段昕智，白午龍，黃少文

（1.上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200031；2.上海城市路域生態(tài)工程技術(shù)研究中心，上海市 200031）

0 引言

橋梁支座作為連接上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的重要組成部件，應(yīng)具有足夠的承載力，以保證安全可靠地傳遞支座反力，協(xié)調(diào)梁體的變形與轉(zhuǎn)動，同時(shí)還起到減振耗能、保證橋梁安全穩(wěn)定的作用。

在橋梁的使用過程中，支座具有集中傳力的特點(diǎn)，在其全壽命周期中一直受到往復(fù)力的作用，且常年暴露在外，所以支座成為了橋梁整體結(jié)構(gòu)中的薄弱構(gòu)件[1]。橋梁支座處很容易產(chǎn)生腐蝕，同時(shí)支座的維護(hù)和更換異常困難，一旦耐久性受損，可能嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全[2]。

因此，實(shí)際工程中應(yīng)該選取具有良好抗腐蝕性能的支座形式，并采取積極的抗腐蝕措施，以延長支座乃至橋梁整體的使用壽命。

1 球型鋼支座概述

現(xiàn)今橋梁的支座主要有板式橡膠支座、盆式支座和球型鋼支座等形式。

板式橡膠支座可以分為加勁橡膠支座與非加勁橡膠支座，加勁橡膠支座內(nèi)布置有鋼板，可以提高支座剛度及豎向承載力，限制橫向膨脹變形，大幅增加豎向剛度。板式橡膠支座具有構(gòu)造簡單、制造容易、成本低廉、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于中小跨徑橋梁。但是其缺點(diǎn)也很明顯，容易出現(xiàn)橡膠老化、龜裂、鋼板外露、不均勻鼓凸與脫膠、支座邊緣脫空、剪切超限和支座位置串動等病害[3]。

盆式支座相對于板式橡膠支座而言體積更大，高度較低，橡膠用量減少，鋼材用量居多，因此支座的質(zhì)量較大，承載能力和橫豎向的位移能力顯著提升，通常應(yīng)用于大跨度橋梁。盆式支座經(jīng)常出現(xiàn)鋼件裂紋、變形、錨栓剪斷、鋼件脫焊、銹蝕、位移轉(zhuǎn)角超限、密封圈或承壓板擠出等病害[3-4]，同時(shí)長期運(yùn)營也會導(dǎo)致滑板材料逐步磨損，支座摩擦因數(shù)增大，活動性能降低。

我國從上世紀(jì)70 年代開始研制球型鋼支座，球型鋼支座是在盆式支座的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。相比以上兩種支座，球型鋼支座在耐久性等方面具有更突出的優(yōu)勢。球型鋼支座一般按其水平位移特性予以分類：雙向活動支座：具有雙向位移功能，不承擔(dān)水平向荷載的作用，代號SX；單向活動支座：具有單向位移性能，承擔(dān)單向水平荷載的作用，代號DX；固定支座：承受各向水平荷載的作用，各向無水平位移，代號GD。球型鋼支座一般由上支座板（含不銹鋼板）、平面聚四氟乙烯板、球冠襯板、球面聚四氟乙烯板和下座板等防塵結(jié)構(gòu)組成[5]，其結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 球型鋼支座結(jié)構(gòu)形式

球型鋼支座的主要承壓部件是鋼制的球冠襯板，這使得球型鋼支座繼承了盆式支座的大位移、大承載能力的特點(diǎn)，同時(shí)還具有傳力可靠、反力均勻以及轉(zhuǎn)動靈活等優(yōu)良特性。與板式橡膠支座和盆式支座不同的是，球型鋼支座避免了橡膠的應(yīng)用，不存在橡膠的剪切應(yīng)變[6]，其水平位移和轉(zhuǎn)動性能主要通過聚四氟乙烯與不銹鋼滑板材料摩擦副系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

