【摘要】橋梁作為承載車輛和行人交通的重要通道，其結(jié)構(gòu)必須能夠承受長(zhǎng)時(shí)間使用和外界環(huán)境影響。而耐久性將直接影響到橋梁的使用壽命和安全性。因此，在設(shè)計(jì)階段需要考慮到橋梁的耐久性問題，選擇高強(qiáng)度、耐久性良好的材料，并合理設(shè)計(jì)橋梁的結(jié)構(gòu)，以確保其在長(zhǎng)期使用中能夠保持優(yōu)越的性能。文中針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)中的耐久性與腐蝕防護(hù)措施進(jìn)行了詳細(xì)分析。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；橋梁設(shè)計(jì)；耐久性；腐蝕防護(hù)

【中圖分類號(hào)】U442.5" " " "【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A" " " "【文章編號(hào)】1673-6028（2024）03-0086-03

0 引言

橋梁的耐久性和腐蝕防護(hù)對(duì)于橋梁的使用時(shí)間、安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重要影響，尤其是在有鹽霧、酸雨、高濕度等腐蝕環(huán)境的地區(qū)，腐蝕防護(hù)的重要性更加突出。修復(fù)腐蝕的橋梁通常需要花費(fèi)大量的人力和財(cái)力，因此，從經(jīng)濟(jì)的角度來看，預(yù)防腐蝕比修復(fù)腐蝕更為重要。有效的防腐措施能夠顯著提高橋梁的耐久性，減少維修成本，降低公共安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁耐久性設(shè)計(jì)的重要性

橋梁的耐久性是其設(shè)計(jì)過程中的核心部分，對(duì)于橋梁的使用壽命、安全性和經(jīng)濟(jì)性都起著至關(guān)重要的作用。在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中，由于鋼材具有優(yōu)良的機(jī)械性能和經(jīng)濟(jì)性，因此得到了廣泛應(yīng)用。然而，鋼材容易受到腐蝕的影響，這就需要設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)和建造過程中采取適當(dāng)?shù)姆栏胧?，以確保橋梁的耐久性。鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)過程需要考慮多種因素，包括橋梁的使用環(huán)境、荷載特性、結(jié)構(gòu)形式等。首先，需要對(duì)橋梁所處的環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查和評(píng)估。如果橋梁位于海岸地區(qū)或者高濕度地區(qū)，那么鋼材容易受到海洋鹽霧或者潮濕空氣的腐蝕。相應(yīng)地，需要選擇抗腐蝕性能良好的鋼材，或者采取防腐措施，如防腐涂層或防腐包覆。其次，需要對(duì)橋梁的荷載特性進(jìn)行準(zhǔn)確分析和計(jì)算。在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮來自車輛、行人、自然災(zāi)害等多種荷載對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響，以確保橋梁在長(zhǎng)期使用過程中不會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞或者變形過大的情況，同時(shí)還需要考慮橋梁的維護(hù)和檢修。最后，橋梁的結(jié)構(gòu)形式也會(huì)對(duì)其耐久性產(chǎn)生影響。不同的結(jié)構(gòu)形式對(duì)于荷載的分布、應(yīng)力的傳遞等方面有著不同的影響。在設(shè)計(jì)過程中，需要選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，以確保橋梁的安全性和耐久性[1]。

2 鋼結(jié)構(gòu)橋梁腐蝕成因及其影響

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)橋梁來說，最常見的腐蝕形式是大氣腐蝕和水腐蝕。大氣腐蝕是指橋梁在大氣環(huán)境中與氧氣和濕度等因素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋼材表面產(chǎn)生氧化物層，從而引發(fā)腐蝕。水腐蝕則是指橋梁在水環(huán)境中與水分子發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氧化反應(yīng)，使鋼材表面發(fā)生腐蝕。這些腐蝕過程會(huì)導(dǎo)致鋼材的強(qiáng)度下降，甚至可能引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)的失效。

