對鋼橋而言，如何針對橋樑所處環境特點，選擇經濟、有效的防腐措施，減緩鋼結構的金屬腐蝕，延長其使用壽命，對降低鋼橋全壽命周期成本，提高其競爭力有十分重要的意義。近20年來，我國東南沿海地區先後建成了多座鋼結構懸索橋、斜拉橋，對大跨度鋼結構防腐技術也有了進一步認識。
浙江公路水運工程諮詢公司與同濟大學於2017年到2019年陸續調研了13座國內大型鋼結構橋樑、日本東京灣及瀨戶內海6座國外大型鋼結構橋樑，跨度從百米至千米級別不等，橋型涵蓋了梁橋、斜拉橋和懸索橋。
本文意在梳理目前國內外大跨度鋼結構橋樑的耐久性現狀，對我國橋樑養護工作的現狀進行思考，從而對我國未來鋼結構橋樑的管理、養護方案提出一些建議。
防腐設計與耐久性現狀
鋼主梁
無論是何種橋型，鋼主梁或鋼加勁梁都是最重要的橋樑構件之一，其表面的塗裝防護，直接關係到結構的使用壽命和耐久性能。本次調研的中日橋樑的鋼主梁，主要分為鋼箱梁與鋼桁梁。
國內調研橋樑主要依據國內行業標準《JT/T722-2008公路橋樑鋼結構防腐塗裝技術條件》中規定的防腐體系進行防腐塗裝，外表面多選擇S09與S11體系，內表面多採用S12或S13體系。各體系具體構成見表1。
國內調研中，近20年建造的橋樑所採用的外表面防腐塗裝均表現較好，但某些早期建造橋樑，由於塗裝體系較落後，局部鏽蝕較嚴重，表現為風嘴處塗裝剝落、集中位置的較嚴重鏽蝕。鋼箱梁內部塗裝在使用過程中效果總體較好，但受除濕機影響較大，功率太小或密封性差導致濕度的提升會加劇鏽蝕現象。箱梁內部焊縫是普遍容易發生鏽蝕的部位，其鏽蝕情況受塗裝、除濕與結構所受疲勞荷載共同影響。國內鋼主梁耐久性情況調研結果如圖1。
塗裝剝落
外露栓釘鏽蝕
鋼桁架表面斑銹
箱梁內部鏽蝕
除濕機功率不足引起鏽蝕
縱隔板與橫隔板相交處焊縫開裂鏽蝕
圖1 國內鋼主梁耐久性情況調研結果
日本鋼結構橋樑採用的C5塗裝體系，在多年的應用中證明了自身較好的防腐能力。該體系在明石海峽大橋、東京彩虹橋上已工作了20餘年，雖存在一些局部劣化現象，如杆件邊緣塗裝局部剝落，但配合平時養護補塗，總體表現較好。
國內外調研結果顯示，現有的防腐塗裝體系總體上能保證大跨徑鋼結構橋樑的防腐需求，但長期的使用仍然會出現局部塗裝劣化現象，往往出現在焊縫處、螺栓與鋼板交界處、鋼板邊緣與轉折處。鋼箱梁內部鏽蝕情況受除濕機效果影響大，合理布設除濕機可大幅降低箱內濕度，減少鏽蝕發生的可能性。建議對鋼結構表面塗裝易劣化部位著重處理，如對風嘴上表面塗裝進行適當加強，對劣化部位及時補塗。同時合理配置除濕機，保證除濕機功率足以降低箱梁內部濕度。
纜索系統
1.主纜
我國早期採用「不幹膩子+圓形纏絲+密封防護層」的傳統體系，對懸索橋主纜進行防護，但效果不佳。2004年開始引進了包括S形纏絲、柔性塗料和除濕系統在內的全套日本技術，之後建設的國內大型懸索橋，陸續開始採用S形纏絲或纏包帶除濕防護體系。此次調研的大部分國內橋樑建成較早，仍然採用了傳統防護體系，僅一座設置了主纜除濕系統。目前，主纜除濕系統在國內的使用並不如日本普遍。
