋，四座為跨江(河)大橋;四座為斜拉橋，四座為懸索橋;橋齡最長的為虎門大橋(17年)，橋齡最短的為泰州長江大橋(2年);主跨最大的為西堠門大橋(1650m)，最小的為江東大橋(260m)。由此可知，所選取的橋樑在環境型別、橋樑形式、服役年限、主跨跨度等方面具有較強的代表性，涵蓋了大跨橋樑引數的主要變化範圍，相關調研及研究結果能夠如實反映既有大跨橋樑鋼結構耐久性的現狀，相關結論可為海洋環境下大跨橋樑鋼結構耐久性的工程應用技術研究提供基礎性支撐。
表2.1.1 專案調研橋樑概況表
橋樑名稱 地區 環境型別 通車時間 橋齡 結構形式 主跨跨度
金塘大橋 浙江省 海洋環境 2007年 7年 斜拉橋 620m
西堠門大橋 浙江省 海洋環境 2010年 4年 懸索橋 1650m
桃夭門大橋 浙江省 海洋環境 2003年 11年 斜拉橋 580m
杭州灣大橋 浙江省 海洋環境 2003年 11年 斜拉橋 325m
江東大橋 浙江省 江河環境 2008年 6年 斜拉橋 260m
江陰長江大橋 江蘇省 江河環境 1999年 15年 懸索橋 1385m
泰州長江大橋 江蘇省 江河環境 2012年 2年 懸索橋 1080m
虎門大橋 廣東省 江河環境 1997年 17年 懸索橋 888m
二、腐蝕耐久性調查
在腐蝕耐久性方面，不論橋齡長短，各座橋樑均或多或少地存在著腐蝕病害問題，腐蝕病害主要形式有塗層黴斑、起皮、脫落、基材成點狀、片狀腐蝕，焊縫應力腐蝕等。主要存在以下特點
1、海洋環境和江河環境下的橋樑鋼結構均不同程度地存在腐蝕病害，海洋環境條件下的腐蝕病害總體更為嚴重。相比於江河環境，海洋環境下的大氣腐蝕性更強、極端天氣侵襲更為頻繁，而現有的塗層設計和施工質量控制則未給予合理的加強和處理。同時，海洋環境下的施工條件相對更加苛刻，使得現場塗層的施工質量相對較低。上述兩種因素的綜合作用下，最終導致海洋環境下的橋樑鋼結構的腐蝕耐久性水平總體較低。
2、鋼箱梁外部的腐蝕耐久性整體狀況良好，而內部的腐蝕耐久性狀況則相對較差。調研發現，儘管八座橋樑鋼箱梁內部的腐蝕耐久性狀況差異較大，但是外部均未發現明顯的塗層、基材和焊縫腐蝕病害。調查發現，鋼箱梁塗層質量和防腐效果受部件和焊縫的表面形狀等影響較大，而相比於鋼箱梁內部，鋼箱梁外部的結構相對簡單，焊縫數量和複雜程度相對較低，有益於提高塗層的防腐效果。同時，在實際的養護管理中，鋼箱梁外部的塗層養護受到的重視程度更高，塗層腐蝕的檢測和修補的頻率較高，導致鋼箱梁外部的塗層防腐狀況顯著好於鋼箱梁內部。
3、鋼箱梁內部腐蝕病害的易發部位為鋼箱梁的頂板和底板，頂板的主要病害為塗裝層黴斑、板件和焊縫片(線)狀點蝕，底板主要為箱內積水導致的成片塗層和基材腐蝕。
4、現場塗裝部位的腐蝕病害顯著高於工廠塗裝，二次修復的塗裝層壽命遠低於原狀塗裝層。以現場栓-焊連線部位、縱肋內部等為代表的隱蔽部位腐蝕耐久效能存在較大隱患，而這些部位的除鏽和二次塗裝的難度相對較大。
5、焊縫的表面形狀和空間位置對其防腐效能的影響較大。調查發現：焊縫處的點狀腐蝕病害往往發生在表面凹凸不平的焊縫位置處。相對於底板和橫隔板等部位，頂板或頂板-橫隔板等部位的焊縫處更容易出現腐蝕病害。
三、疲勞耐久性調研
相對於腐蝕耐久性問題，橋樑鋼結構的疲勞耐久性問題突出性較不顯著，調研中的八座橋樑中三座橋齡較大的橋樑發現較為嚴重的疲勞開裂問題，
1、鋼箱梁的疲勞裂紋主要出現在鋼橋面板的主車道部位，未在底板等其他部位發現疲勞裂紋。三座橋樑的疲勞裂紋均發生在鋼橋面板的四個典型焊縫細節處，分別為頂板-縱肋焊縫、頂板縱肋對接焊縫、縱肋-頂板焊縫以及頂板-橫隔板焊縫等，未在底板等其他部位發現疲勞裂紋，上述四類裂紋的出現部位大部分對應於主車道，超車道位置處的疲勞裂紋較少，表明車輛荷載對疲勞裂紋的開展影響較大。
2、頂板-縱肋、縱肋-橫隔板焊縫、橫隔板過焊孔母材等是橋樑疲勞裂紋的易發部位。頂板-縱肋焊縫疲勞裂紋受頂板厚度的影響較大，主要表現在虎門大橋和江陰長江大橋的頂板-縱肋焊縫處疲勞開裂較為明顯，其他發現疲勞裂紋的橋樑中這類裂紋則未有發現，而兩座橋樑的頂板厚度僅為12mm，小於目前常規的14mm和16mm。
3、交通荷載水平和焊縫質量是影響鋼橋面板疲勞耐久性的兩個重要因素。發生疲勞開裂紋的橋樑的交通均表現為流量大、重車比例高等特點，。疲勞裂紋往往發生在現場焊接的焊縫位置，而在工廠內施工的焊縫則開裂相對較少。現場焊縫檢測結果發現，工廠內施工的焊縫質量較好，缺陷分佈較少，而相比之下，現場焊縫的質量較差而缺陷分佈較多。
四、結束語
腐蝕和疲勞耐久性是海洋環境下橋樑鋼結構耐久效能的兩個重要方面。調研結果表明，目前的橋樑鋼結構的腐蝕和疲勞耐久效能存在一定的問題，主要表現在現場塗裝和焊縫質量較差，難以滿足橋樑鋼結構的全壽命週期耐久性需求。下一步應繼續開展腐蝕和疲勞試驗，研究不同塗裝養護修復技術和疲勞裂紋維修加固方法對提升既有橋樑鋼結構的腐蝕和疲勞耐久性的有益效果，進而建立既有橋樑鋼結構腐蝕和疲勞耐久性的養護管理方法，提高橋樑耐久性。