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海洋環(huán)境下橋梁鋼結(jié)構(gòu)耐久性情況的研究論文
相比于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)由于輕質(zhì)高強(qiáng)、方便施工和模塊化高等優(yōu)點(diǎn)而在工程結(jié)構(gòu)，尤其是在大跨結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。然而，由于鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件薄壁特性、基材的電化學(xué)性和防護(hù)涂層的老化退變等原因，鋼結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生腐蝕和疲勞耐久性問題，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)局部和整體的承載能力下降，鋼結(jié)構(gòu)的服役安全性隨之退化降低。由于橋梁鋼結(jié)構(gòu)的大體量和交通運(yùn)行的持續(xù)性等特點(diǎn)，一旦發(fā)生耐久性病害和損傷，橋梁鋼結(jié)構(gòu)耐久性的修復(fù)和加固難度成倍增加。本文就國(guó)內(nèi)橋梁鋼結(jié)構(gòu)耐久性情況進(jìn)行了調(diào)查分析。
隨著我國(guó)沿海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，快(高)速交通網(wǎng)絡(luò)的需求持續(xù)增長(zhǎng)，大規(guī)模跨海大橋的建設(shè)正在籌劃和付諸實(shí)施。自上世紀(jì)九十年代初，我國(guó)陸續(xù)建設(shè)了一批具有代表性的大型跨海大橋，如青馬大橋、東海大橋和杭州灣大橋等，而未來十年我國(guó)將在沿海地區(qū)開展較大規(guī)模的大型跨海大橋的建設(shè)實(shí)施，建立連接經(jīng)濟(jì)熱點(diǎn)地區(qū)的沿海快速物流通道，形成沿海地區(qū)的高速交通網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合既有大跨橋梁建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和大跨橋梁建設(shè)的設(shè)計(jì)理念，即將建設(shè)的大型跨海大橋的主梁將采用以鋼箱梁為代表的橋梁鋼結(jié)構(gòu)形式。從已有的研究成果來看，江河流域的大跨橋梁鋼結(jié)構(gòu)由于服役年限大小而或多或少地出現(xiàn)了腐蝕和疲勞耐久性問題，給橋梁的養(yǎng)護(hù)管理帶來了較大的挑戰(zhàn)。
相比于內(nèi)陸地區(qū)的江河環(huán)境，海洋環(huán)境下的橋梁鋼結(jié)構(gòu)將面臨更加嚴(yán)峻的自然環(huán)境侵蝕和極端環(huán)境條件作用，輔之以大流量、重裝載車輛荷載的長(zhǎng)期持續(xù)作用，海洋環(huán)境下的橋梁鋼結(jié)構(gòu)的耐久性問題勢(shì)必更為嚴(yán)峻。
因此，在開展大規(guī)模跨海大橋的建設(shè)前，有必要針對(duì)海洋環(huán)境下橋梁鋼結(jié)構(gòu)的耐久性開展全面、深入地的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，探索性地研究江河環(huán)境和海洋環(huán)境下大跨橋梁鋼結(jié)構(gòu)的耐久性退化規(guī)律，初步了解和掌握施工質(zhì)量、服役環(huán)境條件等因素對(duì)橋梁鋼結(jié)構(gòu)耐久性的影響，提取海洋環(huán)境下提升橋梁鋼結(jié)構(gòu)耐久性的施工質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)管理的關(guān)鍵控制因素，對(duì)海洋環(huán)境下橋梁鋼結(jié)構(gòu)的耐久性研究開展未雨綢繆地思考，為沿海地區(qū)跨海大橋的建設(shè)實(shí)施和養(yǎng)護(hù)管理提供有益的技術(shù)參考和幫助。
