杭京， 楊利斌， 沈建華， 彭衛(wèi)兵*

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

預(yù)防性養(yǎng)護(hù)是指在橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度損傷之前，或微小病害累積過程中采取的養(yǎng)護(hù)措施，其目的是防止微小病害累積達(dá)到橋梁結(jié)構(gòu)破壞閾值，提高橋梁使用耐久性、延長橋梁使用壽命。

早在20世紀(jì)末，AASHTO(美國公路及運(yùn)輸協(xié)會)[1]首次提出Preventive Maintenance(預(yù)防性養(yǎng)護(hù))在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的重要意義；隨后FHWA(美國聯(lián)邦公路局)[2-3]在前者提出的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)重要性基礎(chǔ)上，將其概括為：預(yù)防性養(yǎng)護(hù)是延長交通基礎(chǔ)設(shè)施使用壽命的一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。同時首次將已有的部分橋梁養(yǎng)護(hù)措施正式納入預(yù)防性養(yǎng)護(hù)體系當(dāng)中。在2011年，F(xiàn)HWA正式制定《橋梁養(yǎng)護(hù)指南》，對橋梁的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)給出明文條例：橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)是現(xiàn)有橋梁工程的一項(xiàng)有計劃性、且具有高經(jīng)濟(jì)效益的管養(yǎng)維護(hù)措施。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)可以有效延緩結(jié)構(gòu)損傷，延長橋梁使用壽命，維護(hù)或改善橋梁初始功能，但并沒有顯著提高結(jié)構(gòu)承載能力[4]。之后各國紛紛將預(yù)防性養(yǎng)護(hù)納入交通基礎(chǔ)設(shè)施管養(yǎng)條例當(dāng)中，在管理養(yǎng)護(hù)中都取得了顯著性的變化[5]。2018年，中國交通運(yùn)輸管理部也首次將預(yù)防性養(yǎng)護(hù)條文納入《公路養(yǎng)護(hù)工程管理辦法》。但是中國目前針對公路提出預(yù)防性養(yǎng)護(hù)條文，對于橋梁結(jié)構(gòu)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)內(nèi)容缺失或不完善[6]。一項(xiàng)研究表明，管養(yǎng)單位在預(yù)防性養(yǎng)護(hù)投入與周期性養(yǎng)護(hù)改建費(fèi)用相比大大降低[7]。綜上所述，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)是建立于結(jié)構(gòu)性能退化模型、周期性養(yǎng)護(hù)措施和成本效益之上的一種決策方法，重點(diǎn)是在合理的養(yǎng)護(hù)時機(jī)，確定預(yù)防性養(yǎng)護(hù)內(nèi)容、提出養(yǎng)護(hù)(維修)對策和給予養(yǎng)護(hù)效果后評估。

鋼結(jié)構(gòu)橋梁憑借其獨(dú)特優(yōu)勢快速發(fā)展，建橋技術(shù)愈加成熟，鋼結(jié)構(gòu)橋梁數(shù)量與日俱增。參考國內(nèi)外高齡鋼橋病害發(fā)展，新一批鋼橋采取預(yù)防性養(yǎng)護(hù)是大勢所趨。結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)橋梁特點(diǎn)，目前預(yù)防性養(yǎng)護(hù)內(nèi)容主要集中在涂層劣化、鋼材銹蝕、螺栓銹蝕脫落以及支座養(yǎng)護(hù)等[8]。該文結(jié)合某鋼桁架橋病害實(shí)例，提出存在病害的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，給同類鋼結(jié)構(gòu)橋梁養(yǎng)護(hù)提供一定參考。

1 工程概況

某鋼桁架橋(圖1)為三跨少平聯(lián)半穿式鋼桁架連續(xù)梁橋，是長興境內(nèi)第一座鋼橋，該類型的城市橋梁在中國也少見。橋梁采用(62+100+62) m三跨下承式連續(xù)鋼桁架結(jié)構(gòu)，設(shè)計車速為40 km/h，設(shè)計汽車荷載為城-A級，人群荷載為3.5 kN/m2。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)。橋梁主體結(jié)構(gòu)采用Q345qD鋼，輔助結(jié)構(gòu)采用Q235B。節(jié)點(diǎn)采用高強(qiáng)度螺栓連接副連接。鋼結(jié)構(gòu)外表面涂裝采用鐵路第7涂裝體系。結(jié)構(gòu)圖見圖2、3。

