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在强腐蚀的海洋环境中,还要求桥梁设计使用寿命100年至120年,怎么实现的?
2017-10-23 | 供稿: 】【打印】【关闭

  古语云:“山无径迹,泽无桥梁,不相往来”,发展交通是发展经济的必要手段,而桥梁对于交通系统无论是从安全性、耐久性、经济性和适用性角度都是最合适的选择,是世界各国交通系统中最重要的组成部分。这其中,海洋桥梁的建设既可以充分促进沿海经济的发展,也是国家海洋战略安全的需要。

  杭州湾跨海大桥是我国横跨中国杭州湾海域的跨海大桥,大桥桥梁处于强腐蚀海洋环境中,建设当时为确保大桥寿命,在国内第一次明确提出了设计使用寿命大于等于100年的耐久性要求。海洋腐蚀的威胁有多大?维持100年寿命有多难?

  这就不得不讲讲海洋桥梁的腐蚀防护问题。

杭州湾跨海大桥

  桥梁在海洋环境中承受着交变载荷、海浪冲蚀、汽车尾气污染等多种腐蚀因素的交互作用,甚至还要承受台风雷暴等极端天气的考验,腐蚀往往在容易被人忽略的地方发生,对桥梁结构的完整性和稳定性造成损伤。这种结构完整性损伤会在飓风载荷和车辆的交变载荷下加剧,在一定的外界条件下会对桥梁产生严重破坏,甚至导致桥梁坍塌,已成为桥梁安全的隐形“杀手”。

  例如美国旧金山San Mateo-Hayward跨海大桥,处于浪溅区的预制横梁因钢筋锈蚀产生破坏,使用不到20年就必须耗巨资进行修补。对于严重腐蚀的结构,目前尚无成熟的康复技术,即使投入大量资金,其结果也只是阻止加速腐蚀,但桥梁必须降级使用。

  我国近20年建设了一大批结构新颖、现代化程度和科技含量高的斜拉桥、悬索桥、拱桥等特大型海洋桥梁,积累了丰富的桥梁设计和施工经验,桥梁建设水平已跻身于国际先进行列。其中,桥梁的设计寿命也从过去的30~50年增加到80~120年,这对于社会财富积累、建设节约型社会具有重要意义,同时,也保障了桥梁服役期的安全可靠性。

  目前,海洋大桥的设计寿命为100年甚至120年,是指通过腐蚀防护技术保护桥梁结构的条件下大桥有效使用寿命。而我国过去建设的基础设施的设计寿命大多可维持30~50年,因此100~120年寿命指标的提出,对桥梁腐蚀防护技术、腐蚀防护管理均提出了更高要求。研究桥梁防腐新技术是时代的要求,是保障桥梁耐久性的重要前提,也是紧迫任务。

钢管桩腐蚀

 

混凝土护栏腐蚀

  海洋桥梁上使用的钢结构有钢管桩、钢箱梁和钢制拉索等主要承重结构,以及钢围堰、承台底板以及螺栓紧固件、焊接结构等附加物。

  其中,钢箱梁、钢制拉索所处的腐蚀环境主要是海洋大气区,腐蚀因素主要是汽车尾气和海水蒸汽,在这一环境中钢箱梁和钢制拉索的腐蚀形式以均匀腐蚀和点蚀为主。由于海洋大气环境非常潮湿、钢结构表面的电解质溶液充足,当异种金属结构相连时钢结构还较容易发生电偶腐蚀。

  由于钢箱梁和钢制拉索处于大气环境中,防护措施一般是涂覆防护涂层,不能采用电化学防护。钢管桩需要涂覆防腐涂层,但海水以及紫外线等会严重影响涂层的耐久性,必须配合电化学保护、外包其他防护材料等方法才能获得良好的防护效果。

  海洋环境下钢筋混凝土的结构腐蚀主要体现在混凝土结构性能退化和钢筋腐蚀两方面。混凝土本身腐蚀破坏机理包括混凝土碳化以及混凝土冻融循环等破坏等。由于混凝土本身性能退化以及氯离子的侵蚀,破坏了钢筋表面的保护性环境使钢筋所处环境满足腐蚀发生的条件,从而导致钢筋发生腐蚀。

  因此,钢筋混凝土的防腐蚀原理主要是通过物理或化学手段,提高混凝土的防护性能,具体措施主要有使用高质量混凝土、适当提高混凝土保护层厚度、在混凝土或钢筋表面涂覆防腐涂层、向混凝土中添加缓蚀剂以及采用电化学保护等。

  桥梁的腐蚀防护问题是安全和经济的问题,在耐久性要求大大提高的情况下,提倡采用全寿命经济方法,转变思路,综合考虑而非仅考虑初期投资成本,为桥梁能更好的服役做铺垫。对目前蓬勃兴起的桥梁结构寿命预测技术,应在桥梁的设计中予以大力支持。而对海洋桥梁的腐蚀监测是维护在其服役过程安全运行的重要保障手段,是对桥梁按时进行检测和维护的前提,必须重视。海洋桥梁的腐蚀防护问题,需要设计者、建设者和管理者携手共同解决,任何一个链条脱节都无法保证桥梁的长期安全。

  

  原作者:金属所 魏英华

 

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