國內調研所收集到的歷年檢修報告顯示，主纜檢查發現內部鋼絲鏽蝕、膩子不飽滿等現象，傳統的主纜防護體系表現不盡如人意。國內主纜耐久性情況調研結果如圖2。
膩子覆蓋不飽滿
纏繞鋼絲內側鏽蝕
防腐塗裝層剝落
纏絲局部外露
圖2 國內主纜耐久性調研結果
日本懸索橋主纜防護主要採用了物理主纜防護+主纜除濕系統的防護體系，其中物理主纜防護包括了S形纏絲技術、主纜纏包帶等。
來島海峽大橋設置了主纜除濕系統，同時採用了氣密性優秀的S形纏絲技術，再塗刷延展性好、不易開裂的柔軟型氟化乙烯樹脂塗料。
明石海峽大橋則採用氯丁橡膠纏包系統以及乾燥除濕系統。此外，索夾區域的氣密性通過含有橡膠和矽樹脂的密封劑保證。在明石海峽大橋中，乾燥空氣每隔約140m被注入主纜外圍區域，注入氣壓則由密封材料的耐久性以及引入口和索夾處氣壓損失決定，材料耐久性和氣壓損失大小，則通過主纜模型試驗和現場實際測量決定。進氣口的細濾器可以在空氣進入主纜前篩除鹽分粒子，出氣口的空氣相對濕度控制在40%以減少鏽蝕發生。
2013年、2016年，彩虹大橋分別於芝浦側、台場側設置了主纜送氣乾燥系統，送氣系統由過濾裝置、除濕機、送風機、冷卻器、送氣閥、排氣閥構成。使用過濾裝置防止粉塵和海鹽粒子侵入。除濕機使用矽膠吸收空氣中的水分。送風機採用容易調整送氣量和壓力的羅茨式鼓風機。為使空氣容易進出主纜，除去送氣閥和排氣閥處的防鏽油和纏繞鋼絲，還設置了從外部可觀察主纜鋼絲狀況的檢查窗。為確保氣密性，在主纜索箍的端部和接縫處，採用下層異丁橡膠、表層改性矽的雙重堵縫。
從調研結果來看，以上物理防護配合主纜除濕系統能達到較好的主纜防護效果。以明石海峽大橋為例，在建成後10年的不間斷觀察中，管養人員沒有發現主纜鏽蝕現象，通過消除水分來防止鏽蝕的方法得到了充分證明。
目前主纜除濕系統配合S形纏絲技術或主纜纏包帶體系,被認為是最有效的主纜長期防腐體系,國內由於種種原因在早期建設的懸索橋中並未配置。但近年來的新建橋樑越來越多地採用主纜除濕系統,配合主纜觀察窗和腐蝕監控系統,可以達到更長效、更可靠的主纜防腐與維護效果。
2.吊索
本次調研中國內懸索橋吊索採用的防護方法,有PE套筒防護、「不幹性膩子塗抹嵌縫+塗聚氨酯面漆」「ZedS94防腐底漆+彈性甲基丙烯酸甲酯(MMA)防水樹脂層」「三膠兩布+聚氨酯面漆」等防護體系。其中PE套筒防護主要用於平行鋼絲,而其他防護均應用在鋼絲繩吊索上。圖3為ZedS94+MMA體系和三膠兩布體系示意圖。
ZedS94+MMA
三膠兩布
圖3 國內吊索防護體系