圖1 鋼桁架橋上部結(jié)構(gòu)

圖2 鋼桁架橋立面圖(單位：m)

圖3 鋼桁架橋剖面圖(單位：mm)

2 典型病害分析

由于該橋病害數(shù)量群巨大，該文選取不同類別病害特征進(jìn)行典型病害分析。

2.1 涂層劣化

(1) 涂層開裂、剝落。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。

涂層開裂、剝落產(chǎn)生原因多為噴涂操作不規(guī)范，施工人員噴涂過程中，噴槍距離過近或移速過慢，引起涂層表面局部過熱或涂層厚度不均勻，冷卻后產(chǎn)生裂縫。而涂層劣化是造成鋼構(gòu)件內(nèi)部銹蝕的直接原因。

(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。主要原因由于涂層里的樹脂或顏料受到污染、高溫干燥氣候、紫外線的直射、或者光化學(xué)反應(yīng)等導(dǎo)致涂層變色[9]。

(3) 清潔度差。部分構(gòu)件表面積累油污、灰塵，清潔度較差。案例橋下平聯(lián)部分由于在工程建設(shè)期間遺留建筑材料，在橋梁竣工之后未及時清理，造成大量建設(shè)施工垃圾積留，清潔程度較差。其次腹桿下端也存在大量油漬、污垢，其原因是由于在螺栓安裝過程中，對螺栓連接處上潤滑油后未及時清理油污，安裝完成后油漬下滲，并且油污在水流的帶動下不斷向下延伸。橫向支撐積累大量水漬，因?yàn)楣ぷ咒撔纬煞忾]凹槽累積雨水，待水分蒸發(fā)完全后留下灰塵、污垢。

2.2 鋼材銹蝕

鋼桁架橋梁鋼材銹蝕的主要原因是表面涂裝破壞，所處環(huán)境相對濕度較大，水氣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。銹蝕使橋梁構(gòu)件表面產(chǎn)生缺陷，情況嚴(yán)重會造成截面削弱，引起構(gòu)件斷裂致使使用壽命降低。鋼材銹蝕嚴(yán)重影響鋼桁架橋的耐久性，增加橋梁維護(hù)成本，并威脅桁架結(jié)構(gòu)安全[9]。

全橋主桁桿、腹桿、桁架橫撐等構(gòu)件均有不同程度的銹蝕痕跡，銹跡面積大小不等。構(gòu)件表面形成銹蝕斑點(diǎn)、條狀銹蝕、塊狀銹蝕(群)等，邊緣處銹跡連續(xù)形成帶狀。

2.3 螺栓銹蝕、脫落

(1) 螺栓銹蝕。與鋼梁鋼材銹蝕相似，螺栓表面漆膜劣化，內(nèi)部銹蝕。大橋部分螺栓節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕，其余螺栓節(jié)點(diǎn)僅表面產(chǎn)生輕度銹蝕。典型病害見圖4、5，圖中節(jié)點(diǎn)螺栓銹蝕情況嚴(yán)重，其中嚴(yán)重銹蝕47副，中度銹蝕104副，其余輕微銹蝕；無螺栓副缺失。

圖4 節(jié)點(diǎn)螺栓銹蝕程度較輕

圖5 節(jié)點(diǎn)螺栓銹蝕程度嚴(yán)重

(2) 螺栓脫落。螺栓脫落的兩個原因：① 螺栓本身的質(zhì)量問題。② 使用階段的客觀條件造成螺栓斷裂。螺栓自身問題：在復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境下煉造高強(qiáng)螺栓澆筑鋼液混入碎塊雜質(zhì)，導(dǎo)致高強(qiáng)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的問題，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(qiáng)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(yùn)營后，鋼桁架橋梁在行車循環(huán)荷載作用下，運(yùn)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(qiáng)度，出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。節(jié)點(diǎn)螺栓無論以哪種方式破壞脫落都會影響橋梁的整體安全性能[9]。典型病害見圖6、7。

