既有钢结构桥梁病害分析及其防护技术研究

张志却，谢 凯，解文宗，李登国，卢彭真

(1.嘉兴市秀洲区交通建设投资有限责任公司 嘉兴市 314000； 2.浙江工业大学 杭州市 310014)

钢结构桥梁的总体结构稳定性和强度都比较优越，目前广泛应用于各种类型桥梁结构中，如大跨径悬索桥、斜拉桥、拱桥等。当然，钢结构桥梁也存在着不足和缺陷，如钢材耐腐蚀性和耐火性以及耐磨性能的预防和养护是每一个钢结构产品都无法避免的问题，特别是防腐蚀问题尤为重要，如何解决防腐的问题就成了钢结构桥梁防护的重要课题。另外，由于我国早期钢结构桥梁的建造经验不足以及后期养护意识缺乏，我国许多既有钢结构桥梁出现了疲劳开裂的情况，而且随着几年来我国交通流量的大幅度增长，此类情况愈加严重。如何对钢结构桥梁的病害进行分析及预防成为桥梁工程发展中的一个重要问题，因此，将进行对既有钢结构桥梁的病害分析和其防护技术的研究和探讨。

1 既有钢结构桥梁国内外研究发展动态

1.1 国外研究现状

目前世界上的发达国家中，美国和日本在运用钢结构造桥领域中处于全球领先地位。在桥梁的结构用钢方面，美国的研究已经经历了从普通钢到高性能钢(High Performence Steel,简称HPS)的发展阶段和过程，自1990年起，美国在结构上推广运用高性能钢的桥梁已经多于200座，HPS在桥梁钢结构的运用中，表现出高韧性、高强度、优良的可焊性以及较好的耐候性等优点[1]。由于日本环海的地理位置，所以日本建造的桥梁必须考虑由于海水中存在的盐分而造成的对钢结构盐腐蚀的情况，为了提高桥梁钢结构抵御盐腐蚀的能力，新日铁和NKK分别开发出了抗盐腐蚀耐候桥梁用钢和海岸用耐候桥梁用钢，日本钢铁联盟和东京技术协会也共同开发出了BHS500W和BHS700W耐腐蚀高性能桥梁用钢[2]。目前欧洲各国常用的桥梁建设钢材多为S235、S275以及S355钢，欧洲桥梁用钢部分常用种类及性能要求见表1。在欧洲，钢铁生产厂更注重用调质工艺来制造出高强度结构用钢，运用调质工艺甚至可以使钢的屈服强度达到1100MPa，但是这个强度级别的用钢在桥梁建设中并没有得到有效应用和推广。可以看出，美国和日本等在世界桥梁钢结构材料开发领域走在前端的国家，都有着由政府部门、钢铁公司、行业学会、大学研究所共同合作成立的专门研发机构，各行业各部门之间通力合作，充分调动全社会的人力和物力资源来加速开发过程。

表1 欧洲桥梁用钢部分常用种类及性能要求

1.2 国内研究现状

20世纪以来，我国的道路桥梁等交通基础设施飞速发展，交通流量快速增加，公路桥梁已经超过73万座，但其中钢结构桥梁所占比例极少，甚至不足1%，相比较于发达国家既有钢结构桥梁30%的总占比是远远不及的。自1996年起，中国钢铁产量突飞猛进，通过对各钢铁企业的结构调整和技术改造，我国生产出的钢材品种和材质有了明显的改善，为钢结构桥梁的建造提供了坚实的物质基础。在技术研究领域方面，应对钢结构桥梁疲劳、振动、焊接等方面技术也有了提升和飞跃，特别是在钢结构桥梁防腐问题上，我国运用世界上较为先进的热喷涂长效防腐技术来提高钢结构桥梁的抵御腐蚀的能力，极大延长了钢桥使用寿命和减小了对钢结构的养护开支[3]。结合当前我国推进新环保能源利用、行业转型升级、供给侧改革速度加快的背景，桥梁建造结构材料的改进也得及时推进，钢结构有着良好的结构性能，节能环保的制作过程，钢结构桥梁的推广已经成为了一种必然趋势，我国对钢结构桥梁相关材料的开发利用以及对既有钢结构桥梁的养护技术会不断地研究深入。

