海洋环境下桥梁钢结构耐久性情况的研究

戴晓栋

浙江省交通运输厅工程质量监督局 杭州 311215

摘要：相比于传统的钢筋混凝土结构，钢结构由于轻质高强、方便施工和模块化高等优点而在工程结构，尤其是在大跨结构中得到广泛应用。然而，由于钢结构的构件薄壁特性、基材的电化学性和防护涂层的老化退变等原因，钢结构容易产生腐蚀和疲劳耐久性问题，导致钢结构局部和整体的承载能力下降，钢结构的服役安全性随之退化降低。由于桥梁钢结构的大体量和交通运行的持续性等特点，一旦发生耐久性病害和损伤，桥梁钢结构耐久性的修复和加固难度成倍增加。本文就国内桥梁钢结构耐久性情况进行了调查分析。

关键词：钢结构；耐久性；研究

随着我国沿海经济的快速发展，快（高）速交通网络的需求持续增长，大规模跨海大桥的建设正在筹划和付诸实施。自上世纪九十年代初，我国陆续建设了一批具有代表性的大型跨海大桥，如青马大桥、东海大桥和杭州湾大桥等，而未来十年我国将在沿海地区开展较大规模的大型跨海大桥的建设实施，建立连接经济热点地区的沿海快速物流通道，形成沿海地区的高速交通网络。结合既有大跨桥梁建设经验和大跨桥梁建设的设计理念，即将建设的大型跨海大桥的主梁将采用以钢箱梁为代表的桥梁钢结构形式。从已有的研究成果来看，江河流域的大跨桥梁钢结构由于服役年限大小而或多或少地出现了腐蚀和疲劳耐久性问题，给桥梁的养护管理带来了较大的挑战。相比于内陆地区的江河环境，海洋环境下的桥梁钢结构将面临更加严峻的自然环境侵蚀和极端环境条件作用，辅之以大流量、重装载车辆荷载的长期持续作用，海洋环境下的桥梁钢结构的耐久性问题势必更为严峻。因此，在开展大规模跨海大桥的建设前，有必要针对海洋环境下桥梁钢结构的耐久性开展全面、深入地的现场调研，探索性地研究江河环境和海洋环境下大跨桥梁钢结构的耐久性退化规律，初步了解和掌握施工质量、服役环境条件等因素对桥梁钢结构耐久性的影响，提取海洋环境下提升桥梁钢结构耐久性的施工质量和运营养护管理的关键控制因素，对海洋环境下桥梁钢结构的耐久性研究开展未雨绸缪地思考，为沿海地区跨海大桥的建设实施和养护管理提供有益的技术参考和帮助。

通过调查代表性地区的典型大跨桥梁钢结构的耐久性现状，探索性地研究江河环境和海洋环境下大跨桥梁钢结构已出现的耐久性退化规律，初步了解和掌握施工质量、服役环境条件等因素对桥梁钢结构耐久性的影响，提取海洋环境下提升桥梁钢结构耐久性的施工质量和运营养护管理的关键控制因素。

一、桥梁钢结构耐久性现场调研项目概况

针对海洋环境和江河环境选取了金塘大桥、西堠门大桥、桃夭门大桥、杭州湾跨海大桥、江东大桥、江阴长江大桥、泰州长江大桥和虎门大桥等八座大跨径桥梁，着重对各座桥梁的钢箱梁开展了耐久性状况的现场调查工作，各座桥梁的概况如表2.1.1所示。从表中可以看出，八座桥梁中的四座为跨海大桥，四座为跨江（河）大桥；四座为斜拉桥，四座为悬索桥；桥龄最长的为虎门大桥（17年），桥龄最短的为泰州长江大桥（2年）；主跨最大的为西堠门大桥（1650m），最小的为江东大桥（260m）。由此可知，所选取的桥梁在环境类型、桥梁形式、服役年限、主跨跨度等方面具有较强的代表性，涵盖了大跨桥梁参数的主要变化范围，相关调研及研究结果能够如实反映既有大跨桥梁钢结构耐久性的现状，相关结论可为海洋环境下大跨桥梁钢结构耐久性的工程应用技术研究提供基础性支撑。

表2.1.1 项目调研桥梁概况表

桥梁名称 地区 环境类型 通车时间 桥龄 结构形式 主跨跨度

金塘大桥 浙江省 海洋环境 2007年 7年 斜拉桥 620m

西堠门大桥 浙江省 海洋环境 2010年 4年 悬索桥 1650m

桃夭门大桥 浙江省 海洋环境 2003年 11年 斜拉桥 580m

杭州湾大桥 浙江省 海洋环境 2003年 11年 斜拉桥 325m

江东大桥 浙江省 江河环境 2008年 6年 斜拉桥 260m

江阴长江大桥 江苏省 江河环境 1999年 15年 悬索桥 1385m

泰州长江大桥 江苏省 江河环境 2012年 2年 悬索桥 1080m

虎门大桥 广东省 江河环境 1997年 17年 悬索桥 888m

二、腐蚀耐久性调查

在腐蚀耐久性方面，不论桥龄长短，各座桥梁均或多或少地存在着腐蚀病害问题，腐蚀病害主要形式有涂层霉斑、起皮、脱落、基材成点状、片状腐蚀，焊缝应力腐蚀等。主要存在以下特点

