广州珠江黄埔大桥特殊结构件的腐蚀与防护

广州珠江黄埔大桥特殊结构件的腐蚀与防护凌晓1张少锦1余锦秀2叶觉明2（1.广州珠江黄埔大桥建设有限公司广州510730；2.武汉桥梁科学研究院武汉430034）摘要：广州珠江黄埔大桥特殊结构件腐蚀防护方面运用了多种新技术、新材料、新工艺，确保了桥梁安全使用寿命。本文主要介绍了广州珠江黄埔大桥特殊构件选用的腐蚀防护方法和方案，为此类桥梁特殊构件腐蚀防护提供了非常有益的参考意见。关键词：悬索桥斜拉桥特殊结构件腐蚀防护1工程概况广州珠江黄埔大桥项目是交通部规划的“五纵七横”中京珠国道主干线广州绕城公路的东段，又是珠江三角洲经济区环形公路的东环段。项目包括华南地区最大跨径钢箱梁悬索桥（主跨1108m）、国内目前最大跨径独塔双索面钢箱梁斜拉桥（主跨383m）和南、北引桥为62.5m、45m、30m跨径的连续刚构（梁）桥梁，桥面宽度34.5m，大桥全桥总长7016.5m。广州珠江黄埔大桥特殊结构件主要是用于悬索桥上部结构的索鞍、主缆索股、钢箱梁、索夹、吊索及附属钢构件和用于斜拉桥的钢箱梁、斜拉索及附属钢构件。广州珠江黄埔大桥项目中特殊结构件总投资额达人民币约8亿，占建设总投资的31％，具有重要的控制性地位。在桥梁领域内由于钢结构系统发生腐蚀破坏引起的安全事故和经济损失是非常惨重的，因此必须加强和重视桥梁钢结构的防腐防护问题。本文主要介绍了广州珠江黄埔大桥特殊构件选用的腐蚀防护方法和方案，并探讨了其他桥梁项目的经验教训，为此类桥梁特殊构件腐蚀防护提供了非常有益的参考意见。2桥梁钢结构的应用和腐蚀防护桥梁钢结构在我国应用较早，但受国家经济实力和技术水平限制，发展较慢，近十年来随着桥梁钢结构大量应用，我国也逐步成为有影响的世界桥梁大国。在桥梁钢结构应用过程中，存在着一般钢结构的腐蚀破坏问题，为了保证桥梁的安全，桥梁钢结构的防腐保护已经成为保证钢结构桥梁长期安全营运的重要课题。桥梁钢结构应用广泛，主要有钢塔、钢梁（钢桁梁、钢箱梁）、钢拱（钢管拱、钢箱拱）、缆索（斜拉索、主缆索股、吊索）及钢锚座、钢支座、索鞍、索夹等。广州珠江黄埔大桥建设规模庞大，同时采用了大跨悬索桥和大跨斜拉桥二种桥型，基本涉及到了绝大部分桥梁钢结构的应用。桥梁钢结构由金属材料加工构成，主要腐蚀原因有金属化学反应而引起的化学腐蚀、金属和介质发生电化学反应而引起的电化学腐蚀、各种因素相互作用产生的化学或电化学反应引起的腐蚀。金属腐蚀的防护措施主要应用以下三个基本原理:（1）屏障保护。（2）化学抑制。（3）电流（阴极）保护。广州珠江黄埔大桥特殊结构件采用的方法有：（1）涂料涂装方法，主要应用于桥梁钢箱梁防腐。（2）结构件表面热镀锌（铝）、热喷锌（铝）方法，主要在结构附属件上应用。（3）干燥空气除湿，主要用于钢箱梁内部防腐，锚室、鞍室腐蚀防护。（4）结构防护和结构密封、填充措施，通过结构措施减少腐蚀环节和腐蚀条件，减缓腐蚀，目前主要是缆索索体、锚具部位防护。广州珠江黄埔大桥特殊结构件腐蚀防护方面主要是通过钢材材料面层保护，并运用了多种新技术、新材料、新工艺，从而确保了桥梁安全使用寿命。3悬索桥钢箱梁和斜拉桥钢箱梁及附属结构的腐蚀防护广州珠江黄埔大桥悬索桥和斜拉桥地处高温高湿地区，受海洋性气候影响较大，钢箱梁的外表面暴露在大气环境中极易腐蚀，只能采取涂装防护。