從各個防腐體系的實用效果來看，PE套筒常見的耐久性問題為吊索PE層不規則橫向裂紋，表層PE老化，引發進水、鋼絲表面氧化鏽蝕等。「不幹性膩子塗抹嵌縫+塗聚氨酯面漆」防護體系，由於聚氨酯面漆在一定時間後逐漸老化，加上熱脹冷縮的原因，聚氨酯面漆的彈性不能適應不幹性膩子的彈性，造成了面漆開裂並脫落。同時，不幹性膩子在經過風化和紫外線照射下逐漸老化並硬化失去一定的黏性，造成表面少許開裂後，空氣、氯離子、水等腐蝕介質深入到吊索內部，由此造成了吊索鏽蝕。相關管養單位反映「ZedS94防腐底漆+彈性甲基丙烯酸甲酯（MMA）防水樹脂層」和「三膠兩布+聚氨酯面漆」這 兩種防護體系工作情況較好，這兩種方法在實際工程中被普遍用於鋼絲吊索防護。國內吊索耐久性情況調研結果如圖4。
鋼絲繩吊索表面凹槽污漬累積
PE套筒鋼絲表面氧化，有銹斑
吊索表面劣化
吊索不幹膩子劣化
面漆開裂脫落
三膠兩布塗裝效果
圖4 國內橋樑吊索耐久性情況調研結果
在瀨戶大橋之前，日本修建的懸索橋採用塗料塗裝的CFRC(絞捻鋼絲繩)吊索，明石海峽大橋和來島海峽大橋考慮維修養護的便利，變更為聚乙烯管包裹的PWS吊索。
調研結果表明，在吊索的一般部位，水從塗膜開裂處滲入到吊索內部，內部空隙處有腐蝕傾向，比起手刷塗裝的因島大橋，使用浸漬塗裝機施工的狀況要好些。
總結國內外調研現狀，吊索的防護主要分PE套筒防護和表面塗裝防護兩類。PE套筒防護主要需注意的問題是老化開裂，而表面塗裝體系在長時間使用後，也可能出現塗裝開裂剝落等現象，但像三膠兩布這類產包+塗裝的防護體系效果較好。
橋面鋪裝
國內鋼結構橋樑的橋面鋪裝主要採用高彈改性瀝青SMA10、細粒式改性瀝青混凝土，也有環氧瀝青（雙層熱拌環氧瀝青鋪裝）、澆築式瀝青以及ERS等。調研中發現懸索橋橋面板厚度、交通量對橋面鋪裝耐久性影響巨大，國內已建成懸索橋鋼橋面板大多為12mm。由於交通量增長迅速，橋面板剛度偏低，易引發橋面鋪裝裂縫，嚴重者發展到橋面鋪裝與鋼橋面板共同開裂，進而引發箱梁滲水。而採用16mm厚鋼橋面板則可以大大減少鋪裝病害發生。
調研的日本橋樑橋面鋪裝大多採用澆築式瀝青混凝土和改性密級配瀝青混凝土。調研的橋樑中，京門大橋橋面板厚度為16mm，橋面鋪裝狀況總體良好；其餘調研鋼結構斜拉橋、懸索橋均為12mm，在繁重的交通量下都出現了較嚴重的開裂。東京彩虹橋上層高速公路日交通量約6萬輛，2010年管養單位對鋼橋面開裂進行了補修，2012年橋面鋪裝換成了50mmSFRC鋼纖維混凝土+30mm瀝青混凝土。橫濱港灣大橋（斜拉橋）由於橋面剛度較小、重車（最大達110t）較多等因素，橋面鋪裝出現了坑洞等病害，現已將鋪裝結構調整為7.5cmSFRC鋼纖維混凝土。
新建橋樑可考慮適當加厚鋼橋面板，而對於已建橋樑，可考慮更換鋪裝層材料來提高橋面鋪裝性能。除東京彩虹橋採用的SFRC鋼纖維混凝土外，也可以採用STC等新材料進行鋪裝。
鋼管樁
目前，國內對鋼管樁的耐久性狀況監測，主要還是通過水下探摸。採用的防腐蝕措施有「高性能環氧塗層+陰極保護法+預留腐蝕量」的聯合防護法，或配合「環氧樹脂底漆+環氧樹脂中間漆+聚氨酯面漆的」表面防腐塗裝體系。調研的許多國內橋樑都採用了聯合防護法，該方法從隔離腐蝕環境、轉移腐蝕目標、預留腐蝕厚度3個方面對鋼管樁進行防護，效果較好。國內鋼管樁耐久性問題主要表現在表面塗裝脫落與鏽蝕上。