球型鋼支座相比于板式橡膠支座和盆式支座，克服了其材料、結(jié)構(gòu)以及工作原理上的諸多缺陷與不足，具有以下優(yōu)點(diǎn)[3]：

（1）避免采用橡膠材料，不存在橡膠老化和質(zhì)量控制問題，鋼材的耐腐蝕性能更好；

（2）傳力路徑明確，克服了盆式橡膠支座中盆環(huán)應(yīng)力集中的缺陷；

（3）支座內(nèi)部通過平面摩擦副和球面摩擦副之間的滑動實(shí)現(xiàn)支座的平面位移和轉(zhuǎn)角需求，與橡膠支座依靠橡膠變形提供轉(zhuǎn)角相比，其反力更小，轉(zhuǎn)動更靈活；

（4）設(shè)計(jì)容許應(yīng)力不再受橡膠材料限制，當(dāng)選用承載能力高、耐磨性好的新型滑動材料時(shí)，可有效減小尺寸、降低重量；

（5）滑板材料相比于橡膠，其各項(xiàng)性能指標(biāo)受溫度變化影響小，溫度適應(yīng)性更強(qiáng)，可在-40℃～+60℃的溫度下正常工作，在我國南北方區(qū)域，甚至嚴(yán)寒、大溫差的高緯度地區(qū)[7]均適用。

鑒于以上諸多優(yōu)點(diǎn)，球型鋼支座已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了國內(nèi)各地的高鐵高架橋、城市軌交橋梁中，如上海的南浦大橋、佛山西站高鐵橋梁段、河北的大嶺堡大橋[8]、廣州報(bào)業(yè)文化中心連廊[9]等等。

然而，雖然球型鋼支座避免了橡膠材料的老化問題，但是不可避免的受到鋼材腐蝕的病害，造成支座安全可靠度下降，耐久性大打折扣，尤其是在海洋高濕度、高鹽度等嚴(yán)酷腐蝕性環(huán)境下，球型鋼支座面臨的受腐蝕形勢極其嚴(yán)峻。因此，為了對球型鋼支座進(jìn)行合理的抗腐蝕保護(hù)與設(shè)計(jì)，前提是了解鋼材的腐蝕機(jī)理與影響介質(zhì)。

2 鋼材腐蝕機(jī)理與影響介質(zhì)

鋼材的腐蝕是鋼材在環(huán)境中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料本身損傷或者性能退化。據(jù)中國工程院在“我國腐蝕情況及控制戰(zhàn)略”重大項(xiàng)目的研究結(jié)果，2014 年國內(nèi)腐蝕產(chǎn)生的成本約為2.13 萬億元（其中鋼材腐蝕最普遍），占到當(dāng)年GDP 的3.34%[10]，足以見得鋼材腐蝕造成的損失之嚴(yán)重。

2.1 鋼材腐蝕機(jī)理

按照腐蝕的作用性質(zhì)分類，鋼材腐蝕有三種情況：物理腐蝕、化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕。

（1）物理腐蝕

物理腐蝕指純粹的物理溶解引起腐蝕破壞，在實(shí)際的腐蝕情況中占比較小，比如鋼材在高溫熔鹽、熔堿、液態(tài)金屬中的腐蝕。

（2）化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕是指鋼材直接與氧化劑接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而被腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕中常見氧化劑包括氧氣，氯氣，硫等氣體，但是自然環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的化學(xué)腐蝕速度相對緩慢。

（3）電化學(xué)腐蝕

2.2 鋼材腐蝕影響介質(zhì)

鋼材所處環(huán)境的不同對其受腐蝕程度尤為重要，帶有腐蝕性的物質(zhì)成分統(tǒng)稱為腐蝕介質(zhì)，根據(jù)環(huán)境腐蝕介質(zhì)的不同，鋼材腐蝕可以分為大氣腐蝕、淡水腐蝕、海水腐蝕、土壤腐蝕、化工介質(zhì)腐蝕、微生物腐蝕等[12]。對于橋梁支座，常常受到的是前三種腐蝕情況。

