某沿海悬索桥温、湿度监测数据分析

2020-08-24吴正峰郑舟军

交通科技 2020年4期

吴正峰郑舟军

(浙江交工高等级公路养护有限公司杭州 310000)

1 工程概况

某桥是连岛工程中技术要求最高的一座特大型跨海桥梁，主桥为两跨连续半漂浮加劲梁悬索桥，主跨1 650 m。位于浙江省北部沿海舟山市境内，地理坐标位于东经121°55(E)和北纬30°05′(N)。该桥地处北亚热带，属东亚季风气候区，受冬夏季风影响，全年四季分明，气候温和湿润，降水充沛。

该桥主桥加劲梁的形式为扁平流线形分离式双箱断面，2个封闭钢箱横桥向拉开距离为6 m，用横向连接箱梁和横向连接工字梁加以连接。加劲梁标准梁段长度为18 m。全桥共划分126个梁段：北边跨标准梁段24个，中跨标准梁段84个，北边跨合龙段1个，中跨合龙段2个，其余特殊梁段15个。桥塔为门式框架结构，其中北塔由2个塔柱和2根横梁组成，南塔由2个塔柱和3根横梁组成。共有南、北2个锚碇，共4个锚室，锚碇由前锚室和锚块、散索鞍支墩及基础构成，形成完整的空间受力结构。

在大桥建设期，设计单位根据大桥结构各部位的内部通风状况和除湿需求共设计布置了22台除湿设备，其中加劲梁内部除湿设备主要布置在JJL007、JJL031、JJL065、JJL095、JJL119梁段，左、右箱室各1台，共计10台除湿设备；主索鞍上部署了4台除湿设备，分别部署在南、北塔东西鞍罩；锚碇内部里共部署了8台除湿设备，南、北锚左、右室各布置2台。见图1。

图1 除湿机布置分布图

2 桥位外界环境温、湿度

该桥跨中桥面2019年全年温、湿度测点数据见图2、图3，传感器位于中跨箱梁外部。

图2 桥梁主跨桥面温度曲线

图3 桥梁主跨中桥面相对湿度曲线

由图2、图3可知，大桥所处位置的气温全年主要在0～30 ℃，平均温度为13.3 ℃。其中当日温度达到30 ℃以上的有9 d，温度为20～30 ℃的有100 d，温度为10～20 ℃的有152 d，温度为10 ℃以下的104 d。大桥所处位置的湿度主要为40%～100%，年平均湿度达到79.3%。湿度超过80%的有288 d、湿度为60～80%的有50 d，湿度低于60%的有27 d。根据温、湿度数据分析，大桥所处位置亚热带海洋性气候特征明显，全年温度适中，但湿度较大。

桥梁外界环境决定了结构材料的腐蚀速度，也一定程度决定了结构耐久性和承载能力[1]。GB/T 15957-1995 《大气环境腐蚀性分类》规定，相对湿度RH>75%属于潮湿型环境，相对湿度RH<60% 属干燥型大气环境，另外还对大气中腐蚀性物质含量进行分类，根据环境气体类别对应得到可参考的腐蚀类型和腐蚀速度。也有文献考虑海洋环境大气氯离子含量等的影响，分析缆索钢丝的腐蚀速度[2-3]。由于大桥只监测了温湿度、风力、风向等外界环境参数，并没有对腐蚀性物质含量进行监测。因此，对材料腐蚀速度的评价需要采用其他方式。

文献[4]对温度和相对湿度环境下未镀锌高强钢丝的腐蚀速率谱进行了研究，试验结果表明，环境相对湿度70%、温度10 ℃以下区域,腐蚀速率数量级为1×10-6g/(dm2·h)，可归为弱腐蚀区；相对湿度75%以下、温度20～50 ℃区域，腐蚀速率数量级小于1×10-4g/(dm2·h)，可归为低腐蚀区；相对湿度75%以上、温度10～50 ℃区域，腐蚀速率数量级大于1×10-4g/(dm2·h)，可归为强腐蚀区。参照文献[4]分类标准，对全年监测数据统计分类，其环境温、湿度分类及频率见表1。

