章宏輝，杭 京，沈建華，彭麒悅，鐘 悅

(1.浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，杭州 310014；2.長興縣運通公路養(yǎng)護(hù)中心，浙江 湖州 313100)

0 引言

我國橋梁建設(shè)和發(fā)展取得了巨大進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用也成為未來橋梁建設(shè)趨勢所向。然而鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)技術(shù)出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象：一方面是特大橋的高水準(zhǔn)應(yīng)用，另一方面是中小橋的低水準(zhǔn)應(yīng)用且關(guān)注度較少[1]。在此情況下，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)中小橋的養(yǎng)護(hù)方案較欠缺，甚至有的鋼結(jié)構(gòu)橋梁竣工運營多年后其養(yǎng)護(hù)記錄為零?，F(xiàn)已運營的鋼結(jié)構(gòu)橋梁存在不同程度的病害損傷，如不采取人為干預(yù)，任由病害發(fā)展，原有的構(gòu)件強度削弱，最終將影響整體結(jié)構(gòu)的安全。因此，鋼結(jié)構(gòu)中小橋的病害防治任務(wù)逐漸顯現(xiàn)其重要性。

鋼橋的病害產(chǎn)生受多方面因素的影響，可簡單劃分為化學(xué)分析和物理分析兩個角度。基于化學(xué)分析角度，由于鋼結(jié)構(gòu)橋梁長期暴露在外界環(huán)境，其表面與周圍環(huán)境中的有害介質(zhì)發(fā)生化學(xué)及電化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)涂層性能較差時，有害介質(zhì)便會破壞涂層，滲透至內(nèi)部鋼材表面，使鋼材產(chǎn)生銹蝕，進(jìn)而造成整體構(gòu)件腐蝕劣化，降低橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力[2]；基于物理分析角度，鋼橋在運營使用階段，螺栓節(jié)點、連接焊縫等在循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生裂縫、螺栓脫落等病害。橋梁螺栓脫落大致可分為兩大類，一類是螺栓發(fā)生斷裂，一類是螺栓發(fā)生松動，失去連接作用。高強螺栓的脫落或斷裂，會降低鋼橋構(gòu)件的強度以及穩(wěn)定性，影響橋梁的安全使用性能[3]。

目前對外觀病害統(tǒng)計主要以定期人工巡檢為主，檢測人員對橋梁外觀缺陷做評判記錄，形成橋梁檢測報告，供業(yè)主單位參考，但該方法工作強度大、效率低，受工作空間限制，對檢測人員專業(yè)知識水平要求較高[4]。對鋼橋構(gòu)件內(nèi)部缺陷檢測采用無損檢測方式(Nondestructive Testing)，需借助檢測儀器設(shè)備，且費用較高。隨著非接觸式檢測技術(shù)不斷發(fā)展，病害識別算法成為研究熱點之一，有研究學(xué)者提出一種橋梁裂縫病害圖片自動識別卷積模型(BCDP-AR)，實現(xiàn)病害自動識別和成因預(yù)判[5]。此外，借助無人機遙感技術(shù)進(jìn)行橋梁病害檢測，可突破工作空間限制，提高橋梁檢測效率[6,10]。

針對鋼橋出現(xiàn)的各類病害，周期性檢查維護(hù)尤為重要。通過定期橋況調(diào)查，可及時發(fā)現(xiàn)破損與病害跡象，有針對性地采取預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，防止病害進(jìn)一步擴大[7]?，F(xiàn)有的養(yǎng)護(hù)工作一般分為以下兩種方式：第一類屬于常規(guī)性養(yǎng)護(hù)，保持鉚釘螺栓接合和焊接處于正常狀態(tài)，防止橋梁桿件銹蝕，矯正橋梁桿件局部變形等[8]；第二類是基于實時監(jiān)測的橋梁健康評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)從整體結(jié)構(gòu)上對橋梁運營進(jìn)行安全監(jiān)測，如果橋梁存在安全隱患，健康系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警后及時采取治理措施，保證橋梁安全運營[9]。