（1）淡水腐蝕

淡水主要來源于地表降水，包括雨、雪、冰雹。普通的淡水呈中性，對鋼材腐蝕性低，但隨之環(huán)境的變化和空氣中工業(yè)排放的污染物增多，水質(zhì)會形成酸雨，腐蝕性增強(qiáng)。

（2）大氣腐蝕

鋼材由于長期暴露與空氣當(dāng)中，所以大氣腐蝕具有普遍性，大氣腐蝕情況又可以分為三種情景：干環(huán)境、潮濕環(huán)境、濕環(huán)境。

目前研究發(fā)現(xiàn)影響鋼材大氣腐蝕速率的因素主要有[10]：

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a.溫度在零度以上的時(shí)候大氣濕度超過臨界濕度的時(shí)間長久，這是影響大氣腐蝕速率的最重要因素，腐蝕速率與超過臨界濕度的時(shí)間近似呈指數(shù)關(guān)系；

b.大氣中的腐蝕物質(zhì)含量，如二氧化碳、二氧化硫、氟化氫、硫化氫、氮的氧化物等，這些物質(zhì)能夠大大加速腐蝕速率。

c.鹽粒沉降，在自然環(huán)境中的常見鹽中，腐蝕速率由高到低依次為NaCl＞Na2SO4＞Na2SO3＞H2O，且對于處在含有以上電解液的環(huán)境中的鋼材，僅僅涂抹在表面的試樣比完全浸泡在電解液中的試樣腐蝕速率更快。

（3）海水腐蝕

海水腐蝕指材料或構(gòu)件在海洋環(huán)境中發(fā)生的腐蝕。這是一種非常復(fù)雜的腐蝕環(huán)境，海水中含有大量的氯離子，海洋腐蝕以局部腐蝕為主，往往從鋼構(gòu)件的表面開始，在小區(qū)域發(fā)生腐蝕作用并擴(kuò)大，加上海洋中的微生物、附著生物及它們的代謝產(chǎn)物都會對腐蝕的過程產(chǎn)生促進(jìn)加速作用[13]。

3 球型鋼支座抗腐蝕保護(hù)與設(shè)計(jì)

3.1 球型鋼支座受腐蝕類型

球型鋼支座由于其所處在橋梁上下部結(jié)構(gòu)的銜接位置，其腐蝕既具有一般鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕特征，又有其自身的不同特點(diǎn)，球型鋼支座的腐蝕主要表現(xiàn)為均勻腐蝕（全面腐蝕）、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕等形態(tài)[14]。

（1）均勻腐蝕

此類腐蝕遍布于鋼材表面，所以也叫全面腐蝕，因?yàn)槭蔷鶆虻拇笠?guī)模表面腐蝕，會造成大量的金屬損失，使得支座鋼材厚度逐漸減薄，但由于腐蝕速度均勻，所以從技術(shù)層面來看，這類腐蝕對支座的危害并不會很大，可以較為可靠地進(jìn)行預(yù)測以及防護(hù)。

（2）點(diǎn)蝕

支座的點(diǎn)蝕是金屬表面在相對集中的小部位發(fā)生局部腐蝕。點(diǎn)狀腐蝕的迅速出現(xiàn)，往往是因?yàn)辄c(diǎn)蝕發(fā)生前期，會在鋼結(jié)構(gòu)表面的氧化保護(hù)層中生成微米級別的小凹陷或微孔，這些微孔處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，在外界條件的影響下迅速增生并向內(nèi)擴(kuò)張，最終形成大的凹陷和孔穴[15]。

點(diǎn)蝕最常見地發(fā)生在沿海地區(qū)，因?yàn)槁入x子半徑小、穿透力強(qiáng)、極性強(qiáng)等特點(diǎn)，很容易到達(dá)金屬表面，并且在點(diǎn)蝕形成的凹坑內(nèi)富集，同時(shí)在基體鐵與腐蝕產(chǎn)物膜界面處的雙電層結(jié)構(gòu)會容易優(yōu)先吸附氯離子，導(dǎo)致該區(qū)域陽極溶解加速。金屬基體會被向下深挖腐蝕，形成點(diǎn)蝕坑內(nèi)陽極金屬的溶解，這一過程屬于氯離子的催化機(jī)制，當(dāng)氯離子濃度超過臨界值之后，陽極金屬將處在持久活化狀態(tài)而不會鈍化。因此點(diǎn)蝕坑會不斷擴(kuò)大、加深。