1、海洋环境和江河环境下的桥梁钢结构均不同程度地存在腐蚀病害，海洋环境条件下的腐蚀病害总体更为严重。相比于江河环境，海洋环境下的大气腐蚀性更强、极端天气侵袭更为频繁，而现有的涂层设计和施工质量控制则未给予合理的加强和处理。同时，海洋环境下的施工条件相对更加苛刻，使得现场涂层的施工质量相对较低。上述两种因素的综合作用下，最终导致海洋环境下的桥梁钢结构的腐蚀耐久性水平总体较低。

2、钢箱梁外部的腐蚀耐久性整体状况良好，而内部的腐蚀耐久性状况则相对较差。调研发现，尽管八座桥梁钢箱梁内部的腐蚀耐久性状况差异较大，但是外部均未发现明显的涂层、基材和焊缝腐蚀病害。调查发现，钢箱梁涂层质量和防腐效果受部件和焊缝的表面形状等影响较大，而相比于钢箱梁内部，钢箱梁外部的结构相对简单，焊缝数量和复杂程度相对较低，有益于提高涂层的防腐效果。同时，在实际的养护管理中，钢箱梁外部的涂层养护受到的重视程度更高，涂层腐蚀的检测和修补的频率较高，导致钢箱梁外部的涂层防腐状况显著好于钢箱梁内部。

3、钢箱梁内部腐蚀病害的易发部位为钢箱梁的顶板和底板，顶板的主要病害为涂装层霉斑、板件和焊缝片（线）状点蚀，底板主要为箱内积水导致的成片涂层和基材腐蚀。

4、现场涂装部位的腐蚀病害显著高于工厂涂装，二次修复的涂装层寿命远低于原状涂装层。以现场栓-焊连接部位、纵肋内部等为代表的隐蔽部位腐蚀耐久性能存在较大隐患，而这些部位的除锈和二次涂装的难度相对较大。

5、焊缝的表面形状和空间位置对其防腐性能的影响较大。调查发现：焊缝处的点状腐蚀病害往往发生在表面凹凸不平的焊缝位置处。相对于底板和横隔板等部位，顶板或顶板-横隔板等部位的焊缝处更容易出现腐蚀病害。

三、疲劳耐久性调研

相对于腐蚀耐久性问题，桥梁钢结构的疲劳耐久性问题突出性较不显著，调研中的八座桥梁中三座桥龄较大的桥梁发现较为严重的疲劳开裂问题，

1、钢箱梁的疲劳裂纹主要出现在钢桥面板的主车道部位，未在底板等其他部位发现疲劳裂纹。三座桥梁的疲劳裂纹均发生在钢桥面板的四个典型焊缝细节处，分别为顶板-纵肋焊缝、顶板縱肋对接焊缝、纵肋-顶板焊缝以及顶板-横隔板焊缝等，未在底板等其他部位发现疲劳裂纹，上述四类裂纹的出现部位大部分对应于主车道，超车道位置处的疲劳裂纹较少，表明车辆荷载对疲劳裂纹的开展影响较大。

2、顶板-纵肋、纵肋-横隔板焊缝、横隔板过焊孔母材等是桥梁疲劳裂纹的易发部位。顶板-纵肋焊缝疲劳裂纹受顶板厚度的影响较大，主要表现在虎门大桥和江阴长江大桥的顶板-纵肋焊缝处疲劳开裂较为明显，其他发现疲劳裂纹的桥梁中这类裂纹则未有发现，而两座桥梁的顶板厚度仅为12mm，小于目前常规的14mm和16mm。

3、交通荷载水平和焊缝质量是影响钢桥面板疲劳耐久性的两个重要因素。发生疲劳开裂纹的桥梁的交通均表现为流量大、重车比例高等特点，。疲劳裂纹往往发生在现场焊接的焊缝位置，而在工厂内施工的焊缝则开裂相对较少。现场焊缝检测结果发现，工厂内施工的焊缝质量较好，缺陷分布较少，而相比之下，现场焊缝的质量较差而缺陷分布较多。

四、结束语

腐蚀和疲劳耐久性是海洋环境下桥梁钢结构耐久性能的两个重要方面。调研结果表明，目前的桥梁钢结构的腐蚀和疲劳耐久性能存在一定的问题，主要表现在现场涂装和焊缝质量较差，难以满足桥梁钢结构的全寿命周期耐久性需求。下一步应继续开展腐蚀和疲劳试验，研究不同涂装养护修复技术和疲劳裂纹维修加固方法对提升既有桥梁钢结构的腐蚀和疲劳耐久性的有益效果，进而建立既有桥梁钢结构腐蚀和疲劳耐久性的养护管理方法，提高桥梁耐久性。