本文基于鋼橋研究現(xiàn)狀和延長鋼橋使用壽命任務(wù)需求，對長興縣某座鋼桁架橋梁開展系統(tǒng)調(diào)研。應(yīng)用無人機檢測技術(shù)對鋼桁架橋梁外觀進(jìn)行全方位圖像采集[10]，檢測確定已存在的病害種類、數(shù)量，形成橋梁病害檔案，提出典型病害處治及養(yǎng)護(hù)措施，為同類鋼結(jié)構(gòu)橋梁治理養(yǎng)護(hù)提供借鑒參考。

1 工程概況

1.1 橋梁

浙江省長興縣某鋼桁架橋為三跨半穿式鋼桁架連續(xù)梁橋，是長興縣境內(nèi)的第一座鋼橋，也是國內(nèi)首座該類型的城市橋梁。該橋位于長興縣經(jīng)四路南延線上，上跨長興港，采用(62m+100m+62m)三跨下承式連續(xù)鋼桁架結(jié)構(gòu)。通航標(biāo)準(zhǔn)為VI級航道，通航凈高為4.5m，設(shè)計車速為40km/h，設(shè)計汽車荷載為城—A級，人群荷載為3.5kN/m2。

橋梁縱坡2.9%，豎曲線半徑2 000m，橋面設(shè)1.5%雙向橫坡，橋面全寬30m。主桁采用無豎桿的華倫式三角形腹桿，節(jié)間長度為8m和10m。中跨跨中桁高5.76m，中支點桁高17.39m，兩片桁中心距18.08m，懸臂距主桁中心5.96m。桁內(nèi)中間設(shè)4車道，懸臂設(shè)2m人行道和3m非機動車道。

圖1 鋼桁架橋工程實例

1.2 構(gòu)件

1.2.1 構(gòu)件形式

主桁、下平聯(lián)、橫撐和橋門架為桿系結(jié)構(gòu)，橋面板為組合結(jié)構(gòu)。主桁節(jié)點采用整體節(jié)點，在工廠焊接制作，工地通過高強螺栓在節(jié)點外拼接。主橫梁通過高強螺栓和拼接鋼板連接主桁節(jié)點。由于桁梁較寬，下平聯(lián)采用雙X形式，與弦桿在節(jié)點處相連，以抵抗橫向風(fēng)力及弦桿變形產(chǎn)生的內(nèi)力，下平聯(lián)全橋通設(shè)。桁架中墩處設(shè)橫撐和橋門架。

主橋橋墩為實體式柱式橋墩，墩柱設(shè)計為圓臺狀，主結(jié)構(gòu)為直徑2.3m的鋼筋混凝土柱式結(jié)構(gòu)，外飾漿砌條狀塊石。承臺設(shè)計為近似圓臺狀，全高2.2m，直徑8.157m，基礎(chǔ)為直徑1.5m的鉆孔灌注樁。橋臺采用三肋式橋臺，承臺高2m，基礎(chǔ)為直徑1.2m的鉆孔灌注樁。

1.2.2 構(gòu)件材料

橋梁主體結(jié)構(gòu)(下弦桿、上弦桿、腹桿、橋塔豎桿、主中橫梁、次橫梁、次縱梁、下平聯(lián)、橫撐、橋門架及橋面板)采用Q345qD鋼，符合GB/T714-2000的要求。部分輔助結(jié)構(gòu)(防撞護(hù)欄和人行道欄桿)采用Q235B鋼，符合GB/700-2006的要求。高強度連接副由一個10.9S高強度大六角頭螺栓、一個10H高強度大六角頭螺母、兩個HRC35～45高強度墊圈組成，其型式尺寸、技術(shù)條件及標(biāo)記符合GB/T1228～1231—2006的規(guī)定。