所以對于沿海等環(huán)境下的球型鋼支座，點(diǎn)蝕形成的蝕孔出現(xiàn)位置、腐蝕程度等難以通過有效的檢測方法做出評估及預(yù)測，一旦支座形成了嚴(yán)重的腐蝕穿孔，往往可能導(dǎo)致承載力大幅下降甚至失效，隱患極大，因此需要特別關(guān)注球型鋼支座的點(diǎn)蝕病害。

（3）縫隙腐蝕

在安裝支座時(shí)，支座墊石頂面不水平或梁底不平整，墊石砂漿不密實(shí)，與支座連接不牢固，緊固件松動或者橋墩、橋臺等的不均勻沉降、傾斜，上部結(jié)構(gòu)的水平移位與振動變位等諸多原因，都會形成縫隙，進(jìn)而發(fā)生縫隙腐蝕。

縫隙腐蝕的結(jié)果會導(dǎo)致橋梁支座強(qiáng)度降低，與其他構(gòu)件吻合度變差。隨著縫隙內(nèi)腐蝕產(chǎn)物體積的增大，會引起局部附加應(yīng)力，鋼支座的承載能力降低。同時(shí)，當(dāng)支座處于通風(fēng)不佳、濕度高或凍融地區(qū)時(shí)，縫隙腐蝕更容易產(chǎn)生局部高腐蝕速率，危害球型鋼支座健康。對于球型鋼支座，還應(yīng)避免支座內(nèi)部構(gòu)件的連接面產(chǎn)生積水，一旦球冠襯板腐蝕生銹，將直接損害支座的位移轉(zhuǎn)動性能，從而潛在威脅橋梁的安全位移。

（4）應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕的發(fā)生往往是因?yàn)樵诟g與交變應(yīng)力的聯(lián)合作用下，產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力與疲勞，鋼材表面氧化膜破壞，形成微裂紋，產(chǎn)生斷裂應(yīng)力腐蝕。應(yīng)力腐蝕是疲勞應(yīng)力與腐蝕相互作用的結(jié)果，在兩者的疊加作用下，既能加速球型鋼支座上疲勞裂紋的擴(kuò)展，又加深了腐蝕的程度，從而導(dǎo)致支座失去有效支撐作用，誘發(fā)安全隱患。

3.2 球型鋼支座抗腐蝕保護(hù)措施

為了提升球型鋼支座的耐久性，目前的手段主要有以下方面：

（1）提升基材的耐腐蝕性能

通過在支座所用鋼材中加入能提高鋼材抗腐蝕性能的合金元素，如鉻、鎳、錫、鈦等，制成合金鋼材，能夠有效地提高鋼材的抗腐蝕能力。

現(xiàn)今，耐候鋼的應(yīng)用也越來越廣，耐候鋼通過在其表面形成連續(xù)、致密的堅(jiān)硬內(nèi)銹層，有效阻礙腐蝕性氣體和介質(zhì)向基體滲透。目前的耐候鋼按化學(xué)成分可以分為銅磷鋼和銅磷鉻鎳鋼，有Q295GNH、Q295GNHL、Q345GNH、Q345GNHL、Q390GNH 等型號，將耐候鋼引入至球型鋼支座中，可以顯著提高其耐腐蝕性能。文獻(xiàn)“高濕熱環(huán)境下隔震支座連接板防腐技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析”[16]分析了重度防腐涂層、熱噴涂、耐候鋼三種支座防腐方案的全壽命累計(jì)費(fèi)用現(xiàn)值，見圖2，可見耐候鋼在長期使用情況下具有經(jīng)濟(jì)合理性。

