泉州湾跨海大桥主桥拉索腐蚀问题分析及预测

　　摘要：通过分析泉川湾跨海大桥主桥拉索腐蚀的环境因素、腐蚀原理和腐蚀过程，认为存在3个腐蚀阶段：拉索护套老化开裂阶段、拉索钢丝表面镀锌层腐蚀阶段和拉索钢丝腐蚀阶段#对泉川湾跨海大桥主桥拉索正常使用的寿命进行预测，计算得出泉川湾跨海大桥两层护套的老化时间为&62年，主桥拉索钢丝发生腐蚀后达到影响结构安全的时间为7.03年。

　　关键词：斜拉桥;大气腐蚀;拉索腐蚀;寿命预羽;耐久性

　　桥梁施工论文范文：公路桥梁施工中挂篮悬浇施工应用技术

　　摘要：随着人民出行要求的提升，公路桥梁工程建设数量也在逐年增加，而工程的质量优劣不仅会对公路桥梁本身的使用寿命产生影响，也非常不利于工程本身价值的充分发挥。而影响工程质量的一个十分重要的因素就是公路桥梁的施工工艺，针对公路桥梁施工过程中挂篮悬浇技术的应用进行了具体的研究，希望能有效促进公路质量的提升。

　　斜拉桥是由墩、梁、塔和拉索组成的超静定结构，因其具有跨越能力大、结构轻巧美观、受力明确、空气动力性好、结构形式简洁等优点，已成为现代桥梁建设的主流桥型之一。拉索是斜拉桥的主要承重结构，由于桥梁结构多建造在空气湿度大的区域,拉索长期暴露于潮湿和污染的大气环境下,且承受巨大的恒载、活载和疲劳荷载，因此拉索极易发生腐蚀和疲劳破坏，承载力发生严重退化，影响桥梁拉索的正常工作。近年来，由于斜拉桥拉索发生腐蚀，导致桥梁出现结构安全问题的案例不断出现。相关统计数据显示：在已建成的400多座斜拉桥中，已有近1/8进行了部分或全部斜拉索的更换工作[1]。

　　更换斜拉索主要原因是拉索出现钢丝严重腐蚀的情况：如欧洲的科布兰德桥建设成本为1亿元(以人民币计，下同)，服役仅3年就因为拉索腐蚀换掉了全部拉索，直接经济损失4.2亿元;非洲的马莱凯伯桥使用13后就因拉索的严重锈蚀而进行换索，耗资4亿元，更换拉索耗时为其施工时间的1/4;1989年建成的广州海印大桥，因为拉索腐蚀失效1995年进行全桥换索，拉索的寿命仅为6a;1982年建成的济南黄河大桥，1991年发现拉索钢丝表面受到不同程度的腐蚀，1995年进行全桥换索，拉索寿命为13a[2]。因此，研究斜拉桥拉索的腐蚀行为，特别是易腐蚀环境下拉索的腐蚀行为，对提高斜拉桥拉索耐久性与安全性具有极其重要的意义。本文以泉州湾跨海大桥主桥拉索为研究分析对象，根据该桥主缆索的设计参数，分析其所处的腐蚀环境，并根据国内现有科研成果，对泉州湾跨海大桥拉索的腐蚀原理和腐蚀行为进行分析，对拉索的安全使用寿命进行预测，以期对类似工程环境下的斜拉桥设计及维护提供参考。

　　1泉州湾跨海大桥概况

　　泉州湾跨海大桥起于晋江市新塘街道南塘村，接泉州市环城高速公路(二期)晋江至石狮段,于石狮市;江镇跨越泉州湾，经台商投资区秀涂村，止于惠安县螺阳镇锦水村，接泉州市环城高速公路(一期)南惠支线。大桥全长26.699k叫其中海上桥长12.45km，设计速度100km•h"，设计使用年限为100a，工程总投资约为69.23亿元，是福建省目前最长的跨海桥梁。泉州湾大桥主桥为主跨400m双塔分幅组合梁斜拉桥，全长800m，可保证5000t级杂货船双向通行、10000t级杂货船单向通行。主桥主塔采用三柱式门型，塔高157.1m，两座主塔的左右侧各有一组平行钢丝斜拉索，4组斜拉索共计288根;拉索采用7mm镀锌高强度、低松弛钢丝，双层彩色高密度聚乙烯材料作为护套。钢丝抗拉标准强度为1670MPa,拉索最长213.8m，单根最大重量为15.4-。

