大跨度独塔斜拉桥桥塔钢结构的防腐设计

摘要：桥梁结构常年累月的暴露于大气环境中，不可避免的会产生腐蚀损伤，严重的影响桥梁的安全可靠性。近年来桥梁坍塌的事件也时常发生，通过对这些突发灾难事件特别是几座钢拉索桥的现场观察发现，其钢结构腐蚀明显，又长期处于高应力状态下，其结构倒塌与应力腐蚀和腐蚀疲劳密切相关。本文以一座大跨度独塔斜拉桥桥塔钢结构防腐设计为研究背景，对桥塔钢结构的工作环境及防腐蚀设计方案进行了分析，并对其理论耐久寿命进行了预测。通过现场方案实施表明，对处在特定环境下的大跨径独塔斜拉桥桥塔钢结构进行防腐设计与维护，可以取得令人满意的效果。

关键词：斜拉桥；桥塔；腐蚀；复合涂装；耐久寿命

中图分类号： TU391 文献标识码：文章编号：

0 引言

随着我国国民经济和交通事业的不断发展，桥梁建设进入了一个辉煌的时期，然而桥梁横跨江河、湖泊、山谷、海峡，连接陆地和岛屿，地理位置千变万化，各处气候条件复杂。图1所示，我国按气候划分的腐蚀影响程度的区分图，颜色深的部分表示是重腐蚀区（高温高湿），颜色浅的部分表示轻腐蚀区。可以看出，我国东南部大多处在重腐蚀区内[1]。

桥梁结构常年累月的暴露于大气环境中，不可避免的会产生腐蚀损伤，严重的影响了桥梁的安全可靠性，造成重大的直接或间接的经济损失。最近国内连续发生桥梁突然垮塌事件，特别是几座钢拉索桥的突然垮塌，现场观察腐蚀明显，又长期处于高应力状态下，有关专家认为，与应力腐蚀和腐蚀疲劳密切相关。因此，基础设施的设计、施工、使用、管理及维护人员，应该了解和重视发生钢结构腐蚀破坏的可能和采取防止、避免的措施[2]。

图1 气候影响腐蚀程度的区分图

本文通过对所设计的独塔斜拉桥桥塔钢结构的工作环境及防腐蚀设计方案的研究，提出了喷涂加表层涂装的复合防护方案，并对其理论耐久寿命进行了分析。通过现场实施表明，对处在特定环境下大跨径独塔斜拉桥桥塔钢结构进行防腐设计与维护，可取得令人满意的效果。

1 工程概况

福建省南平市黄墩大桥主桥为115+165 m独塔单索面预应力混凝土斜拉桥，桥面宽33m，采用墩、塔、梁固结体系，总体布置见图2。主塔承台以上高度92.21 m，桥面以上高度64.49m，锚固区长度33.30 m。该桥的主塔设计采用带钢护壁的钢筋混凝土单箱单室截面，索塔锚固区采用内置式钢锚箱和主塔钢护壁相结合的形式，见图3。通过这种构造，塔上相同锚固点高度的斜拉索水平分力通过锚箱内的钢横梁来平衡，拉索两侧的不平衡水平力，通过顺桥向的水平限位装置传到塔壁上；斜拉索的竖向分力则通过钢横梁的垂直支撑传递到钢护壁牛腿上，再传递到混凝土塔壁，然后向下传给基础和地基。

图2 黄墩大桥总体布置图(单位:cm)

(a) 钢横梁 (b) 钢护臂

图3 主塔的结构形式

由于斜拉索索力巨大、钢锚箱构造复杂且板件数量多、索塔塔壁孔洞削弱等因素，使得该区域的受力状态十分复杂。因此，为了防止和避免桥塔钢结构构件在高应力的情况下的应力腐蚀，需通过合理的防护体系设计和有效的防腐蚀施工，确保索塔锚固区的传力途径与各板件及剪力钉的受力可靠性，保障桥梁在寿命期内的安全。

2 防腐蚀涂层方案设计

2.1涂装环境调查

涂装结构的环境调查十分重要，它是涂装体系设计和施工工艺要求的基础。调查的主要内容是桥塔处所在气候环境，包括风力、温度、湿度、雨水、日照时间等。根据当地气象局的资料，南平市地处东南丘陵地带，属亚热带海洋性季节气候，温暖潮湿，雨量充沛，降水在年内分为四个时期：3~4月的春雨期，5~6月的梅雨期，7~9月的台风雨期及10月~次年2月的少雨期，多年平均降水量1777 mm，多年平均气温19.3 ℃，常风向为东南风，强风向为西北向，最大风速约为28 m/s。多年平均无霜期为324天，相对湿度为74%。由调查可以发现，黄墩大桥桥塔钢结构所处环境比较恶劣，这将使得钢结构的劣化和锈蚀速度加快，从而影响到桥塔钢结构的耐久性。