钢箱梁内部通风环境较差，湿气的聚集可能引起涂层的起泡锈蚀等问题。桥面板因路面结构可能积水和行车动载会振动摩擦造成涂层破坏等原因，在全桥腐蚀防护中是较难处理的地方。广州珠江黄埔大桥钢箱梁结构根据结构不同部位和使用条件，采取了不同涂料和涂装体系（表一、表二）。广州珠江黄埔大桥钢梁结构设计寿命在百年以上，使用高性能的涂装体系可以延长钢箱梁的使用周期，提高桥梁的安全使用寿命。钢箱梁外表面采用重防腐涂料和涂装体系，内部采用干燥空气除湿系统，提供干燥工作条件，可以大大缓解内部腐蚀。桥面板除采用无机富锌底漆外，与之配套的路面系统还考虑了防水胶和其他结合层保护。斜拉桥钢箱梁需要螺栓连接，也是腐蚀防护的重要环节，该部位也要使用相应高质量的涂料防腐体系，防止腐蚀的产生（图一.斜拉桥钢箱梁结构示意图）。钢箱梁结构设计推荐采用由富锌底漆、环氧中间漆和聚氨酯面漆组成的重防腐涂装防护体系。广州珠江黄埔大桥在选择最可靠的长效重防腐涂装系统的基础上，还组织了专门的配套涂料和施工单位招标，选择质量较优最有实力的涂料供应商和有经验的涂装承包商。为了保证质量每批次涂料都进行抽样检查，监理还按照一定的比例抽样检查，悬索桥和斜拉桥钢箱梁都配备有专业的涂料供应商代表和涂装监理工程师进行质量控制。图一、斜拉桥钢箱梁结构示意图表一、悬索桥钢箱梁涂装体系部位表面处理及油漆种类干膜厚度备注钢箱梁及风嘴外表面（除桥面）无机硅酸锌车间底漆20µm工厂内喷涂板单元环氧富锌底漆80µm装焊完后分段涂装厚浆型环氧云铁中间漆150µm装焊完后分段涂装丙烯酸聚氨脂面漆一道40µm装焊完后分段涂装丙烯酸聚氨脂面漆一道40µm桥址处整桥涂装钢箱梁内部（布置抽湿机，湿度小于50％）无机硅酸锌车间底漆20µm工厂内喷涂板单元厚浆型环氧云铁中间漆150µm装焊完后分段涂装桥面板上表面无机硅酸锌车间底漆20µm工厂内喷涂板单元环氧富锌底漆75µm桥面铺装前整桥涂装表二、斜拉桥钢箱梁涂装体系部位表面处理及油漆种类干膜厚度备注钢箱梁及风嘴外表面（除桥面）无机硅酸锌车间底漆20µm工厂内喷涂板单元环氧富锌底漆80µm装焊完后分段涂装厚浆型环氧云铁中间漆150µm装焊完后分段涂装丙烯酸聚氨脂面漆一道40µm装焊完后分段涂装丙烯酸聚氨脂面漆一道40µm桥址处整桥涂装风嘴内部无机硅酸锌车间底漆20µm工厂内喷涂板单元环氧富锌底漆80µm装焊完后分段涂装环氧云铁漆100µm装焊完后分段涂装环氧云铁漆100µm装焊完后分段涂装钢箱梁内部（布置抽湿机，湿度小于50％）无机硅酸锌车间底漆20µm工厂内喷涂板单元厚浆型环氧云铁中间漆150µm装焊完后分段涂装桥面板上表面无机硅酸锌车间底漆20µm工厂内喷涂板单元环氧富锌底漆75µm桥面铺装前整桥涂装广州珠江黄埔大桥扁平钢箱梁内壁构造复杂，空气不流通，以后除锈重涂工作极为困难，因此在钢箱梁箱体内部安装了除湿机。干燥空气除湿是利用除湿机产生干燥空气，在一定空间内供应干燥空气、排出潮湿空气，改变环境条件，减少和减缓腐蚀。高强度螺栓连接面一般都是采用的热喷锌（铝）或喷涂特殊增加表面摩阻的防护涂料，在钢桥架完后补上涂装体系，防止螺栓周围和板缝之间的腐蚀。喷锌、铝层与钢铁的结合力强，工艺灵活，可以现场施工，适用于重要的不易维修的钢铁桥梁。广州珠江黄埔大桥采用了电弧喷铝方案。