橋梁外表面涂裝采用鐵路第7涂裝體系，包括：噴砂除銹+底漆+中間漆+面漆。栓接點螺栓、螺栓頭處涂裝特制的環(huán)氧富鋅底漆，涂裝前螺栓應(yīng)除油，螺母和墊片應(yīng)清除皂化膜。主桁箱形桿件內(nèi)隔板以內(nèi)部分噴砂除銹，箱梁截面形成后，對端隔板以內(nèi)部分采用封閉式措施，端隔板所有縫隙、空洞使用彈性密封材料封堵嚴(yán)密，防止水汽進(jìn)入引起鋼板銹蝕。

2 無人機采集橋梁病害的方法

鋼桁架橋梁結(jié)構(gòu)形式多為兩片主桁架以及橫向支撐組成。大型鋼桁架橋為保證其結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)定的要求，豎向高度與縱、橫向跨度呈正相關(guān)。為突破空間限制，降低鋼橋病害檢測成本，無人機檢測技術(shù)是較優(yōu)選擇[7]。無人機可定點懸停觀測、實時傳輸拍攝畫面，與常規(guī)檢測相比，具有較多優(yōu)勢：降低檢測成本；隨著無人機技術(shù)快速發(fā)展，無人機各項功能滿足工程檢測需求，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛；設(shè)備由蓄電池供電，使用成本遠(yuǎn)低于橋梁檢測車和搭架檢測；高精度的空中檢測，多軸飛行器運用高分辨率攝像機的搭載，可以應(yīng)對多種復(fù)雜橋梁病害的高精度拍攝，實現(xiàn)病害定點360°全方位識別；后期維修養(yǎng)護(hù)較為方便。采用無人機拍攝對橋梁整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行病害識別，可形成系統(tǒng)性的橋梁病害檔案。

根據(jù)無人機采集圖像分辨率，同時減少圖像采集數(shù)量，將本文工程實例的鋼橋采樣區(qū)間劃分為東西兩側(cè)各12個區(qū)域，針對各區(qū)域進(jìn)行病害圖像數(shù)據(jù)采集，完成病害圖像數(shù)據(jù)歸檔。

圖2 全橋區(qū)域劃分

為保證全橋上部結(jié)構(gòu)病害采集完整，不遺漏鋼橋任何一個邊角，采用以下拍攝方式：

(1)無人機圖像采集鏡頭垂直于主桁面(東、西兩片桁架)，采取拍照模式獲取桁架結(jié)構(gòu)各區(qū)間的圖像，如圖3所示。

圖3 主桁圖像采集

(2)由于桁架內(nèi)側(cè)有橫向支撐、門式桁架等障礙物，內(nèi)側(cè)無人機由上而下俯視拍攝兩片桁架，采取拍照模式獲取該區(qū)間的圖像，如圖4所示。

圖4 細(xì)節(jié)圖像采集

(3)橫向支撐、門式桁架等構(gòu)件與第(2)步采樣方式相同，采取拍照模式獲取該區(qū)間的圖像。

(4)最后對全橋全方位錄像拍攝，收集構(gòu)件細(xì)節(jié)的圖像。

3 鋼橋典型病害及原因分析

在鋼橋的病害分析中，產(chǎn)生的腐蝕為一般攻擊腐蝕、局部腐蝕和環(huán)境腐蝕等三種[11]。腐蝕病害產(chǎn)生的起因是涂層在負(fù)載環(huán)境下劣化后起泡，逐漸發(fā)展成涂層開裂，緊接著是涂層剝落，最后開始內(nèi)部鋼材直接暴露發(fā)生銹蝕。

