严寒沿海地区斜拉桥病害问题分析及养护策略研究

2022-06-18杨晓超

北方交通 2022年6期

杨晓超

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司沈阳市 110166)

0 引言

公路桥梁作为重要的连通枢纽之一，在我国的交通路网中起着至关重要的作用。随着近年来桥梁工程项目和服役数量的不断增加，许多桥梁病害问题逐渐被突显出来，耐久性问题更加受到重视[1]。对于已经服役多年的桥梁，及时发现病害问题、采用合理的养护策略成为提高桥梁耐久性的重要途径之一。

目前，国内外科研和工程技术人员围绕如何提升桥梁耐久性进行了大量的研究，总结桥梁常见的病害问题并提出了许多切实可行的桥梁养护策略。陈华涛[2]对乡村桥梁中所发现的病害问题进行了探究并提出了与之对应的桥梁维护管理措施。陆建兵[3]建议在日常的桥梁病害检查工作中，以预防、安全、效率、仔细为基本原则，及时发现潜在的桥梁病害问题。任建淑[4]通过实际工程的检测结果和查阅相关研究资料发现，对于普通桥梁中常见的病害如主梁、墩柱等主要受力构件出现裂缝，应给予足够的重视并及时进行处理，否则随着损伤累积将影响结构的安全性。王刚等[5]采用BIM技术建立多平台的桥梁全方位养护平台，可通过手机、电脑等移动端实时了解桥梁养护情况。

尽管对于普通桥梁常见的病害问题及其成因和一些相应的养护策略已经有了较为丰富的研究资料，但针对于桥址处于严寒沿海地区等特殊桥梁病害问题和防治方法的研究却相对较少，这对该类桥梁的设计、施工和养护决策制定等阶段均造成一定的困难，这将影响桥梁的耐久性和工程项目的可持续性[6]。因此，以某实际桥梁工程为研究对象，通过外观缺损状况检查、材质状况与状态参数检测来分析探究严寒沿海地区桥梁的常见病害问题，提出切实可行的桥梁养护决策。

1 工程概况

以我国东北部某实际工程为研究对象，该桥桥址位于近海严寒气候地区，全年气温的最低值可达-26.5℃，温差变化大，且所处的近海大气环境具有较高的氯离子浓度。另外该桥在经完工验收后两年内没有进行相关的养护工作，全桥自然暴露于大气环境中，因此可通过对该桥的检测结果分析了解桥梁处于严寒沿海地区时的技术状况变化，为同类桥梁的设计提供一定的理论技术依据。

该桥全长3026m，主桥为主跨636m的双塔双索面钢箱梁斜拉桥结构体系。斜拉索在梁端和塔端分别采用钢锚箱和钢锚梁锚固构造。采用高为195m的H型变截面箱形索塔，并设置横系梁，其余桥墩为箱型截面混凝土墩。该桥立面图和主桥横断面图分别如图1、图2所示。

图1 桥梁立面图(单位：cm)

图2 主桥横断面图(单位：cm)

2 桥梁病害及成因

通过对该桥梁进行实地检测，发现斜拉索护套破损、索内钢丝锈蚀、涂漆层劣化、钢箱梁锈蚀、混凝土开裂等病害。与普通桥梁相比，处于严寒沿海地区桥梁的病害损伤情况更为严重，出现次数更多。下面列举了检测过程中发现的一些病害情况，并分析了病害的发生原因。

2.1 斜拉索护套损伤

通过对该桥152条斜拉索进行检测发现其中绝大部分护套出现损伤。其中较为常见的护套损伤包括横向、纵向开裂破损、刮痕等问题。

由于严寒地区室外温差大，环境恶劣，长期暴露于大气环境中的PE护套在服役过程中常遭受暴晒、雨雪冲刷、冰冻等作用耦合影响，从而造成材料分子间凝聚力减小，韧性降低。且桥梁斜拉索服役过程中护套随着索内钢丝的变形而始终处于高应力状态，桥面活荷载又使得护套上存在着交变应力作用，当这种交变应力大于受损后材料的分子间作用力时，护套将会发生不同情形的开裂破损。

2.2 斜拉索钢丝锈蚀

对于斜拉桥而言，其上的绝大部分荷载都将由斜拉索来承担，而斜拉索的使用寿命往往受到索内钢丝耐久性的影响。在桥梁斜拉索的病害中，钢丝锈蚀是较为常见的斜拉索病害情况之一。

索内钢丝锈蚀原因多为斜拉索护套发生破损开裂等损伤后，索内钢丝金属表面与大气环境中的腐蚀因子发生化学反应而发生锈蚀。如图3所示为不同环境下钢材断面锈蚀情况的SEM图像，可以发现当仅有雨雪冲刷而没有发生积聚时，钢材锈蚀程度明显轻于雨雪积聚环境。当桥址处于东北严寒地区时，冬季斜拉索表面常发生结冰和积雪，将使得索内钢丝的锈蚀损伤程度更为严重。

图3 腐蚀钢材断面的SEM图

2.3 涂漆层劣化

为防止大气中较高的氯离子浓度对钢材和混凝土造成严重的腐蚀影响，桥梁钢构件和混凝土表面均刷涂防腐漆。但本次检测发现，该桥涂漆层发生了不同程度的劣化损伤。桥梁护栏、栏杆涂漆层劣化检测的合格率为43.4%，在混凝土箱梁中发现12孔(占全部的16%)出现了16处涂层劣化和漆皮脱落。

