跨海斜拉桥钢箱梁锈蚀退化分析及预养护

徐懋刚

（同济大学，上海市 200092）

跨海斜拉桥钢箱梁锈蚀退化分析及预养护

徐懋刚

（同济大学，上海市 200092）

通过资料调研及实桥调查，以象山港大桥为研究对象，系统总结了跨海斜拉桥钢箱梁锈蚀的病害特点及其退化规律，运用力学分析和统计方法进行了钢箱梁锈蚀退化的预测，并在此基础上确定了钢箱梁锈蚀的预防性养护最佳时机。同时，根据跨海钢箱梁斜拉桥的结构和环境特点，提出了钢箱梁锈蚀的预防性养护处治措施。

跨海斜拉桥；钢箱梁；锈蚀退化；预防性养护时机；预养护措施；

0 引言

预防性养护的概念诞生于20世纪80年代的美国，最初在道路路面养护领域提出，它在核心要求和操作方式上均有别于传统的养护理念。它以经济指标作为主要考量因素，要求采用最佳成本效益的养护措施，并且强调高计划性的养护管理。预防性养护的理念可以总结为如下两点：（1）以不增加结构承载能力的方式改善结构的服务能力，让状态良好的结构能够保持更长时间，从而有效延缓结构的老化进程。（2）采用最合理的方式，在最合适的时间，处理适宜的结构。目前，预防性养护在国内外桥梁工程领域研究处于起步阶段，并且均根据中小跨径桥梁的技术统计资料得出的预防性养护时机预测结论，针对跨海斜拉桥的预防性养护研究尚处于起步阶段。由于跨海斜拉桥钢箱梁结构处于有腐蚀性杂质的潮湿环境中，当钢结构表面涂层劣化、厚度不足或构件连接部位存有细微缝隙时，易使钢箱梁产生电化学锈蚀。锈蚀使钢箱梁截面削弱，产生病坑、缺陷和裂纹，裂纹扩展，引起寿命降低甚至断裂，对钢箱梁安全性产生影响。因此，钢箱梁锈蚀退化分析及预防性养护是跨海斜拉桥预防性养护重点关注的内容之一。本文通过资料调研及实桥调查，系统总结了跨海斜拉桥钢箱梁锈蚀的病害特点及其退化规律，运用力学分析和统计方法对钢箱梁锈蚀状况进行了预测，并在此基础上确定了钢箱梁锈蚀预养护的最佳时机，提出了钢箱梁锈蚀的预防性养护检测内容和维护处治措施。

1 钢箱梁病害特点

根据对东海大桥、杭州湾大桥、青岛海湾大桥、金塘大桥、象山港大桥等近20余座跨海、近海斜拉桥的调研数据分析，钢箱梁最常见的病害包括：（1）涂层劣化；（2）钢构件锈蚀；（3）构件连接缺陷。

1.1 涂层劣化

钢箱梁表面涂层劣化主要表现为粉化、起泡、裂纹、脱落、锈蚀等（典型病害见图1）。（1）粉化是指涂层长期暴露在大气中且受海洋环境中紫外线照射的影响使表面发生老化而导致的粉化现象。（2）起泡是指涂层之间或涂层与钢构件之间渗入气体或液体后涂层间粘附力不足所产生的涂层气泡现象，或涂层内部钢构件局部锈胀引起涂层的鼓泡、点泡或豆泡现象。（3）涂层裂纹是由于涂层内部的应变导致的，其中龟裂是涂层表面出现的轻微的裂纹，一般较难发现；当裂纹达到涂层底漆层或钢材表面，通过目检能见到下层或底层的网状或条状裂纹。（4）脱落是指涂层的表面和底层之间、新旧涂层之间丧失附着力后形成的小片或鳞片状脱落现象，通常发生在结构下侧或附着盐分的部位。（5）锈蚀是涂层劣化中最严重的一种破坏类型，分为非鼓泡产生的锈蚀、鼓泡裂缝导致的锈蚀以及涂装裂缝或破坏导致的锈蚀。一般表现为针孔锈斑、点状锈、泡状锈或片状锈等。

图1 涂层劣化的病害特征

1.2 钢构件锈蚀

钢箱梁锈蚀的病害特征主要表现为均匀锈蚀、孔蚀、缝隙锈蚀、应力腐蚀等（典型病害见图2）。（1）均匀锈蚀是整体锈蚀，腐蚀分布于整个金属表面，并以相同的速率使金属整体厚度减薄会削弱钢箱梁腹板和翼缘板的厚度。（2）孔蚀是局部锈蚀，在构件表面形成大大小小的孔眼，多为相对较小的孔隙，对构件的安全性影响很大。（3）缝隙锈蚀是局部锈蚀，发生于构件表面的缝隙中，当金属表面有灰尘等脏物覆盖时，也有可能发生缝隙锈蚀。（4）应力腐蚀是拉伸应力和腐蚀环境共同作用产生的腐蚀现象，存在残余应力的焊缝位置附近及拉应力较大部位均有可能发生应力腐蚀；当钢材发生应力腐蚀时，受力的构件在远低于材料屈服极限的拉伸工作应力下可能会突然断裂而没有任何预兆。