3.1 鋼材銹蝕

鋼結(jié)構(gòu)橋梁的銹蝕病害是一種緩慢的氧化反應(yīng)，發(fā)生銹蝕病害需要一定的濕度、溫度、氧氣和大氣中有害介質(zhì)的綜合影響，一旦構(gòu)件表面的涂層開裂或脫落，所處環(huán)境相對濕度較大，水汽在金屬表面形成水膜，空氣中的氧氣透過水膜到金屬表面產(chǎn)生化學(xué)作用，從而容易使構(gòu)件發(fā)生銹蝕病害。長興縣屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，光照充足、氣候溫和、降水充沛、雨熱同季、溫光協(xié)調(diào)，在此大氣環(huán)境下，滿足鋼材銹蝕產(chǎn)生的基本條件，如工程實例鋼橋便存在大量銹蝕。銹蝕病害中的主要化學(xué)成分是鐵銹，鐵銹是一種棕紅色的物質(zhì)，易吸收水分，如不及時去除，將加快構(gòu)件銹蝕速度，導(dǎo)致銹蝕病害大面積成群出現(xiàn)。

構(gòu)件表面銹蝕，除涂層開裂、脫落導(dǎo)致銹蝕的原因外，另一原因是由于涂層表面清潔度差，表面黏附的灰塵或其余雜質(zhì)在一定程度上阻止水分流失，形成水膜后各類有害介質(zhì)進(jìn)入膜體內(nèi)，提高水膜導(dǎo)電性能，從而加速構(gòu)件表面涂層、內(nèi)部鋼材的銹蝕過程。如工程實例橋梁主桁架橫向構(gòu)件產(chǎn)生銹蝕的頻率高于其他垂直構(gòu)件產(chǎn)生銹蝕的頻率，構(gòu)件向上表面銹蝕的頻率高于其他面的頻率。

圖5 腹桿面板銹蝕

圖6 主桁架上面板銹蝕

構(gòu)件邊角周圍也是銹蝕病害常見發(fā)生的位置，這一類位置有主桁梁外伸翼緣處和腹桿邊角等。主桁架外伸翼緣位置容易吸附雨水，產(chǎn)生水膜后與上文中表面銹蝕相同。腹桿邊角位置主要是由于涂層較薄，劣化速度快，易發(fā)生涂層開裂，進(jìn)而產(chǎn)生銹蝕病害。

圖7 主桁架外伸翼緣銹蝕

圖8 腹桿邊角銹蝕

焊縫銹蝕是由于在噴涂漆膜階段為防止局部過熱產(chǎn)生焊縫劣化，焊縫處涂層厚度比其兩側(cè)表面涂層厚度薄，在相同環(huán)境因素影響下，焊縫處涂層先發(fā)生開裂，并且裂縫沿焊縫方向發(fā)展一般呈長條狀。

圖9 焊縫銹蝕

構(gòu)件排水口也是銹蝕病害易發(fā)部位，銹蝕痕跡分布沿水流呈現(xiàn)長條形銹斑，嚴(yán)重程度與排水后距離呈正相關(guān)。由于該位置與水分接觸的頻率最高，也是銹蝕易發(fā)部位。如工程實例橋梁部分排水口曾進(jìn)行簡易養(yǎng)護(hù)，但其中部分出水口在相同位置出現(xiàn)了二次銹蝕，涂層發(fā)生了明顯的劣化翹起。

語言教學(xué)不僅需要良好的語言教學(xué)能力，更需要具備良好的語言教學(xué)策略，語言教學(xué)策略指得是為了達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，采取一系列的語言手段。促進(jìn)幼兒更好的掌握語言運用能力。語言教學(xué)能力對幼兒學(xué)習(xí)有著重要的影響，只有采取正確的教學(xué)策略，才能促進(jìn)幼兒學(xué)習(xí)能力的提升。所以教師應(yīng)該根據(jù)實際情況，不斷學(xué)習(xí)，逐漸提高自身的語言教學(xué)能力。