圖6 腹桿連接節(jié)點(diǎn)螺栓脫落

3 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)要點(diǎn)

前期通過無人機(jī)拍攝采集鋼桁架橋多類型病害，該類病害發(fā)展多為初期，采取預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施防止病害繼續(xù)發(fā)展，延長鋼橋使用壽命，減少后期大型養(yǎng)護(hù)成本。

圖7 主桁底部鋼梁連接節(jié)點(diǎn)螺栓脫落、斷裂

3.1 防腐涂裝的檢查與養(yǎng)護(hù)

鋼結(jié)構(gòu)的防腐涂裝目的在于阻止、延緩內(nèi)部鋼材銹蝕破壞。漆膜劣化等同于結(jié)構(gòu)破壞當(dāng)中的“延性破壞”，破壞影響程度較低，可預(yù)防病害發(fā)生，且養(yǎng)護(hù)成本低；鋼材銹蝕劣化等同于“脆性破壞”，破壞影響嚴(yán)重，維修更換成本增加。故在鋼桁架橋運(yùn)營使用階段，需要保證防腐涂裝完整，若存在涂裝劣化現(xiàn)象，對劣化部位重新涂裝，防止內(nèi)部鋼材銹蝕破壞。

鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝的檢查維修主要包括：病害定位→清理劣化部位→原涂裝體系。

首先定位鋼橋構(gòu)件表面出現(xiàn)疑似涂層漆膜劣化失效位置，采用直接觸摸法或滲透法判斷漆膜是否失效，最后對構(gòu)件漆膜失效部位重新涂裝。構(gòu)件重新涂裝前，應(yīng)首先對其表面進(jìn)行清理整平，去除構(gòu)件表面灰塵、油污、劣化涂層以及鐵銹等雜質(zhì)，目的在于增強(qiáng)新涂漆膜的附著力，提高油漆質(zhì)量。任何氧化皮或鐵銹的余痕將促使鋼構(gòu)件繼續(xù)生銹。鋼構(gòu)件上使用的油漆要求防銹性能和耐候性能良好，同時保證對構(gòu)件原涂裝無影響，須采用原涂裝體系。同時未經(jīng)養(yǎng)護(hù)部門批準(zhǔn)，嚴(yán)禁在橋梁鋼結(jié)構(gòu)上進(jìn)行任何形式的其他構(gòu)件焊接，確保橋梁防腐體系完整。

3.2 高強(qiáng)螺栓的檢查與養(yǎng)護(hù)

焊縫連接和高強(qiáng)螺栓連接是鋼桁架橋兩種主要連接方式，該橋使用了近14 000副高強(qiáng)度螺栓連接副，因此，在橋梁后期運(yùn)營過程中高強(qiáng)螺栓的使用質(zhì)量情況對橋梁的正常運(yùn)營和安全起著至關(guān)重要的作用。因此需要定期檢查在運(yùn)營使用階段有無剪斷或松動現(xiàn)象，其重點(diǎn)檢查部位是受交變荷載和動力荷載作用處，同時還要兼顧發(fā)現(xiàn)設(shè)計和施工遺留下來的缺陷。

高強(qiáng)螺栓的檢查，一般采用目測、手錘敲擊、扳手試扳等方法來進(jìn)行。主要檢查螺栓是否有松動，螺栓桿有無斷裂。對于承受交變荷載和動力荷載的螺栓，應(yīng)定期卸開螺母，通過目測或探傷儀等方法檢查螺栓桿上是否有微裂紋。

該橋連接螺栓多出現(xiàn)銹蝕病害，處理方法與鋼材銹蝕方法類同，清理銹跡重新涂裝，防止產(chǎn)生二次銹蝕。對于松動螺母，在檢查時按原始設(shè)計力矩要求重新擰緊。此外，螺栓脫落缺失、松動螺母出現(xiàn)螺紋損傷，示功扳手不能擰至規(guī)定力矩、螺桿產(chǎn)生裂紋等必須重新更換全新配套螺栓副同時擰至規(guī)定力矩。