　　2泉州湾跨海大桥的腐蚀环境

　　环境因素是影响结构腐蚀的最重要因素之一，现根据泉州湾跨海大桥所处环境,对其主桥拉索腐蚀的环境影响因素进行分析。泉州市属于亚热带海洋性季风气候，泉州湾海域夏季高温，台风多发。泉州湾跨海大桥处于海洋环境中，大气及海水都有很强的腐蚀性。国家标准GB/T15957—1995《大气环境腐蚀性分类》中列出的影响结构大气腐蚀的关键因素，主要包括：潮气薄膜形成、大气中腐蚀物质含量、大气相对湿度、空气中污染物含量、结露、降雨、融雪等等。通常认为影响大气腐蚀的主要环境因素有3个：大气相对湿度、二氧化硫含量和盐粒子含量。根据空气的年平均相对湿度对将大气环境分为3类：干燥型环境、普通型环境和潮湿型环境。泉州市年平均相对湿度为76。-81。6月湿度最高，11-12月湿度最低，据此将泉州湾跨海大桥的大气环境归为第三类一潮湿型环境(RH>75。)

　　该标准将腐蚀环境进行分为6类：无腐蚀、弱腐蚀、轻腐蚀、中腐蚀、较强腐蚀、强腐蚀，明确大气中腐蚀性物质的存在加速了钢材的腐蚀速率，在相同湿度下，腐蚀性物质含量越高，腐蚀速率越大，如有吸湿性沉积物(如氯化物等)存在时，即使环境大气的湿度很低(RH<60。)也会发生腐蚀。氯离子会使钢材腐蚀加重，这也是沿海地区较内陆地区腐蚀严重的主要原因。沿海或海上的盐雾环境或含有氯化钠大气，是氯离子的主要来源。钢材腐蚀速率与空气中盐类(氯化物)含量的关系，腐蚀速率随着空气中盐类含量的减少而急剧减少⑶。

　　泉州湾跨海大桥桥址处海水中氯离子含量高，根据桥址附近水质分析结果：其溶解性总固体含量在海水高潮位时最高可达47g-L-1，海水化学类型为Cl-Na型。结合泉州市目前的环境气体情况和年平均相对湿度，应将泉州湾跨海大桥的腐蚀环境划分在腐蚀环境中的中等程度(C级)至极端严重程度(F级"⑷，泉州湾跨海大桥的主桥位于海面上，受海洋大气环境影响大，其腐蚀环境是整个桥梁中最为恶劣的。根据GB/T19292.1—2018《金属和合金的腐蚀大气腐蚀性第1部分：分类、测定和评估》的环境因素法，采用润湿时间、氯离子沉积速率对我国沿海地区大气腐蚀性等级进行初步划分，应将泉州湾跨海大桥的大气腐蚀等级确定为C3级或C4级[5]。上述分析表明：泉州湾跨海大桥的大气和海洋环境都具有极强的腐蚀性，容易引起拉索的腐蚀和失效，不利于桥梁拉索的长期使用，因此特别需要对其安全性和耐久性进行分析研究。

　　3泉州湾跨海大桥主桥缆索的腐蚀机理

　　根据泉州湾跨海大桥主桥拉索的结构类型及其所处的腐蚀环境，根据现有腐蚀问题的研究成果,将其主桥缆索的腐蚀分为以下3个阶段：第1个阶段是拉索护套老化开裂阶段，第2个阶段是拉索内部钢丝表面镀锌层腐蚀阶段，第3个阶段是拉索内部钢丝腐蚀阶段。

　　3.1护套老化开裂阶段

　　护套是拉索的最外层保护层，常见的护套类型主要有PE、HDPE、钢管、不锈钢管护套等。泉州湾跨海大桥的主桥斜拉索采用双层PE护套,即内层包裹单根钢绞线的黑色PE和外层包裹整根拉索的彩色PE。拉索护套在其运输安装和使用的过程当中，都可能发生破坏。在拉索运输安装过程中，由于操作不当或施工工艺不完善，可能发生破坏。因此主要研究的是在桥梁运营期间拉索发生老化破坏的情况。此阶段拉索破坏的原因主要包括两个方面：一是桥梁所处的环境因素，如太阳光中紫外线、大气环境、温度湿度变化等，造成护套的老化开裂;二是拉索在服役过程中所承受的交变应力作用，拉索服役时护套同钢丝协同受力，长期处于较高交变应力状态下，PE护套的分子间结合力逐渐下降，其拉伸强度和断裂伸长率等力学性能退化，护套出现微孔、裂缝甚至出现破损。在我国运营时间超过10a的斜拉桥中，70。以上的桥梁缆索索体PE护套出现不同程度的裂缝及微裂缝[6-7]。