通過調(diào)查代表性地區(qū)的典型大跨橋梁鋼結(jié)構(gòu)的耐久性現(xiàn)狀，探索性地研究江河環(huán)境和海洋環(huán)境下大跨橋梁鋼結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)的耐久性退化規(guī)律，初步了解和掌握施工質(zhì)量、服役環(huán)境條件等因素對(duì)橋梁鋼結(jié)構(gòu)耐久性的影響，提取海洋環(huán)境下提升橋梁鋼結(jié)構(gòu)耐久性的施工質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)管理的關(guān)鍵控制因素。
一、橋梁鋼結(jié)構(gòu)耐久性現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研項(xiàng)目概況
針對(duì)海洋環(huán)境和江河環(huán)境選取了金塘大橋、西堠門大橋、桃夭門大橋、杭州灣跨海大橋、江東大橋、江陰長(zhǎng)江大橋、泰州長(zhǎng)江大橋和虎門大橋等八座大跨徑橋梁，著重對(duì)各座橋梁的鋼箱梁開展了耐久性狀況的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作，各座橋梁的概況如表2.1.1所示。從表中可以看出，八座橋梁中的四座為跨海大橋，四座為跨江(河)大橋;四座為斜拉橋，四座為懸索橋;橋齡最長(zhǎng)的為虎門大橋(17年)，橋齡最短的為泰州長(zhǎng)江大橋(2年);主跨最大的為西堠門大橋(1650m)，最小的為江東大橋(260m)。由此可知，所選取的橋梁在環(huán)境類型、橋梁形式、服役年限、主跨跨度等方面具有較強(qiáng)的代表性，涵蓋了大跨橋梁參數(shù)的主要變化范圍，相關(guān)調(diào)研及研究結(jié)果能夠如實(shí)反映既有大跨橋梁鋼結(jié)構(gòu)耐久性的現(xiàn)狀，相關(guān)結(jié)論可為海洋環(huán)境下大跨橋梁鋼結(jié)構(gòu)耐久性的工程應(yīng)用技術(shù)研究提供基礎(chǔ)性支撐。
表2.1.1 項(xiàng)目調(diào)研橋梁概況表
橋梁名稱 地區(qū) 環(huán)境類型 通車時(shí)間 橋齡 結(jié)構(gòu)形式 主跨跨度
金塘大橋 浙江省 海洋環(huán)境 2007年 7年 斜拉橋 620m
西堠門大橋 浙江省 海洋環(huán)境 2010年 4年 懸索橋 1650m
桃夭門大橋 浙江省 海洋環(huán)境 2003年 11年 斜拉橋 580m
杭州灣大橋 浙江省 海洋環(huán)境 2003年 11年 斜拉橋 325m
江東大橋 浙江省 江河環(huán)境 2008年 6年 斜拉橋 260m
江陰長(zhǎng)江大橋 江蘇省 江河環(huán)境 1999年 15年 懸索橋 1385m
泰州長(zhǎng)江大橋 江蘇省 江河環(huán)境 2012年 2年 懸索橋 1080m
虎門大橋 廣東省 江河環(huán)境 1997年 17年 懸索橋 888m
二、腐蝕耐久性調(diào)查
在腐蝕耐久性方面，不論橋齡長(zhǎng)短，各座橋梁均或多或少地存在著腐蝕病害問題，腐蝕病害主要形式有涂層霉斑、起皮、脫落、基材成點(diǎn)狀、片狀腐蝕，焊縫應(yīng)力腐蝕等。主要存在以下特點(diǎn)
1、海洋環(huán)境和江河環(huán)境下的橋梁鋼結(jié)構(gòu)均不同程度地存在腐蝕病害，海洋環(huán)境條件下的腐蝕病害總體更為嚴(yán)重。相比于江河環(huán)境，海洋環(huán)境下的大氣腐蝕性更強(qiáng)、極端天氣侵襲更為頻繁，而現(xiàn)有的涂層設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制則未給予合理的加強(qiáng)和處理。同時(shí)，海洋環(huán)境下的施工條件相對(duì)更加苛刻，使得現(xiàn)場(chǎng)涂層的施工質(zhì)量相對(duì)較低。上述兩種因素的綜合作用下，最終導(dǎo)致海洋環(huán)境下的橋梁鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕耐久性水平總體較低。
2、鋼箱梁外部的腐蝕耐久性整體狀況良好，而內(nèi)部的腐蝕耐久性狀況則相對(duì)較差。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，盡管八座橋梁鋼箱梁內(nèi)部的腐蝕耐久性狀況差異較大，但是外部均未發(fā)現(xiàn)明顯的涂層、基材和焊縫腐蝕病害。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鋼箱梁涂層質(zhì)量和防腐效果受部件和焊縫的表面形狀等影響較大，而相比于鋼箱梁內(nèi)部，鋼箱梁外部的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，焊縫數(shù)量和復(fù)雜程度相對(duì)較低，有益于提高涂層的防腐效果。同時(shí)，在實(shí)際的養(yǎng)護(hù)管理中，鋼箱梁外部的涂層養(yǎng)護(hù)受到的重視程度更高，涂層腐蝕的檢測(cè)和修補(bǔ)的頻率較高，導(dǎo)致鋼箱梁外部的涂層防腐狀況顯著好于鋼箱梁內(nèi)部。