图2 钢构件锈蚀的病害特征

1.3 构件连接缺陷

钢箱梁构件的主要连接方式有焊缝连接和螺栓连接。焊缝连接部位的主要病害有焊缝脱焊、漏焊、锈蚀、撕裂、脱开、焊缝位置出现疲劳裂纹等，螺栓连接的主病害有螺栓锈蚀、滑移、错位、脱落、剪断、缺失、连接失效、未涂漆防护等（典型病害见图3）。钢箱梁构件连接缺陷属于结构性病害，钢箱梁焊缝承受与其方向垂直的交变荷载的作用时，在焊缝缺陷及局部应力集中处易诱发疲劳裂纹，该裂纹一旦形成，在应力与腐蚀介质的共同作用下，裂纹将迅速扩展，如不及时修复，将会引起严重后果，实桥检测时应引起重视。

图3 构件连接缺陷的病害特征

2 钢箱梁锈蚀退化分析

2.1 反演预测方法

钢箱梁在海洋性环境中的锈蚀以均匀锈蚀和孔蚀为主。蚀坑一般较浅，较密，呈溃疡状腐蚀，均匀锈蚀和孔蚀同时存在。开始时锈蚀较快，之后变缓趋于稳定。初始阶段孔蚀速率最大可达均匀锈蚀的8倍，其后均匀锈蚀和孔蚀速率基本相等[1]。目前，参照结构钢锈蚀过程规律的经验公式[2]，其中D为腐蚀深度 (mm)，A为第一年的腐蚀深度(mm/a)，t为腐蚀持续时间(a)；n为与腐蚀材料与环境有关的常数。钢箱梁锈蚀深度可按幂指数预测分析。但由于腐蚀作用是一个包含物理和化学等现象的复杂反应过程，钢桥所采用钢材的化学成分以及钢桥所处位置的环境因素对经验公式中的参数取值影响显著，因此，需依据既有的经验观测数据并结合桥位区域的外在环境因素和钢本身的化学成分含量，通过统计分析确立式中幂函数参数A和n的定量关系。梁彩凤等人[3]在对试验钢的成分和试验站的环境特点以及暴露16 a的腐蚀数据进行定量结果的多元逐步回归统计分析后，给出了钢材的化学成分和环境因子与幂函数参数的定量关系见式（1），表1为考虑环境因素和钢材成分通过回归计算得出的A值和n值：

A=A（0）+∑A（i）X（i），n=n（0）+∑n（i）X（i） （1）式中：A（0）和n（0）是常数；A（i）和n（i）是因子ii的系数；X（i）是因子i的数量。当因子是钢材化学成分时，X（i）为钢材化学成分百分比含量；当因子是环境因素时，X（i）为环境因子的平均或累积量，如年平均温度和相对湿度等。因子也可以是某个因素的乘方或某几个因素的乘积。

以象山港大桥为例。钢箱梁结构采用Q345D钢材，其主要化学成分和桥址处环境因素的平均值可参照设计资料。由于箱梁内部的温度、湿度和空气污染成分含量等因素与箱梁外部有明显的差异，因此需要分别计算两种腐蚀环境情况下的A值和n值。根据式（1），可计算出象山港大桥钢箱梁外部和内部大气环境中的锈蚀深度预测公式分别为D外=0.045 t0.728和D内=0.072 t0.465。钢箱梁内部和外部钢板的锈蚀退化规律见图4，表2为象山港大桥钢箱梁外侧、内侧不同时间节点的锈蚀深度。由图表可知，钢箱梁在外部环境作用下的腐蚀速率要比内部腐蚀环境作用下的腐蚀速率大很多，因此，钢箱梁外部构件受大气腐蚀影响较大，而内部横隔板、U肋以及纵向加劲肋等构件受大气腐蚀影响较小。

表1 考虑环境因素和钢材成分通过回归计算得出的A值和n值[3]

表2 象山港大桥不同时间节点处钢箱梁锈蚀深度 mm

3 钢箱梁锈蚀的预防性养护时机

确定了钢箱梁锈蚀的退化规律后，即可从机理出发确立海洋性环境下钢箱梁锈蚀退化的初次养护时机。结合相关锈蚀评定标准的评定指标，确定钢箱梁锈蚀的综合评定指标[4-5]为：（1）主要指标：密度、大小、深度、锈蚀面积百分率；（2）补充指标：锈蚀深度百分率、锈蚀部位。其中密度、大小和深度用来评定孔蚀，分别表示孔蚀的密度、孔口平均面积和蚀坑平均深度；锈蚀面积百分率用来评定均匀腐蚀，表示锈蚀面积占钢板有效面积的比率；锈蚀深度百分率体现锈蚀的相对程度，是蚀坑平均深度与钢板厚度的比值。各评定指标的等级划分及取值[5]见表3。

表3 各评定指标等级划分及取值[5]