明石海峽大橋採用鋼沉井，施工中採用了電沉積緩蝕施工法，該施工法利用在海水中通以微弱的電流，使海水中存在的以鈣和氫氧化鎂等為主要成分的物質（被稱為電沉積物）附著在外板的原理，利用電沉積物鍍層來抑制鋼沉井的腐蝕。明石海峽大橋運營10年後，調查發現局部出現被稱為「點腐蝕」的腐蝕現象。
附屬結構
1.除濕機
除濕機作為封閉環境內防止鋼構件腐蝕的重要設備，在中國與日本的橋樑中普遍使用。從調研結果看，主梁與錨碇內除濕機最受重視，基本都有所配備，但某些橋樑塔頂鞍室不設除濕機。通常重力式錨碇由於結構部分埋入地底，混凝土壁厚較大，其與外界氣體幾乎沒有交換，除濕機乾燥效果非常明顯；主梁與鞍室整體結構都處於大氣中，受雨水侵蝕等因素更嚴重，且存在較多通道、孔隙，乾燥效果次之，但總體較好。但調研也發現，對於隧道錨，受岩石裂隙水等因素影響，僅靠除濕機降低濕度較困難。
本次調研發現，日本除了在上述位置設置除濕機以外,在橋塔內部亦普遍設置,這也反映出日本橋樑管養工作者對橋塔內部的防腐更加重視。國內橋樑主塔內部防腐容易被忽略,大多數橋樑對主塔內壁不做表面防腐處理,塔頂通道與主塔間往往無封閉措施,雨水濕氣可直接侵襲塔內空間,調研中僅有個別橋樑進行了主塔內部的表面防腐處理。
結合調研結果與管養人員經驗，橋樑除濕機使用上需注意保證除濕空間的密封性，否則外界的氣體交換很難使除濕空間濕度下降。還需保證除濕機功率與除濕空間大小匹配，避免除濕能力不足的情況。
2.檢查車
檢查車作為橋樑養護的重要工具被普遍設置，但由於使用次數較少而容易被日常養護工作忽略。
國內調研發現，橋樑檢查車多採用鋼結構，部分採用鋁結構，且鋼結構檢查車相對而言耐久性問題更嚴重。工作環境的惡劣和檢查車自身的設計考慮不周，是檢查車耐久性問題頻發的主要因素。橫風導致雨水容易侵蝕檢查車，尤其是外露的電機動力、機械傳動與電路控制系統。檢查車軌道暴露於與鋼主梁相同的腐蝕環境中，卻在工作中要承受機械摩擦，故塗層更易受到損傷。對較大跨徑的橋樑，常規供電系統中電力沿程損失較大，致使檢查車易在跨中位置失去動力。尤其是鋼製檢查車自重過大，易引起軌道變形、軌距變化，最終導致檢查車在橋樑建成若干年後容易失去行走功能。此外，部分檢查車缺乏對巡檢、養護工作人員的人身安全考慮，缺少風速警報、停靠泊車等安全裝置。國內檢查車耐久性情況調研結果如圖5所示。
電機鏽蝕
懸掛工字鋼鏽蝕
滑輪鏽蝕
鋁製檢查車耐久性較好
圖5 國內檢查車耐久性情況調研結果
日本橋樑普遍採用鋁製檢查車，從調研結果看，總體使用情況較好。
為了後期管理養護工作順利高效，建議檢查車採用輕質、高強的航空鋁合金材料；加裝防水保護設置保護外露電氣設備，免受加勁梁下落雨水侵害；提高檢查車及其軌道的防腐塗裝等級；優化檢查車電力傳輸系統與控制系統。同時，考慮設置風速警報裝置、優化檢查車的制動裝置系統、設置軌道探測與誤差適應裝置。
3.鋼護欄