2 既有钢结构桥梁病害及其原因分析

2.1 钢结构桥梁的腐蚀问题

钢结构桥梁在施工应用中出现的腐蚀现象为常见的病害现象。钢结构桥梁的腐蚀可分为多种现象，均匀分布于整个金属表面，并使金属整体厚度以均匀速度变薄的腐蚀称为均匀腐蚀现象，钢结构桥梁一旦出现大面积腐蚀现象，会使桥梁结构的整体稳定性下降，出现结构扭曲、构件断裂和整体或局部变形；在钢结构桥梁个别点或者部分产生面积较小、速度较快、腐蚀方向呈纵向发展的腐蚀作用或产生的腐蚀现象称为点腐蚀现象，由于此腐蚀现象是往桥梁纵深方向发展，所以其造成的影响比较严重，严重时甚至会引起桥梁的坍塌[4]；一般在钢结构桥梁的连接处或者焊缝接头处，在金属与金属或金属和非金属连接过程而产生的缝隙中，由于电解质溶液的进入而发生的腐蚀现象称为缝隙腐蚀现象，对桥梁经受的活动荷载运行过程中的安全稳定性保障也会产生不良的影响；钢结构桥梁的腐蚀病害会对桥梁建设工程安全稳定的生产应用造成极其大的危害。

2.2 钢结构桥梁的疲劳问题

钢结构桥梁在交变荷载循环作用下，其构造细节的初始缺陷或者初始裂纹处会产生裂纹，若不及时发现处理，裂纹会不断扩大直至损坏桥体钢结构发生疲劳破坏。钢材的本身属性是引发钢结构桥梁疲劳问题的主要因素，钢材在循环荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及裂纹逐渐扩展直至破坏,对桥梁结构整体稳定性和桥梁应用寿命有着严重的影响。

钢结构桥梁的疲劳问题多出现于焊缝处，由于在实际焊接操作中很难达到理想的熔深，在焊缝处难免出现缺陷和不足，焊缝缺陷又可分为气孔等三维缺陷和未熔合等二维缺陷，不同的缺陷对裂缝的产生和扩展有不同的影响，这些焊缝缺陷在循环交变荷载作用下会产生应力集中的现象，从而在焊缝位置形成了裂缝并造成了裂缝的进一步扩展。同时，钢结构桥梁的构造细节、温度效应、桥面系的铺装及超载等也是影响桥梁疲劳问题的因素。

2.3 钢结构桥梁连接施工因素引起的问题

钢结构桥梁的施工工艺相较于其他类型的桥梁更为简便，主要的施工工艺有数控放样、切割施工、焊接施工、分段装配等，连接施工是钢结构桥梁施工过程中的重要内容，良好的连接施工对桥梁工程的施工质量和施工安全性起到了保障作用。如果桥梁结构设计人员没有严格执行国家标准和设计要求，盲目追求设计感觉而忽视了结构的整体稳定性，那么在建筑施工过程中，施工方难以发现细节问题，就会在施工完成后使桥梁存在设计细节缺陷，影响桥梁整体质量[5]；另一方面，如果在桥梁施工过程中，施工人员未合理按照设计方案进行实际施工，在施工过程中运用材料的配置量不符合要求或者构件的加装位置出现了误差，就会影响项目工程的安全稳定施工，缩短工程的使用寿命，破坏桥梁结构的整体安全性。

3 钢结构桥梁病害防护的应用及其新进展

3.1 钢结构桥梁防腐层的应用与发展

钢结构桥梁在施工应用中，为确保其施工质量和使用寿命达到合格要求，桥梁防腐技术的有效落实是至关重要的因素之一，在实际工程中对于钢结构桥梁的防腐施工，大多是通过结构表面涂层防腐技术进行实施的，采用惰性材料包覆钢材表面以达到隔离水、氧等腐蚀条件的机械隔离措施。在具体施工中对钢结构表面要进行三次涂层的施工应用，各层防腐涂料主要组分汇总见表2。