3.3 桿件彎曲及損傷的檢查與養(yǎng)護(hù)

案例橋上部結(jié)構(gòu)為全鋼結(jié)構(gòu)，鋼構(gòu)件性能的優(yōu)越對整橋的質(zhì)量尤為關(guān)鍵。橋梁鋼構(gòu)件在運(yùn)營階段產(chǎn)生大變形，則表明結(jié)構(gòu)承載能力或穩(wěn)定性不能滿足使用需求。應(yīng)及時加固養(yǎng)護(hù)，防止結(jié)構(gòu)突然失效造成嚴(yán)重破壞。

若桿件產(chǎn)生微小彎曲、扭轉(zhuǎn)，則可通過外加荷載矯正，應(yīng)注意如桿件同時存在彎曲和扭轉(zhuǎn)情況，首先進(jìn)行彎曲矯正，其次進(jìn)行扭轉(zhuǎn)矯正。若桿件屈曲程度超過穩(wěn)定性要求，則需要進(jìn)行加固處理或更換桿件。如需拆卸桿件更換修理時，建議增大桿件截面尺寸，保證結(jié)構(gòu)受力均衡，同時做好定期檢測。部分桿件出現(xiàn)長期運(yùn)營使用后產(chǎn)生裂紋或損傷，為防止其繼續(xù)發(fā)展削弱桿件承載力，也應(yīng)及時對破損部位進(jìn)行加固或更換桿件處理。

3.4 焊縫的檢查和處理

鋼桁架連接除螺栓錨固之外，其余部分皆采用焊縫連接，所以鋼桁架焊縫檢測工作應(yīng)當(dāng)從生產(chǎn)出廠開始，嚴(yán)格檢測焊縫質(zhì)量，防止焊縫裂紋發(fā)展。在運(yùn)營使用階段也應(yīng)注意焊縫及其附近母材的檢查[12]，通過人工排查或探傷儀等方式檢測焊縫質(zhì)量。對嚴(yán)重部位需要采取及時補(bǔ)救措施；裂縫發(fā)展部位需要觀測、監(jiān)視，做好詳細(xì)記錄(位置、數(shù)量、大小及性質(zhì))，直至達(dá)到維修要求，采取養(yǎng)護(hù)措施。焊縫處理主要包括：

(1) 在出廠使用之前發(fā)現(xiàn)焊縫有未焊透、夾渣、氣孔等缺陷時，應(yīng)重焊；對于焊瘤處應(yīng)徹底鏟除重焊；對于焊縫有咬肉、弧坑時應(yīng)補(bǔ)焊。

(2) 在運(yùn)營使用階段焊縫出現(xiàn)開裂，通常采用在裂紋兩端鉆止裂孔或鏟除裂紋的焊縫金屬，進(jìn)行補(bǔ)焊。如裂縫較大，需鏟除后重焊，并做好定期監(jiān)測。

預(yù)防措施：對于冷裂紋，應(yīng)選擇抗裂性好的鋼材，采用低氫或超低氫、低強(qiáng)的焊條，并控制預(yù)熱溫度、線能量，以降低冷裂紋產(chǎn)生傾向；對于熱裂紋，應(yīng)選擇含鎳量高的鋼材，采用精煉的方法，提高鋼材的純度，降低雜質(zhì)的含量，并控制焊縫的凹度小于1 mm，降低線能量，以降低熱裂紋產(chǎn)生傾向。

3.5 其他構(gòu)件的養(yǎng)護(hù)與維修

3.5.1 橋面鋪裝

(1) 橋面應(yīng)當(dāng)定期清掃整理，排除橋面積水，清除遺留雜物以及泥土、石子、積雪等，保持橋面平整、清潔[13]。嚴(yán)禁柴油、汽油污染瀝青混合料橋面，如有污染及時用洗衣粉和飲用水沖洗干凈。