圖2 不同方案全壽命累計(jì)費(fèi)用現(xiàn)值比較

（2）采用特殊工藝

目前鋼材防腐的工藝多種多樣，可選擇性很大，可以應(yīng)用到球型鋼支座中的主要有以下幾種：

a.火焰噴涂：將鋅鋁等金屬高溫熔化，通過專業(yè)設(shè)備將其噴涂到橋梁鋼結(jié)構(gòu)表面，冷卻凝固形成保護(hù)層。這種方法的優(yōu)勢在于不僅可以有效地將鋼結(jié)構(gòu)與外界環(huán)境隔離，同時(shí)金屬涂層可以利用犧牲陽極保護(hù)陰極的方式對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。這種防腐在實(shí)際應(yīng)用中的缺陷在于對于球型鋼支座這種受集中力及往復(fù)力的構(gòu)件來說，支座鋼材表面的金屬涂層容易脫落[17]。

b.熱浸鍍鋅：首先用酸溶液將支座上的銹漬清洗干凈并保持濕潤，然后將放入準(zhǔn)備好的高溫鋅溶液中浸泡并取出，冷卻一段時(shí)間后鋼結(jié)構(gòu)部件表面會形成一層保護(hù)層，有效的將球型鋼支座與外部腐蝕環(huán)境分離；另一方面當(dāng)涂層損壞后也可以通過犧牲陽極的方式對球型鋼支座進(jìn)行保護(hù)。

c.非金屬覆蓋：又叫涂層防護(hù)，是最常用的鋼材防腐手段。由于氣候環(huán)境以及工業(yè)等因素，而無法用一種涂料來抵抗各種情況的腐蝕，所以現(xiàn)階段對于涂料涂裝常采取多層涂料疊加的方式，這種方式的優(yōu)勢在于操作方便工期短，缺點(diǎn)在于涂料的防腐蝕周期比較短，應(yīng)用到球型鋼支座中，需要定期維護(hù)。

d.陽極犧牲與陰極保護(hù)：對于需要在水下或地下使用的鋼結(jié)構(gòu)，普遍采用了陰極保護(hù)的防腐方式，陰極保護(hù)有外加電流和犧牲陽極兩種形式：外加電流措施是對于裸露的鋼構(gòu)件實(shí)施外加電流，犧牲陽極措施主要利用比鋼材的電位更負(fù)的金屬和合金制成犧牲性的陽極，從而使鋼結(jié)構(gòu)本身免遭腐蝕。研究表明，陰極保護(hù)技術(shù)是海工環(huán)境下行之有效的防腐蝕措施，經(jīng)采取該措施后的鋼結(jié)構(gòu)腐蝕速度可大大減少，僅為未保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的5%～10%，且犧牲陽極的方法具有施工簡便、工期短、不需專人維護(hù)管理等優(yōu)點(diǎn)[18]，對于更換難度大的支座來說，是很合適的一種防護(hù)措施。

3.3 新型球型鋼支座的抗腐蝕設(shè)計(jì)與應(yīng)用

除了前述的抗腐蝕保護(hù)措施，也可以針對支座所在的工程環(huán)境，對球形鋼支座結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以改善抗腐蝕性能，現(xiàn)今國內(nèi)外的學(xué)者已經(jīng)針對球型鋼支座的耐腐蝕性研發(fā)了各種形式的新型球型鋼支座。

胡選儒等在2004 年研制了“HFQZ 防海洋大氣腐蝕球型支座”[19]，采用“耐腐材料+金屬噴涂+重防腐涂裝體系”的防腐技術(shù)，用預(yù)壓緊隨動式密封裝置和球冠包覆不銹鋼板的方法來保證支座在海洋大氣強(qiáng)腐蝕環(huán)境下的正常使用壽命不小于50 a，采用內(nèi)置式調(diào)高和預(yù)埋套筒結(jié)構(gòu)，方便支座維護(hù)與更換，已經(jīng)應(yīng)用到了東海大橋和廈門環(huán)島路實(shí)際工程中。