3、鋼箱梁內(nèi)部腐蝕病害的易發(fā)部位為鋼箱梁的頂板和底板，頂板的主要病害為涂裝層霉斑、板件和焊縫片(線)狀點(diǎn)蝕，底板主要為箱內(nèi)積水導(dǎo)致的成片涂層和基材腐蝕。
4、現(xiàn)場(chǎng)涂裝部位的腐蝕病害顯著高于工廠涂裝，二次修復(fù)的涂裝層壽命遠(yuǎn)低于原狀涂裝層。以現(xiàn)場(chǎng)栓-焊連接部位、縱肋內(nèi)部等為代表的隱蔽部位腐蝕耐久性能存在較大隱患，而這些部位的除銹和二次涂裝的難度相對(duì)較大。
5、焊縫的表面形狀和空間位置對(duì)其防腐性能的影響較大。調(diào)查發(fā)現(xiàn)：焊縫處的點(diǎn)狀腐蝕病害往往發(fā)生在表面凹凸不平的焊縫位置處。相對(duì)于底板和橫隔板等部位，頂板或頂板-橫隔板等部位的焊縫處更容易出現(xiàn)腐蝕病害。
三、疲勞耐久性調(diào)研
相對(duì)于腐蝕耐久性問題，橋梁鋼結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性問題突出性較不顯著，調(diào)研中的八座橋梁中三座橋齡較大的橋梁發(fā)現(xiàn)較為嚴(yán)重的疲勞開裂問題，
1、鋼箱梁的疲勞裂紋主要出現(xiàn)在鋼橋面板的主車道部位，未在底板等其他部位發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋。三座橋梁的疲勞裂紋均發(fā)生在鋼橋面板的四個(gè)典型焊縫細(xì)節(jié)處，分別為頂板-縱肋焊縫、頂板縱肋對(duì)接焊縫、縱肋-頂板焊縫以及頂板-橫隔板焊縫等，未在底板等其他部位發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，上述四類裂紋的出現(xiàn)部位大部分對(duì)應(yīng)于主車道，超車道位置處的疲勞裂紋較少，表明車輛荷載對(duì)疲勞裂紋的開展影響較大。
2、頂板-縱肋、縱肋-橫隔板焊縫、橫隔板過焊孔母材等是橋梁疲勞裂紋的易發(fā)部位。頂板-縱肋焊縫疲勞裂紋受頂板厚度的影響較大，主要表現(xiàn)在虎門大橋和江陰長(zhǎng)江大橋的頂板-縱肋焊縫處疲勞開裂較為明顯，其他發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋的橋梁中這類裂紋則未有發(fā)現(xiàn)，而兩座橋梁的頂板厚度僅為12mm，小于目前常規(guī)的14mm和16mm。
3、交通荷載水平和焊縫質(zhì)量是影響鋼橋面板疲勞耐久性的兩個(gè)重要因素。發(fā)生疲勞開裂紋的橋梁的交通均表現(xiàn)為流量大、重車比例高等特點(diǎn)，。疲勞裂紋往往發(fā)生在現(xiàn)場(chǎng)焊接的焊縫位置，而在工廠內(nèi)施工的焊縫則開裂相對(duì)較少。現(xiàn)場(chǎng)焊縫檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工廠內(nèi)施工的焊縫質(zhì)量較好，缺陷分布較少，而相比之下，現(xiàn)場(chǎng)焊縫的質(zhì)量較差而缺陷分布較多。
四、結(jié)束語
腐蝕和疲勞耐久性是海洋環(huán)境下橋梁鋼結(jié)構(gòu)耐久性能的兩個(gè)重要方面。調(diào)研結(jié)果表明，目前的橋梁鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕和疲勞耐久性能存在一定的問題，主要表現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)涂裝和焊縫質(zhì)量較差，難以滿足橋梁鋼結(jié)構(gòu)的全壽命周期耐久性需求。下一步應(yīng)繼續(xù)開展腐蝕和疲勞試驗(yàn)，研究不同涂裝養(yǎng)護(hù)修復(fù)技術(shù)和疲勞裂紋維修加固方法對(duì)提升既有橋梁鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕和疲勞耐久性的有益效果，進(jìn)而建立既有橋梁鋼結(jié)構(gòu)腐蝕和疲勞耐久性的養(yǎng)護(hù)管理方法，提高橋梁耐久性。
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