圖10 無養(yǎng)護(hù)排水口銹蝕

圖11 養(yǎng)護(hù)后二次銹蝕排水口

3.2 涂層劣化

3.2.1 涂層開裂、剝落

涂層開裂現(xiàn)象是漆膜出現(xiàn)不連續(xù)的外觀變化，嚴(yán)重處漆膜完全脫落，內(nèi)部鋼材裸露[12]。產(chǎn)生該病害的原因是在噴涂階段有不規(guī)范的操作[11]：噴涂層過熱，即噴涂距離太小或噴槍移動速度過慢，引起涂層局部過熱，冷卻后產(chǎn)生裂縫；噴涂層厚度不均勻，導(dǎo)致涂層收縮率不均勻，出現(xiàn)裂縫。此外，最常見的開裂原因是構(gòu)件表面起泡，產(chǎn)生原因之一是由于在涂層老化過程中失去與構(gòu)件的黏附力，內(nèi)部氣體受熱膨脹使表面涂層突起，一般呈非規(guī)則圓形凸起狀，隨著內(nèi)部氣體不斷增加最終導(dǎo)致涂層開裂；除氣體受熱膨脹以外，構(gòu)件表面在噴涂前存在油污、塵土等物質(zhì)和潮氣、水珠等揮發(fā)性液體存在，在環(huán)境溫度形成催化作用下產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成氣體。

噴涂操作不規(guī)范和構(gòu)件本身不清潔成為涂層開裂的主要原因，進(jìn)而發(fā)展成涂層剝落。涂層剝落一般都是在涂層開裂后，內(nèi)部構(gòu)件與涂層的黏結(jié)力逐漸減弱，形成較大的涂層翹起，最終導(dǎo)致開裂涂層的剝落。

圖12 涂層起泡

圖13 涂層剝落

3.2.2 涂層變色

漆膜表面顏色因環(huán)境氣候原因，與其周圍顏色產(chǎn)生異同。主要原因是由于涂層內(nèi)的樹脂或顏料受到污染而改變了局部涂層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化顯現(xiàn)出不同的顏色[13]；涂層受到光化學(xué)反應(yīng)而變色；涂層受到高溫干燥而發(fā)生變色；以及受到紫外線的直射導(dǎo)致涂層變色。如工程實例橋梁中發(fā)生的涂層變色的最大原因是由于涂料本身發(fā)生了變化，因為在整橋病害中僅北部主桁架存在上面板涂層變色，故涂料自身變化成為主要誘因之一。

圖14 涂層變色

3.2.3 清潔度差

清潔度差是指構(gòu)件表面黏附大量灰塵、油污。如工程實例橋梁下平聯(lián)由于在建設(shè)期間遺留建筑材料，成橋后未進(jìn)行清理，導(dǎo)致該位置積留大量雜物。腹桿下端也存在大量油漬、污垢，螺栓安裝過程中，未及時清理油污，安裝完成后油漬開始向下滲透，并且油污在水流的帶動下不斷向下延伸。橫向支撐存在大量水漬，因為工字鋼形成封閉凹槽累積雨水，水分蒸發(fā)后留下灰塵、污垢。

圖15 涂層污漬

圖16 涂層水漬

3.3 螺栓銹蝕、脫落

3.3.1 螺栓、連接板銹蝕

圖17 螺栓銹蝕

圖18 螺栓連接板銹蝕

3.3.2 螺栓脫落

螺栓脫落的主要原因一是螺栓本身的質(zhì)量問題，二是使用階段的客觀條件造成螺栓斷裂。

螺栓自身問題：煉造高強螺栓在復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境內(nèi)澆筑鋼液會混入鎂、鈣等耐火材料碎塊，從而導(dǎo)致高強螺栓局部出現(xiàn)晶界脆化，出現(xiàn)潛在的裂痕隨時間推移出現(xiàn)螺栓斷裂。