在大氣環(huán)境中，氧氣和濕度是主要的腐蝕因素。當(dāng)鋼材暴露在濕潤(rùn)的空氣中時(shí)，表面的鐵會(huì)與氧氣結(jié)合形成氧化鐵。這種氧化鐵一般呈現(xiàn)為紅褐色的鐵銹。鐵銹的形成會(huì)導(dǎo)致鋼材表面的鐵逐漸被腐蝕掉，使得鋼材的強(qiáng)度和耐久性下降。同時(shí)，鐵銹的體積較大，會(huì)引發(fā)鋼材表面的起伏和剝落，進(jìn)一步加速腐蝕過程。此外，大氣中的酸雨、工業(yè)廢氣等污染物也會(huì)加劇鋼結(jié)構(gòu)橋梁的大氣腐蝕。水腐蝕是指橋梁在水環(huán)境中發(fā)生的腐蝕過程。水腐蝕分為海洋腐蝕和淡水腐蝕兩種形式。海洋腐蝕是指橋梁暴露在海洋環(huán)境中，海水中的鹽分和濕度導(dǎo)致鋼材表面產(chǎn)生氧化反應(yīng)，引起腐蝕。海水中的氯離子尤其具有強(qiáng)烈的腐蝕性，會(huì)迅速侵蝕鋼材表面，導(dǎo)致鋼材的腐蝕速度加快。淡水腐蝕則是指橋梁暴露在淡水環(huán)境中，水中的溶解氧和其他物質(zhì)引發(fā)鋼材的腐蝕[2]。

3 加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)橋梁耐久性與腐蝕防護(hù)的措施

3.1 材料選擇

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)中，選擇抗腐蝕性能優(yōu)良的材料是確保橋梁長(zhǎng)期使用的關(guān)鍵，常用的抗腐蝕鋼材包括不銹鋼和鍍鋅鋼。

不銹鋼是一種具有高度耐腐蝕性的鋼材，它主要由鐵、鉻、鎳等元素組成，具有良好的抗氧化和抗腐蝕性能。其原理主要來自其表面形成的一層致密的氧化鉻膜，這一氧化鉻膜能夠阻隔氧氣和水分的進(jìn)入，從而保護(hù)鋼材不受腐蝕。

鍍鋅鋼是一種將鋼材表面鍍上鋅層的鋼材。鍍鋅過程是將鋼材浸入熔化的鋅液中，使其表面形成一層鋅層，這一鋅層能夠形成一道防護(hù)層，有效地防止鋼材腐蝕。鍍鋅層的形成是通過鋅與鋼材表面的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。鋅層具有良好的耐腐蝕性能，能夠在大氣和水環(huán)境中保護(hù)鋼材不受腐蝕的侵害。

3.2 防腐涂層

防腐涂層可以隔離鋼材與外界環(huán)境的接觸，減緩腐蝕的發(fā)生，從而延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)中，選擇適合的防腐涂層需要考慮多個(gè)因素。首先，需要根據(jù)橋梁所處的環(huán)境條件選擇合適的涂層。不同的環(huán)境條件會(huì)對(duì)橋梁的腐蝕造成不同的影響，因此需要選擇具有相應(yīng)耐腐蝕性能的涂層。其次，還需要考慮涂層的耐久性和維護(hù)要求。涂層耐久性決定了其在使用過程中能夠保持的時(shí)間長(zhǎng)度，而維護(hù)要求則決定了涂層的維護(hù)成本和周期。此外，還需要考慮涂層施工工藝和成本等因素，根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)壽命和使用條件，確定涂層的厚度和涂覆方式等參數(shù)。

除了選擇合適的防腐涂層之外，還需要注意涂層的質(zhì)量控制和施工過程中的注意事項(xiàng)。在涂層施工過程中，應(yīng)確保涂層的均勻性和完整性，避免出現(xiàn)涂層厚度不均勻、氣泡、空洞等問題。對(duì)于已經(jīng)存在腐蝕的鋼材，需要進(jìn)行預(yù)處理，以確保涂層能夠附著在鋼材表面。通常的預(yù)處理方法包括除銹、砂光和噴砂等。除銹是指將鋼材表面的氧化物、鐵銹等物質(zhì)清除，以保證涂層與鋼材表面之間的良好粘附。砂光和噴砂則是通過機(jī)械方法將鋼材表面粗糙度提高，以增加涂層與鋼材表面之間的附著力。

最后，涂層的維護(hù)也是很重要的。即使選擇了耐腐蝕性能優(yōu)良的涂層，也需要定期檢查和維護(hù)，以確保涂層的完整性和性能。定期檢查可以發(fā)現(xiàn)涂層的破損、剝落等問題，及時(shí)采取修復(fù)措施，防止腐蝕的進(jìn)一步發(fā)展。維護(hù)措施可能包括重新涂覆涂層、修復(fù)損壞的涂層等[3]。

3.3 采用陰極保護(hù)