(2) 瀝青混合料(SMA)面層出現(xiàn)泛油、擁包、裂縫、波浪、坑槽、車轍等病害時應(yīng)及時處治[14]。

3.5.2 伸縮裝置

在沒有超載作用下，伸縮裝置設(shè)計使用壽命一般為10～15年。伸縮縫維修養(yǎng)護(hù)之前，應(yīng)明確其破壞原因，對癥下藥。伸縮縫的主要破壞形式有：角鋼脫落、兩側(cè)混凝土破碎、橡膠帶老化斷裂、錨栓脫落等。

伸縮縫定期養(yǎng)護(hù)工作包含：清理縫內(nèi)積留碎石、混凝土骨料等雜物；定期檢查更換老化、損壞的橡膠帶；檢查錨固螺栓是否松動脫落，防止伸縮縫變形導(dǎo)致跳車現(xiàn)象；對兩側(cè)破碎混凝土重新采用高強(qiáng)度混凝土澆筑，防止二次損壞。如出現(xiàn)跳車明顯，混凝土完全斷裂等造成伸縮縫使用壽命終結(jié)，需重新更換伸縮縫裝置且按原設(shè)計要求選型，以滿足橋跨結(jié)構(gòu)變形位移需求。同時維修或更換伸縮縫時，應(yīng)采取相應(yīng)措施維持交通安全。

3.5.3 支座養(yǎng)護(hù)

橋梁支座作為傳遞反力的主要構(gòu)件，容易產(chǎn)生各類病害。一般橋梁支座的設(shè)計使用壽命為15～20年，在橋梁服役期間，應(yīng)對支座進(jìn)行周期性檢查，防止支座破壞造成橋梁結(jié)構(gòu)整體功能失效。橋梁支座的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)內(nèi)容如下：

(1) 通過定檢及時清理支座墊石周圍積留雜物，特別在低溫天氣情況下清理積雪和冰塊，保證支座功能正常。

(2) 橋梁支座各部分應(yīng)形成周期性檢查維護(hù)：通過人工檢查或探傷設(shè)備，重點(diǎn)檢查支座有無裂縫、橡膠老化、鋼板銹蝕等現(xiàn)象。

(3) 通過在支座附近安裝位移監(jiān)測傳感設(shè)備，實(shí)時監(jiān)測各支座位移量，檢查相對位移是否均勻。

(4) 當(dāng)支座功能降低或失效，應(yīng)分析其原因，及時維修更換。

4 結(jié)論與展望

該文通過無人機(jī)拍攝方式，采集長興某鋼桁架橋存在的典型病害，分析產(chǎn)生原因并提出預(yù)防性養(yǎng)護(hù)意見，得出以下結(jié)論：

(1) 案例橋由于建橋時間較短，病害主要有鋼結(jié)構(gòu)表面涂層劣化、鋼材暴露銹蝕以及螺栓連接銹蝕、缺失等。

(2) 對于表面涂層開裂，內(nèi)部鋼材產(chǎn)生嚴(yán)重銹蝕部位，清理構(gòu)件表面灰塵、油污、劣化涂層以及銹蝕痕跡，嚴(yán)格采用原涂裝體系，確保防腐體系完整連續(xù)；對于涂層清潔程度差、變色部位，注意定時清理檢查，必要時重新涂裝，預(yù)防其發(fā)展開裂。

(3) 針對銹蝕嚴(yán)重、產(chǎn)生裂紋和已經(jīng)斷裂的螺栓，應(yīng)查明劣化原因，作詳細(xì)記錄并及時更換，并做好防腐涂裝，防止產(chǎn)生二次銹蝕。對于松動的螺栓應(yīng)按設(shè)計要求擰至規(guī)定力矩。

(4) 案例橋現(xiàn)階段未出現(xiàn)焊縫開裂、構(gòu)件彎曲、支座劣化等病害，為確保運(yùn)營使用安全，秉持“預(yù)防為主”原則，仍然需要定期檢查主結(jié)構(gòu)連接、構(gòu)件的安全情況，根據(jù)未來可能出現(xiàn)的病害提出預(yù)防性養(yǎng)護(hù)及解決措施。