金家康等在2011 年研發(fā)了“ZXQZ（JF）絕緣防腐球型鋼支座”[20]，其防腐體系由兩部分組成：內(nèi)防腐體系，支座鋼部件采用耐候鋼；外防腐體系，支座上座板和下座板等主要鋼部件外防腐涂層采用聚脲涂層，支座預(yù)埋鋼板外防腐涂層采用鋅鎳涂層防腐體系，螺栓孔內(nèi)涂抹防腐黃油。采用內(nèi)外結(jié)合的防腐體系，大大延長支座鋼部件防腐維護(hù)的周期,極大降低了支座鋼部件防腐維護(hù)的成本。支座預(yù)埋鋼板保護(hù)涂裝采用鋅鎳涂層防腐體系，鋅鎳涂層防腐體系耐侯性優(yōu)異，防腐性能穩(wěn)定可靠。

王禎等在2017 年研發(fā)了“耐候鋼球型鋼支座”[21]，有效提高鋼支座的耐腐蝕性能，延長使用壽命，節(jié)省大量的維護(hù)成本，平面滑板和球面滑板能夠增加各部件的耐磨性、自潤滑性、抗沖擊性，連接件能夠有效的提高定位以及裝配的效率，降低維護(hù)等后期操作的難度。

瑞士的Hermann Weiher 和Simon Hoffmann 將超高性能混凝土（UHPC）和超高性能纖維增強(qiáng)混凝土（UHPFRC）應(yīng)用到球型鋼支座中，見圖3，他們用上述兩種材料代替了部分鋼材，制成凹型構(gòu)件，具有制造簡單，可塑性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其耐久性[22-23]，同時(shí)因?yàn)槭褂昧顺咝阅芑炷?，保障了其耐腐蝕性能。

圖3 用UHP C 制作的球型支座

球型鋼支座的耐久性也與抗腐蝕性息息相關(guān)，假如可以提高其耐久性，對抗腐蝕性能，尤其是前面所述的縫隙腐蝕防護(hù)將起到重要的作用。目前球型鋼支座耐久性的決定性因素是滑板材料。聚四氟乙烯是在我國球型鋼支座中應(yīng)用最早、用量最多的材料，近年新興的支座采用改性超高分子量聚乙烯的球型鋼支座，該種材料的容許設(shè)計(jì)應(yīng)力高，為聚四氟乙烯的1.5 倍，其次，該種材料的耐磨耗性能優(yōu)異，其拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長率均滿足技術(shù)要求，且磨耗率和摩擦系數(shù)均較低，性能保持穩(wěn)定[24]。因此，該種材料可以滿足不同溫度環(huán)境內(nèi)的使用要求，以提升球型鋼支座的整體耐久性，從而降低球型鋼支座的結(jié)構(gòu)缺陷，減少腐蝕的潛在威脅。

4 結(jié)論與展望

球型鋼支座的應(yīng)用越來越廣泛，在橋梁工程建設(shè)環(huán)境紛繁復(fù)雜的背景下，對球型鋼支座的抗腐蝕性能提出了更高的挑戰(zhàn)。高效且經(jīng)濟(jì)地做好球型鋼支座的防腐保護(hù)，對我國嚴(yán)寒、高濕度、高海拔、海工等環(huán)境下的橋梁工程建設(shè)具有重大的意義。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者針對球型鋼支座的抗腐蝕保護(hù)手段開展了諸多學(xué)術(shù)研究和項(xiàng)目研發(fā)。

將來可以引進(jìn)更多的新材料、新工藝、新設(shè)計(jì)到球型鋼支座中，同時(shí)可以通過定性、定量分析與科學(xué)試驗(yàn)手段結(jié)合的方式，深入研究新型球型鋼支座的抗腐蝕試性能，以更成熟地將支座創(chuàng)新技術(shù)引入到橋梁工程中去。