鋼結(jié)構(gòu)橋梁的壽命延長(zhǎng)可以通過陰極保護(hù)的方法來實(shí)現(xiàn)。陰極保護(hù)是一種電化學(xué)防腐方法，它通過在鋼材表面形成一個(gè)保護(hù)電流，使得鋼材成為電路中的陰極，從而阻止腐蝕的發(fā)生。為了實(shí)施陰極保護(hù)，首先需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行徹底的腐蝕評(píng)估，并確定腐蝕程度和腐蝕速率。這可以通過使用腐蝕傳感器和其他相關(guān)的檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來實(shí)現(xiàn)。接下來，需要在橋梁表面安裝陰極保護(hù)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)通常包括一個(gè)或多個(gè)陰極，以及用于提供保護(hù)電流的直流電源。陰極通常是由鐵、鋁、鎂等有較高電位的金屬制成，以便在電路中充當(dāng)陰極。為了確保陰極保護(hù)系統(tǒng)的有效運(yùn)行，需要進(jìn)行定期的檢查和維護(hù)工作，這包括檢查陰極和電源的狀態(tài)，確保其正常工作。如果有任何故障或損壞，應(yīng)及時(shí)修復(fù)或更換。最后，還可以采取其他措施來增強(qiáng)陰極保護(hù)的效果。例如，可以使用防腐涂層來保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的表面，以防止腐蝕的發(fā)生。還可以采用周期性電流重置的方法，以進(jìn)一步增強(qiáng)陰極保護(hù)效果[4]。此外，陰極保護(hù)過程中需要注意一些關(guān)鍵問題，比如陰極保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)該與橋梁的其他電氣設(shè)備和結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，確保安全和可靠性，以及陰極保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以確保其能夠提供足夠的保護(hù)效果。

3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少腐蝕敏感區(qū)

在設(shè)計(jì)階段，必須充分地考慮到結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境和腐蝕特性，盡可能地避免設(shè)計(jì)出易腐蝕區(qū)域。這一點(diǎn)既關(guān)乎橋梁的整體耐久性，又直接影響到后期維護(hù)成本和使用安全。首先，要避免設(shè)計(jì)出死角、裂縫和其他積水、積塵的地方。這些地方容易吸附和積累腐蝕介質(zhì)，從而引起腐蝕。例如，在橋梁的連接處，應(yīng)該避免過度的拼接和過于復(fù)雜的設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@些地方是腐蝕的重災(zāi)區(qū)，更好的選擇是采用大跨度單片設(shè)計(jì)，減少接頭和焊縫的數(shù)量，從而減少腐蝕的可能性。同時(shí)，還應(yīng)該避免設(shè)計(jì)出容易積水的地方，如低洼處或是凹陷的地方，應(yīng)設(shè)計(jì)成易于排水的形狀，這樣可以減少積水對(duì)鋼材的長(zhǎng)期侵蝕。其次，還應(yīng)該盡可能選擇簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式和連續(xù)的結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式不僅便于施工和檢修，而且也能減少腐蝕的隱患。簡(jiǎn)單連續(xù)的結(jié)構(gòu)不僅可以提高橋梁的整體強(qiáng)度，還可以減少接頭和焊縫的數(shù)量。此外，在設(shè)計(jì)中還應(yīng)充分考慮橋梁所處的使用環(huán)境和腐蝕特性。不同的環(huán)境和腐蝕介質(zhì)會(huì)對(duì)橋梁產(chǎn)生不同的腐蝕影響，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的材料和防腐措施，進(jìn)一步減少防腐敏感區(qū)的出現(xiàn)，以提高橋梁的耐腐蝕性能。

3.5 定期檢測(cè)與維護(hù)

鋼結(jié)構(gòu)橋梁在使用過程中，會(huì)受到環(huán)境因素和負(fù)載的影響，從而產(chǎn)生腐蝕、疲勞、裂縫等問題。通過定期檢測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些問題，并采取相應(yīng)的維護(hù)措施，以延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。

定期檢測(cè)主要包括外觀檢查、物理性能測(cè)試和無損檢測(cè)。外觀檢查是通過目視觀察橋梁表面的情況，尋找可能存在的腐蝕、裂縫、漏洞等問題。物理性能測(cè)試是對(duì)橋梁的材料性能進(jìn)行測(cè)試，包括強(qiáng)度、硬度、韌性等。無損檢測(cè)是通過利用超聲波、射線、磁粉等技術(shù)，對(duì)橋梁內(nèi)部的缺陷進(jìn)行探測(cè)，如裂縫、腐蝕等。定期檢測(cè)的頻率可以根據(jù)橋梁的使用狀況和環(huán)境條件來確定。通常，新建的橋梁在前幾年內(nèi)需要進(jìn)行更頻繁的檢測(cè)，以監(jiān)測(cè)其性能和防護(hù)層的狀況，之后，可以根據(jù)橋梁的使用情況和環(huán)境條件，逐漸減少檢測(cè)頻率。一般建議每年進(jìn)行一次全面的檢測(cè)，以及每隔一段時(shí)間進(jìn)行局部區(qū)域的檢測(cè)。