表1 桥梁外界环境温、湿度分类表

由表1可见，该桥处于较恶劣的强腐蚀区环境中，需对桥梁结构关键部位进行针对性的防护。

3 加劲梁内部温、湿度状况

该桥2 228 m的加劲梁是相对封闭的结构，虽在加劲梁两端和每个节段风嘴上方布置有检修孔或检修通道，但这些检修通道日常均呈关闭状态。桥梁建设时，在其内部布置了10台除湿设备以降低室内的湿度，当相对湿度低于45%时除湿机自动关闭，超过时则运行除湿工作。桥梁健康监测系统在中跨JJL069梁段布置了温湿度传感器，传感器收集2019年全年的温度变化数据见图4。

图4 中跨JJL069梁段截面箱室内温度

由图4可见，加劲梁内部的温度变化趋势与环境温度基本一致，数据分析表明箱室内年平均温度为20.3 ℃，最高温度为42 ℃，最低温度为3.4 ℃，温度在30 ℃以上的有51 d，温度在20～30 ℃的有141 d。夏季高温内部温度较外界温度高10 ℃左右，主要是封闭空间不利于散热造成。冬季低温时内部温度较外界高6 ℃，主要是由于除湿机运行过程中产生发热和封闭空间的保温效果。

2019年全年湿度变化数据见图5。

图5 中跨JJL069梁段截面箱室内相对湿度

由图5可见，2019年第一季度，加劲梁除湿机升级改造，导致部分除湿机暂停运行，因此该季度室内湿度受外界环境影响较大。期间总体相对湿度为30%～70%，小于外界环境湿度，平均相对湿度为47.9%，相对湿度45%以上的有80 d。其他时段，箱室内年平均相对湿度为42.3%，最高相对湿度为70.4%，最低相对湿度为15.3%，相对湿度45%以上的有83 d。

综上，单从温、湿度监测数据分析，加劲梁内部是低腐蚀的环境空间，内部腐蚀速率应很慢。

根据2019年桥梁定期检查报告，发现该桥33个加劲梁节段出现了较大面积的霉斑，说明这些节段所处的环境存在一定的腐蚀性，具体位置见图6。

图6 加劲梁除湿机和霉斑位置分布图(单位：m)

归纳总结，发现大部分霉斑出现的位置与除湿机的位置比较接近，除了箱梁内部涂装体系存在问题外，分析其原因如下：①加劲梁内部空间，昼夜存在较大温差，温度降低，内部压强和绝对湿度基本不变，相对湿度则增加，多余的水蒸气容易凝结在钢结构表面；②钢箱梁内部除湿机间隔较远，内部隔断较多，导致干燥空气无法正常流动至各个节段；③每个节段两侧的检修孔没有完全封闭，除湿机位置有排气孔，存在外界湿润空气渗入；④除湿机作业产生热量，导致附近节段温度升高。综上所述，因此需要检查发生霉斑位置的检查孔和排气孔的密封是否良好，建议除湿机在降温过程中保持工作状况，箱梁内部干燥空气循环系统持续流通。

4 锚碇室内温、湿度状况

桥锚室是大桥的关键部位，内部空间大，主缆钢丝裸露的表面积也最大，内部温、湿度控制要求也高。通过分析锚室内2019年温、湿度监测数据，锚室内环境湿度大部分时间在40%～45%，即大部分位于低腐蚀区到弱腐蚀区之间，具体见图7。其中北锚右室有28 d(占7.67%)处于强腐蚀区环境，每周1次的经常性检查也证实该情况的存在，建议加强观测并及时采取措施。

图7 锚室腐蚀区监测次数统计图

5 主索鞍内部温、湿度状况

该桥在主索鞍处均布置了除湿机，监测系统未布置温湿度传感器，采用经常性检查进行数据分析。在48次检测中，南塔西鞍罩处于弱腐蚀区的有2次(占4%)、低-弱腐蚀过渡区的有11次(占23%)、低腐蚀区的有35次(占73%)；南塔东鞍罩处于弱腐蚀区的有2次(占4%)、低-弱腐蚀过渡区的有14次(占29%)、低腐蚀区的有32次(占67%)；北塔西鞍罩处于弱腐蚀区的有1次(占2%)、低-弱腐蚀过渡区的有16次(占33%)、低腐蚀区的有31次(占65%)；北塔东鞍罩处于弱腐蚀区的有2次(占4%)、低-弱腐蚀过渡区的有14次(占29%)、低腐蚀区的有32次(占67%)。综上所述，主索鞍部署的除湿系统使鞍罩

内总体处于一个低腐蚀区的环境。主索鞍腐蚀区监测结果见图8。