使用階段的各種因素影響：一方面，橋梁在拼裝過程中經(jīng)常會出現(xiàn)對孔不精準(zhǔn)，導(dǎo)致螺栓受力不均，出現(xiàn)螺栓斷裂?；蚴鞘┕r螺栓超擰值超標(biāo)、摩擦面處理等施工工藝控制不精確等問題，導(dǎo)致螺栓在成橋后正常使用階段，由于受到搭接板的剪切力，或是超擰后使用階段超出螺栓抗拉強度而導(dǎo)致螺栓斷裂；另一方面，橋梁成橋后使用階段，線路開通運營后，鋼桁架橋梁在行車循環(huán)荷載作用下，運營初期螺栓群應(yīng)力重新分布，局部螺栓受力較大，超過螺栓的抗拉強度，出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

圖19 螺栓脫落

4 鋼桁架橋典型病害治理及維修建議

4.1 防腐涂裝

鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝的檢查維修主要包括[14]：(1)檢查。鋼構(gòu)件油漆損壞或失效，表現(xiàn)為漆膜粉化露底、龜裂剝落、起泡及吐銹等。(2)除銹。鋼結(jié)構(gòu)涂裝前，對其表面進(jìn)行清理。鋼構(gòu)件除銹及表面處理的目的在于去除塵埃、油垢、水、氧化皮、鐵銹或舊的不堅固的漆膜，以增強新涂漆膜的附著力，提高油漆質(zhì)量。(3)油漆。油漆的種類很多，性能不同，鋼構(gòu)件上使用的油漆要求防銹性能和耐候性能良好。

4.2 高強螺栓檢查維護(hù)

焊縫連接和高強螺栓連接是鋼桁架橋兩種主要的連接方式，如工程實例鋼桁架橋使用了近14 000副高強度螺栓連接副，因此，在橋梁后期運營過程中高強螺栓的使用和質(zhì)量對橋梁的正常運營和安全起著至關(guān)重要的作用。

高強螺栓檢查時若發(fā)現(xiàn)松動或銹蝕嚴(yán)重時應(yīng)予以更換，對于松動的高強螺栓嚴(yán)禁加以擰緊后重新使用。嚴(yán)格控制高強螺栓設(shè)計預(yù)緊力，建議采用控制扭矩的電動扳手，施擰前扳手需檢測標(biāo)定。更換時，高強度螺栓、螺母、墊圈必須按生產(chǎn)廠家提供的批號配套使用，并不得改變其出廠狀態(tài)。

4.3 定期清潔

保持鋼桁架橋梁整體清潔度。施工完成后應(yīng)清除所有遺留的建筑材料，必要部位重新清洗涂漆。運營階段，管理養(yǎng)護(hù)部門需定期對整橋巡檢，清理下桁底部的廢棄物，去除腹桿表面吸附的油污、灰塵，發(fā)生銹蝕的部位需除銹后重新噴漆。

5 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)橋梁的定期巡查與合理養(yǎng)護(hù)一定程度上可延緩橋梁老化損壞速度，延長橋梁的使用壽命。由于養(yǎng)護(hù)的成本將以多倍的價值折現(xiàn)至橋梁使用中，面對每一次的檢查都應(yīng)規(guī)范檢查程序、提升檢查手段和端正檢查態(tài)度；對于普通鋼結(jié)構(gòu)橋梁，則按照一般養(yǎng)護(hù)手冊的規(guī)章進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；對于特殊鋼結(jié)構(gòu)橋梁，則將橋梁養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)化、定制化，系統(tǒng)劃分各類鋼結(jié)構(gòu)橋梁養(yǎng)護(hù)的注意要點，定制專屬的養(yǎng)護(hù)手冊。積極歸納總結(jié)巡查中發(fā)現(xiàn)的問題，對其進(jìn)行分析研討，提出對應(yīng)的維修養(yǎng)護(hù)措施。完成維修工作后采用文字和照片形式予以記錄，形成工程實例橋梁的健康檔案，不斷提高養(yǎng)護(hù)水平和養(yǎng)護(hù)工作質(zhì)量。