　　3.2拉索表面镀锌层腐蚀阶段

　　斜拉桥拉索多采用表面镀锌的高强度钢丝，钢丝表面镀锌是为了提高钢丝的耐腐蚀性能。锌在大气环境中化学性质较为稳定，其耐腐蚀性较钢铁更为优良;当锌以镀层的形式覆盖在钢铁表面上时,是一种阳极性镀层，可以对钢铁起到电化学保护的作用，保证钢铁在较长的时间内不发生锈蚀。泉州湾跨海大桥主桥斜拉索采用7mm镀锌高强度、低松弛钢丝，根据其设计参数，钢丝表面镀锌层平均质量应大于280g-m-2，计算可得钢丝镀锌层平均厚度为39#m。拉索表面护套老化开裂后，外部的雨水与大气成分进入拉索内部，钢丝表面的镀锌层首先发生腐蚀。钢丝表面镀锌层的腐蚀是电化学过程，潮湿环境下，镀锌层的腐蚀产物主要为Zn(OH)2，可以与大气中的CO2结合生成ZnCO3，在海洋大气环境下空气中氯离子含量高，还会进一步反应生成Zn5Cl2(OH)8-H2O。

　　3.3拉索腐蚀阶段

　　拉索钢丝的镀锌层腐蚀消耗结束后，钢丝与大气环境接触发生腐蚀。钢丝的大气腐蚀的原理是钢丝表面镀锌层等腐蚀杂质引起钢丝表面的氧浓度差，形成阴极腐蚀电池，使钢丝发生腐蚀，主要产物为Fe3O4。当钢丝的腐蚀达到一定深度后，钢丝的承载能力逐渐退化，钢丝发生断裂。斜拉桥拉索在桥梁服役期间，其腐蚀情况较为复杂，除一般的大气腐蚀外，由于钢丝承受交变应力，还会因钢丝腐蚀产生的断面损失而发生疲劳损坏，因此，主要考虑由于环境因素造成的拉索腐蚀问题。由于对拉索承受交变应力作用下的腐蚀实验数据较少，研究采用的腐蚀参数为拉索未受力情况下的实验数据，较受力情况下的腐蚀分析偏安全。

　　4泉州湾跨海大桥主桥缆索的寿命分析预测

　　针对泉州湾跨海大桥这一具体工程，结合斜拉桥拉索腐蚀的三个阶段，根据现有研究成果对泉州湾跨海大桥的主桥缆索进行寿命分析。泉州湾跨海大桥主桥缆索的计算使用寿命可以分为以下两个部分：护套老化开裂时间和镀锌钢丝腐蚀时间。分别计算两个时间，就可以预测拉索的安全使用寿命。5结论根据计算结论，在泉州市目前的大气环境下，泉州湾跨海大桥主桥拉索的安全使用寿命可能无法满足原来25-30a的设计要求，极有可能会出现提前失效的情况。根据现有斜拉桥的实验研究数据和工程实例，斜拉桥拉索失效会严重影响桥梁的安全使用。

　　针对泉州湾跨海大桥主桥缆索的具体情况，建议其相关管理部门加强对桥梁缆索的检测检查，及时发现桥梁拉索可能存在的问题，如拉索护套开裂等问题，预防因拉索腐蚀造成桥梁无法正常使用的问题的发生。为了减少因拉索腐蚀可能产生的安全问题和经济损失，建议泉州湾跨海大桥的拉索在使用维护过程中，采用一定的工程措施减少拉索腐蚀的发生，如定期对拉索护套表面进行清洁、修补，在PE保护套外部增加PVF氟化膜保护带等;在主缆拉索更换时，采用防腐蚀性能更好的拉索或者采取一定的工艺提髙腐蚀性能，如在平行拉索的空隙中填充具备隔绝水汽、阻蚀防腐作用防腐油性蜡，增加拉索的抗腐蚀性，提髙拉索寿命。