維護(hù)措施包括修復(fù)已受損的防護(hù)層、重新涂覆防腐涂層、更換腐蝕嚴(yán)重的部件等。當(dāng)發(fā)現(xiàn)橋梁上存在腐蝕、疲勞、裂縫等問題時(shí)，需要及時(shí)采取維護(hù)措施，防止問題進(jìn)一步惡化。修復(fù)已受損的防護(hù)層可以使用補(bǔ)漆、噴涂聚合物等方法，恢復(fù)其防腐性能。重新涂覆防腐涂層可以采用噴涂、涂刷等方式，為鋼結(jié)構(gòu)提供新的防腐保護(hù)層。更換腐蝕嚴(yán)重的部件可以使用新的鋼材進(jìn)行替換，以恢復(fù)橋梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在進(jìn)行維護(hù)時(shí)，需要嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，確保維修材料的質(zhì)量和施工的技術(shù)。維修材料的質(zhì)量直接影響維修效果，因此需要選擇符合標(biāo)準(zhǔn)要求的材料。施工的技術(shù)要求包括涂覆技術(shù)、焊接技術(shù)等，需要按照相關(guān)規(guī)范和要求進(jìn)行操作。此外，還可以進(jìn)行定期清潔和保養(yǎng)，及時(shí)清除橋梁上的雜草、污垢等，防止它們積聚并影響防護(hù)層的效果[5]。

3.6 荷載特性的準(zhǔn)確分析和計(jì)算

鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)中的耐久性還需要考慮荷載特性的準(zhǔn)確分析和計(jì)算。橋梁在使用過程中會(huì)承受來自車輛、行人、自然災(zāi)害等多種荷載，這些荷載會(huì)對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮荷載對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響，以確保橋梁在長(zhǎng)期使用過程中不會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞或變形過大的情況。設(shè)計(jì)師需要對(duì)橋梁使用情況進(jìn)行合理的荷載分析。不同類型的橋梁所承受的荷載是不同的，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行準(zhǔn)確分析。對(duì)于公路橋梁來說，需要考慮車輛荷載、行人荷載、風(fēng)荷載等。對(duì)于鐵路橋梁來說，還需要考慮列車的動(dòng)荷載。同時(shí)，還需要考慮一些特殊情況，如地震、洪水等自然災(zāi)害的荷載。在進(jìn)行荷載分析時(shí)，需要根據(jù)相關(guān)規(guī)范和要求，選擇合適的荷載模型和荷載組合。荷載模型包括靜態(tài)荷載模型和動(dòng)態(tài)荷載模型。靜態(tài)荷載模型是指固定荷載，如自重、行人荷載等。動(dòng)態(tài)荷載模型是指變化的荷載，如車輛荷載、風(fēng)荷載等。荷載組合是指將不同類型的荷載組合在一起進(jìn)行分析。通過合理的荷載分析和荷載組合，可以確定橋梁的設(shè)計(jì)荷載。在荷載分析的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算和驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)計(jì)算是指根據(jù)荷載和結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)，對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。通過計(jì)算，可以確定橋梁受力狀態(tài)，包括橋墩、橋梁梁體、支座等部位的應(yīng)力和變形情況。驗(yàn)算是指對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性檢查，確保橋梁在受到荷載時(shí)不會(huì)產(chǎn)生破壞或變形過大的情況。結(jié)構(gòu)計(jì)算和驗(yàn)算需要根據(jù)相關(guān)規(guī)范和要求進(jìn)行，以確保橋梁的結(jié)構(gòu)安全性和耐久性[6]。

4 結(jié)語

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)中的耐久性和腐蝕防護(hù)是一項(xiàng)重要任務(wù)，需要綜合考慮材料選擇、設(shè)計(jì)方案、施工工藝等多種因素，而且隨著新材料、新技術(shù)的發(fā)展，未來鋼結(jié)構(gòu)橋梁的耐久性和腐蝕防護(hù)將有更大的提高。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在設(shè)計(jì)和建造橋梁的過程中，始終把耐久性和腐蝕防護(hù)作為重要考慮因素，以此來確保橋梁的長(zhǎng)久使用，保障公共安全，同時(shí)也節(jié)約了公共資源。

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[作者簡(jiǎn)介]何童童（1995—），女，山東濟(jì)南人，本科，研究方向：道路與橋梁。