提高鋼護欄耐久性措施主要體現在表面塗裝與連接螺栓的防護上。國內鋼護欄表面塗裝一般與該橋採用的鋼結構外表面塗裝相同。螺栓處表面進行熱浸鋅或噴鋅處理後，再進行塗裝。調研中發現，一些橋樑對螺栓防護較為重視，對地腳螺栓縫隙密封膠密封，一些橋樑則在螺栓緊固後設置專門的防護帽杯，用密封膠將其固定，防止螺栓腐蝕。調研結果表明，鋼護欄總體耐久性較好，但在局部位置，如螺栓連接處會產生鏽蝕或塗裝開裂，或是塗裝被機械損壞，在某些情況下也會出現螺栓缺失現象。國內橋面欄杆耐久性情況調研結果如圖6。
地腳螺栓縫隙密封膠密封
螺栓帽杯
塗裝開裂剝落
欄杆鏽蝕
圖6 國內橋面欄杆耐久性情況調研結果
在日本的調研中也發現個別橋樑的鋼護欄腐蝕較嚴重。
鋼護欄耐久性對橋樑美觀影響較大，其表面塗裝容易在安裝運營時受到機械損壞，在日常維護中應注意。同時對螺栓也應採用密封膠密封、帽杯防護，不僅能提高耐久性，還能提高結構與行車的安全性。
維養問題與建議
在過去的幾十年間，我國的橋樑養護工作者在橋樑養護的理念與技術上獲得了巨大進步，在不斷的嘗試與創新中取得了巨大成就，但與國外相比仍然存在一定差距，管養意識稍顯薄弱，許多管養與防腐設計未考慮或僅停留在「有」的階段，對「用」的可行性與持久性考慮較少。
結合以上大跨度鋼結構橋樑的耐久性現狀，可以總結出以下防腐工作經驗——
1.橋樑結構設計對耐久性影響巨大。最典型的例子就是鋼橋面厚度與橋面鋪裝耐久性的關係。許多橋樑實際交通量與設計時的預測交通量差異較大，剛度過低的橋面板淪為了橋面鋪裝的不堅實基礎。同時，部分橋樑因景觀等因素設置冗餘構件或構件外形複雜多變，也會大大增加日後養護難度與工作量。
2.堵不如疏。如主纜除濕系統的纜索防護系統能可靠保證主纜內部乾燥，防止鏽蝕。實踐表明，再嚴格的密封措施也無法做到杜絕水分進入主纜，而優質的密封措施配合針對每座橋專門設計的主纜除濕系統，可以高效長久地保證主纜耐久性。
3.重視附屬結構。大橋的一些附屬結構並不像主要構件一樣時時刻刻在工作或發揮實用效果，往往容易被忽視，維護工作做得不到位，成為「裝飾品」，如橋樑的健康監測系統、檢查車等。
國內外共同存在的主要問題，仍然是對耐久性問題認知的欠缺與技術的不足。新型鋼結構塗裝材料與工藝仍亟待研發，混合聚苯胺（PANI）和聚乙烯（PVC）材料、基於納米復合塗裝的防腐塗層與超疏水防腐塗層，為管養工作者提供了新的選擇。主纜除濕系統大大提高了主纜耐久性，但合理的除濕系統設計與自主掌握的相配合使用的S形纏絲與纏包帶技術，仍然需要我國橋樑工作者進行研究突破。對於一直存在的橋面鋪裝問題，除了適當增加鋼橋面板厚度外，新型鋪裝材料SFRCT、STC、UHPC等也是未來開拓的方向。
特別鳴謝浙江省交通運輸廳科研計劃項目（2019059）對本次調研工作的資助。
本文刊載 / 《大橋養護與運營》雜誌 2020年 第1期 總第9期
作者 / 豐月華 孫斌 肖汝誠等
作者單位 / 浙江公路水運諮詢有限責任公司
同濟大學橋樑工程系