表2 各层防腐涂料主要组分

防腐涂层的性能对钢结构桥梁抵御腐蚀病害起着重要作用，所以高性能防腐涂层的开发与应用对钢结构桥梁的防腐工程是十分重要的。针对钢结构桥梁高性能防腐涂料的研究发现，以氟树脂为基本原料，通过所含氟原子单体或多个氟原子发生均聚或共聚反应得到的氟树脂防腐涂料(简称氟涂料)具有良好的耐候性、耐低温性、耐化学腐蚀性等，更具有其特有的不粘性和低摩擦性，在实际工程应用中拥有较好的效果[6]。高性能防腐涂料的开发与应用以及多种高性能防腐涂料的复合运用，在钢结构桥梁抵御腐蚀病害防护研究的领域将得到更加重视和深入的研究。

3.2 耐候钢的应用与发展

随着大型钢结构桥梁向全焊接结构和高参数方向发展，对桥梁钢结构的总体质量要求越来越高，即钢材不仅要具有优良的耐热耐低温性、耐腐蚀性、韧性等，而且还要具有一定的强度以满足整体桥梁结构轻量化要求[5，7]，对此，国内外的材料工作者提出来高性能钢的概念，耐候桥梁用钢作为高性能钢研究领域的方向之一，近年来越来越受到国内外学者的广泛专注。耐候钢是在钢材中添加耐腐蚀合金元素，例如铜、镍、硌、钒等，在钢结构锈层与基体间形成一层致密的非结晶态尖石型氧化物膜，从而保护内部未锈蚀基体受到腐蚀病害。

3.3 无损检测技术的应用与发展

由于钢结构材料本身属性方面的因素，钢结构桥梁在实际施工应用中受到持续的交变荷载的作用，会出现疲劳老化现象，为了提升钢结构桥梁的使用寿命，保障其安全性能，对钢结构桥梁损伤探测及分析就尤为重要。为合理控制钢结构桥梁的应用质量和使用寿命，施工方在实际施工时应当加强落实对钢结构的质量检测，应用无损检测技术对钢结构的材料现状以及破损状况进行严格检测。超声波、射线、涡流、磁粉、渗透是五种常见的无损探测法。为了适应使用条件及工作环境，近年来研究人员开发出了一些新型的超声波探伤技术，包括自动超声技术、自动相控阵超声技术等，但这些新的超声波探伤技术在桥梁缺陷探测和应用寿命评估的实际应用还得不断进行验证和完善。上述五种无损探伤法各有其使用优点和劣势条件，在当今对高效无损探测方式的需求下，声发射探伤法得到了发展和应用。声发射探伤法灵敏度高，对结构内部缺陷定位准确，但声发射信号易受噪音影响，在去噪不充分的工作环境下难以达到理想探测效果，对声发射探测法如何在有噪环境下保持准确高效的探测结果仍然有待进一步研究。

4 结论

钢结构桥梁相较于其他结构桥梁有着特有的结构和性能优势，随着全球范围内钢结构桥梁数量的快速上升，钢结构桥梁的病害防护问题就显得愈加突出，既有钢结构桥梁的病害形式主要有腐蚀病害、疲劳病害以及连接施工因素引起的病害等，为了预防和缓解以上病害对桥梁正常使用寿命的影响，各国桥梁学者都在不同方向上做着深入研究以及在桥梁防护应用领域做着进一步发展，主要讨论了对防腐蚀涂层新型材料的研发和应用，对耐候钢等高性能钢材料性能的进一步研发应用以及对探测桥梁损伤部位新方法的探讨和实践。对于既有钢结构桥梁的病害分析以及防护技术有很多还停留在理论阶段，还需要在大量的实验和实际工程应用中得到进一步发展。