严寒沿海地区桥梁所处的自然环境较普通桥梁更为恶劣，就我国东北地区而言，一年四季最大气温差可达60℃，而直接暴露于大气环境下的金属表面的最大温差可达到100℃左右，这对涂层材料的选择提出了更高要求，若涂漆材料的线膨胀系数与钢材或混凝土相差较大，构件母材与涂层之间会产生剪应力作用，当涂层老化粘结力不足时，就会造成涂漆层的破损、起皮和脱落等病害。

2.4 钢梁锈蚀损伤

该桥梁在墩柱和箱梁等部位出现不同程度的涂漆层劣化和脱落现象且在箱梁内部和拉索钢锚梁螺栓等部位出现了局部锈蚀损伤情况。图4可见箱梁内部明显的水迹且已经引起了该区域局部锈蚀的发生。检测还发现大量钢锚梁螺栓防腐漆脱落且发生局部腐蚀。

图4 箱梁内部钢材局部锈蚀

当桥梁处于严寒沿海地区时，较大的空气湿度和冬季积雪融化的雪水，容易通过缝隙渗透进入箱梁内部且长时间聚集难以排出，随着时间推移将影响该区域涂漆层的性质，进而造成积水处钢材的局部腐蚀病害。而对于直接暴露于大气环境中的钢结构而言，一旦防腐涂漆层破损，将使得空气中的氯离子或灰尘等电化学介质直接与钢材发生反应引起锈蚀。

2.5 混凝土开裂

通过对该桥梁检测发现全桥共计76个横隔梁(占总数100%)存在581条裂缝，其中超限裂缝37条(占总数6%)。共计463条横隔梁竖向裂缝，其中35条超限裂缝，并发现支座垫石出现环向裂缝。

严寒沿海地区桥梁所处的自然环境较普通桥梁更为恶劣，就我国东北地区而言一年四季最大气温差可达60℃。而混凝土的热胀冷缩的性质明显，受外界环境影响较大，当外部环境的温度发生大幅度变化时，混凝土内部将产生不同分布模式的拉应力，从而可以引起温度裂缝的发生。对于严寒沿海地区的桥梁来说，这种由于环境温度大幅变化造成的混凝土开裂现象是不容忽视的。

2.6 桥面铺装层病害

在对该桥铺装层进行检测时发现：全桥的伸缩缝处人行道受水侵蚀，铺装层局部老化变形、破损，该病害占该桥全部病害的比例较大。

在桥梁服役过程中，桥面将直接与自然环境介质如雨水、积雪等相接触，加之人或机动车辆的通行也会对其产生摩擦作用造成一定的损伤。又考虑到严寒地区冬季将大量使用含有氯离子的除雪剂而造成桥面铺装的进一步腐蚀。因此，相对于普通桥梁而言，桥址处于严寒沿海地区桥梁的桥面将更容易发生铺装层病害。

3 桥梁养护策略

根据以上分析，作者综合考虑严寒沿海地区的环境特点与桥梁养护技术，提出可适用于严寒沿海地区桥梁的病害预防和养护策略，减少桥梁病害的发生。

(1)重视斜拉索的养护和修复：当斜拉索PE护套发生破损刮痕长度在3mm以内时可以使用与护套相同的材料直接进行覆盖焊接修补，当护套开裂破损较为严重时应采用加热套管进行修复。对斜拉索的密封薄弱部位如锚固端等区域进行加强防护，可以采用内填聚氨酯发泡剂、垫密封圈和增设防雨罩等措施。

(2)提高防腐涂漆层质量：对于严寒沿海等气候环境较为恶劣的地区，除钢结构外还应对混凝土结构表面刷涂防腐漆，应保证涂漆材料膨胀系数等指标符合桥址所在地的相关规范和技术要求，对施工质量加以控制，避免涂漆层过早失效。

(3)主动预防钢材锈蚀的发生：对桥梁检查过程中发现的积水、积灰及时进行处理，并在该区域补涂防腐漆。对塔端锚头等不易检查的部位应定期进行补涂防腐油工作。对于已经发生局部腐蚀病害的构件，应当先进行除锈后再进行防腐涂料的补涂工作，防止进一步锈蚀的发生。

(4)尽可能应用高性能混凝土：由于严寒沿海地区气候环境复杂，空气中氯离子含量高，四季温差较大，对混凝土本身材料性质的要求较高。因此在设计阶段，应根据桥址的气候环境和主要侵蚀因素来选择合适的化学添加剂和骨料，对桥梁不同部位进行混凝土专项设计，同时还要考虑混凝土电通量和含气量等参数对材料性能的影响。在施工阶段应该严格按照相关要求进行混凝土的浇注和养护工作。

(5)及时对混凝土病害进行处理：对宽度较大的混凝土开裂缝隙进行注胶封闭，对宽度较小的开裂可采用涂胶封闭的措施，切忌使混凝土裂缝直接暴露于大气环境中。对于麻面、掉角等病害，应当先处理掉表面发生腐蚀破坏的混凝土，再应用具有较好耐腐蚀性的砂浆进行修补。

(6)改善桥面系排水：由于严寒沿海桥梁所处环境空气湿度大、冬季积雪严重，所以应对桥面系的排水进行合理的优化设计，根据桥址所处环境对桥面倾角和泄水管道等进行专项设计，如有发现排水设施损坏应当及时补修。