腐蚀深度百分率不作为评定的单独指标，而是作为腐蚀深度的补充指标。应用时，通过腐蚀深度百分率的放大系数乘以深度指标的分值作为腐蚀坑深度指标。腐蚀深度百分率放大系数取值原则为：腐蚀深度单项最大分值乘以放大系数后，腐蚀深度分值的腐蚀等级最多提高一级。腐蚀深度百分率和部位各自对应的放大系数[5]见表4。腐蚀部位重要程度分为4级。腐蚀部位作为一个放大系数在基本分值累计的基础上将整体放大钢箱梁的腐蚀程度，综合评定出钢箱梁腐蚀等级。放大系数的取值原则为：（1）与放大系数相乘后腐蚀等级最高提高一级；（2）如果总分值处于某一腐蚀等级分值范围中靠前，表明该腐蚀程度较轻，则乘以放大系数后尽量不提高其腐蚀等级。根据钢箱梁均匀锈蚀、孔蚀以及混合型锈蚀（两者均有）的特征，选用的不同评定指标见表5。其中D为总分值，D1、D2、D3、D4分别为各个评定指标的分值，R1、R2分别为锈蚀深度百分率和锈蚀部位的放大系数。评定钢箱梁混合型锈蚀时，将混合型锈蚀中的孔蚀和均匀锈蚀分别评定等级后，取等级较大的作为最终评定等级。钢箱梁各锈蚀等级划分见表6，依据钢箱梁锈蚀病害预养护的时机选择，确定钢箱梁锈蚀等级为“2-轻微损伤”时进行初次预防性养护时机较为适宜。

表4 锈蚀深度百分率和锈蚀部位对应的放大系数[5]

表5 各锈蚀类型对应的评定指标

表6 钢箱梁各锈蚀等级划分及初次预养护时机

4 钢箱梁锈蚀的预养护处治措施

钢构件表面均有防腐涂层，涂装后的钢构件锈蚀是伴随着涂层劣化状况发展，因此应将钢构件锈蚀和涂膜劣化视为整体一起预养护。将涂层厚度与设计涂层厚度进行比较，厚度不低于设计值时判定为合格，反之为不合格。同时，若抽查发现涂层附着力小于5 MPa，则表明涂层附着力不足，涂层极易起泡、脱落、裂纹等。针对上述两种情况，应及时进行维护涂装。另一方面，借鉴国外针对钢桥涂装维修保养方面的先进理念。在美国，钢桥涂装维护策略分为局部涂装、整体涂装和重新涂装，其中的重新涂装的维护方法耐久性最好，但考虑到经济性等因素，不宜作为首选方案；欧洲关于钢桥涂装维修方面的理念是，尽早在现有桥梁涂层失效周期前使用高耐久性涂料进行维修，以避免任何形式的锈蚀损伤，这与预防性养护的理念相一致。参考《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》（JT/T 722-2008）的有关规定[6]，涂层劣化涂装包括维护涂装（局部维修）和重新涂装（整体维修）两类，两类涂装应根据涂层劣化等级确定，2、3级为维护涂装，4、5级为重新涂装。钢构件锈蚀的预养护病害主要为均匀锈蚀、孔蚀（点蚀）、缝隙锈蚀和应力腐蚀等，针对上述病害的维修处治主要是对钢结构进行除锈处理并涂漆防护。

6 结语

（1）系统总结了钢箱梁病害的特点，分析各类病害对跨海斜拉桥结构安全性和耐久性的影响，指出了跨海斜拉桥钢箱梁预防性养护的主要病害为涂层劣化、钢构件锈蚀、构件连接缺陷。

（2）运用力学分析和统计方法对钢箱梁锈蚀进行了退化分析，给出了象山港大桥钢箱梁内部和外部的锈蚀退化规律。

（3）确定钢箱梁锈蚀的综合评定指标及其等级划分、取值，并给出了钢箱梁锈蚀的初次预防性养护时机。

（4）给出了钢箱梁锈蚀的预养护处治措施。

[1]曹楚南.中国材料的自然环境腐蚀[M].北京:化学工业出版社, 2005.

[2]韩恩厚.大气腐蚀[M].北京:化学工业出版社,2005.

[3]梁彩凤,侯文泰.钢的大气腐蚀预测[J].中国腐蚀与防护学报, 2006,26(3):129-135.

[4]ISO 8501-1,Preparation of Steel Substates before Application of Paints and Related Products-Visual Assessment of Surface Cleanliness-Part1:RustGrades and Preparation Grades of Uncoated Steel Substrates and of Steel Substrates after Overall Removal of Previous Coatings[S].

[5]吉伯海,赵端端,姜竹生,等.钢箱梁腐蚀病害综合评分制评定方法[J].世界桥梁,2013,41(6):81-85.

[6]JT/T 722-2008,公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件[S].

U448.22

A

1009-7716（2017）04-0130-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.038

2017-02-15

宁波市交通运输委员会科技计划项目（201422）。

徐懋刚（1974-），男，甘肃兰州人，高级工程师，从事路桥工程建设和管养工作。