2.2防腐涂装方法的选择

钢结构的防腐蚀方法有很多种，如有机或无机涂料、电镀或热浸镀金属镀层及热喷涂金属涂层。涂料涂装、电镀、热浸镀等工艺方法虽然各有其长处，但它们都很难满足大型桥梁钢结构的长效防腐蚀要求。桥塔索塔锚固钢结构由于位置处于塔顶部，通常要求在其服役期间不维护或少维护，相对来说，热喷涂技术是最有竞争力的方法之一，也是迄今为止对大型及重要钢结构做长效防腐蚀的最好方法，许多国家都制定标准将热喷涂防腐技术作为重要钢结构首选的防护方法[3]。

ISO 12944-5:2007 标准[4]，该标准的1998 年版是由欧洲18 国共同发起，并由世界标准化组织批准后形成的国际标准，2007年作适当的改变后重新。它是钢结构涂料、涂装工作的最好依据。它不仅涉及到桥梁钢结构工程的设计，业主，监理和涂装总包、分包，也涉及到涂料供应厂商和他们的技术服务人员。在这个标准中，将涂层的使用寿命分成3个范围：低(Low)2~5年，中(Medium)5~15 年，高(High)>15年。而涂层使用寿命与腐蚀环境(环境分类按ISO 12944-2:2007)、漆膜厚度(ISO12944-5:2007)有一定的关系。

我国的《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》（JT/T 722–2008），它根据ISO 12944:2007 标准和BS EN ISO14713:1999 标准[5]，结合我国实际情况，对桥梁钢结构防护年限、涂装寿命和涂层体系保护年限(第一次大修前)的判定等作了具体的规定，即腐蚀环境的分类按ISO 12944-2；涂层保护年限的判定，在涂层体系保护年限内，涂层95%以上区域的腐蚀等级不大于ISO 4628 规定的Ri 2级，无气泡、剥落和开裂现象。该标准将涂层的综合技术参数与腐蚀环境、防护寿命挂钩，这对配套选择有一定的指导意义[6]。

从上述国内外的标准中分析中，热喷锌、铝作底层，防腐涂料作封闭层等复合涂层的防腐年限肯定高于重防腐涂料配套，但涂层的设计寿命需依据国内外相关标准来判定。

2.3桥塔钢结构防腐蚀设计方案

根据综合分析，参照国内外的腐蚀环境分类及设计标准，提出南平黄墩大桥主塔钢套箱及钢横梁等的复合涂层防腐方案。即钢锚箱内钢结构内、外表面均应采用防腐处理。在工厂将预制好的钢套箱节段表面喷砂除锈，然后采用电弧喷涂法或等离子喷涂法在钢箱表面作喷铝处理，要求如下表格1；

表1 热喷涂铝性能要求

对于经过热喷铝处理的部位，还应进行必要的表层涂装处理，按表格2进行；

表2 钢结构表面涂装体系表

2.本表适用于已经过热喷铝处理的部位

经过表面热喷铝处理的钢套箱节段在现场焊接施工后，由于焊缝及其周边缺少热喷铝保护层，因此，对钢结构的未受热喷铝涂层保护的焊缝等部位，应进行如下表格3所示的补充涂装。涂装过程中工艺技术、涂装设备、涂装过程控制是施工应用技术的三大核心。“三分材料，七分施工”是涂装施工要求的具体表现。

表3 钢结构涂装体系表

3 设计方案的理论寿命分析

设计采用的复合涂层是由喷铝涂层+封闭漆+面漆组成的长效防腐蚀涂层体系，其失效的基本顺序为：有机封闭涂层经过若干年老化失效后，铝涂层厚度不断自腐蚀，逐渐减薄至局部钢铁暴露时，开始对钢铁进行电化学阴极保护，钢铁机体开始发生腐蚀，此时喷铝复合涂层彻底失效，如果在有机封闭涂层老化失效后，每隔一定时间及时对封闭涂层进行维修，使得铝涂层一直处于完好状态，就可以获得相当长的耐腐蚀保护寿命。