桥面是钢箱梁的重要承载部位，为了车辆通行，桥面上要铺设路面，这对桥面的保护提出了新的要求，一方面要求桥面钢板与路面牢固结合，另一方面还要防止路面渗水腐蚀钢板。这是一处特殊的防护部位，要求高，又难以检查维护维修。为此广州珠江黄埔大桥采用了在桥面涂装富锌底漆，与路面间设置防水层，然后铺设路面的方法。桥梁桥面的附属结构较多的是通过热镀锌、热喷锌和多层次涂料涂装进行钢结构腐蚀防护，利用各涂层的装饰作用、屏蔽作用、缓蚀作用和阴极保护作用，实现对桥梁钢结构的底层钢材的长效防腐保护和表4悬索桥缆索系统和斜拉索腐蚀防护广州珠江黄埔大桥悬索桥主缆、吊索和斜拉桥斜拉索都是由钢丝、钢丝绳等与锚具组成，按缆索用途分，特殊结构件包括悬索桥主缆预制平行钢丝索股、斜拉桥用HDPE包覆平行钢丝斜拉索、悬索桥钢丝绳吊索，还有悬索桥检修道扶手索等。索体的钢丝一般都通过热镀锌处理，防止桥梁用缆索在制造、运输、架设以及使用过程中索体的腐蚀生锈，提高桥梁的缆索系统索体安全寿命。以前一些没有使用镀锌钢丝的小型桥梁，多因应力腐蚀断裂或腐蚀疲劳造成缆索失效，而不得不全面换索。4.1悬索桥主缆防护主缆是悬索桥的“安全生命线”，悬索桥的两根主缆将承受桥梁的全部载荷，是悬索桥最主要的承重构件，在整个大桥的使用期内不可更换。悬索桥主缆由预制平行钢丝索股组成。由于处在跨越江河湖海和承力的环境下，易受大气和雨水腐蚀，主缆必须进行特殊防护。悬索桥主缆的防护，主要是应用高强热镀锌钢丝，主缆架设完成紧缆和安装索夹后，在主缆外部进行重防腐防护，涂抹防锈腻子、缠绕钢丝和外层涂料防护，形成特殊的铠装保护层，防止主缆的钢丝在使用过程中被腐蚀。我国的主缆涂料涂装防护系统基本上采用的热镀锌钢丝组成的缆索经过清洁处理后，涂装腻子、缠绕钢丝，然后涂装底漆、中间漆和面漆的防护方案（图二）。通过腻子填塞钢丝缝隙，并在表面形成一定的覆盖厚度，主缆使用的腻子能与缠丝形成铠装密水保护。各桥方案的差别在于腻子材料不同和涂料系统的差异。除广东虎门大桥和江苏江阴、润扬大桥外，其他悬索桥主缆使用的是北京航空材料研究院提出的防护系统，应用航空领域的聚异丁烯不干性密封膏作为腻子材料。广州珠江黄埔大桥经过综合评估，也准备应用这一防护系统。图二、主缆腻子+缠丝+涂装防护方式4.2悬索桥吊索防护广州珠江黄埔大桥吊索索体材料主要是钢丝绳，吊索与主缆的连接方式采用骑跨式；吊索与钢箱梁的连接方式采用锚箱套筒螺母承压式。检修道扶手索、骑跨式结构的钢丝绳吊索因结构原因，只能采用涂料涂装防护。由于吊索腐蚀破坏问题比较突出，广州珠江黄埔大桥吊索防护原设计涂装防护，在设计方案基础上进行了进一步探讨，目前提出了三种防护意见：（1）钢丝绳涂装特殊渗透型防腐油脂（如LIQUID-A等专用防腐润滑油脂）形成保护膜层，还可渗透至钢丝绳中心，排出湿气，形成的涂层屏蔽作为长期保护。（2）吊索索体外套PE防护层，索体内填充防腐材料，锚固端密封，隔绝腐蚀源。（3）表面在使用状态下，采用特殊防腐涂料体系涂装，表层涂装特殊成膜涂料形成外屏蔽保护层。4.3斜拉桥斜拉索防护广州珠江黄埔大桥采用的斜拉索系统是用热挤高密度聚乙烯（PE）防护的半平行钢丝索配以冷铸墩头锚系统的钢丝斜拉索。斜拉索由高强度锌钢丝组成，为制作和成盘运输方便，制作过程中采用小扭角（2～4°）同心绞合工艺扭绞成型。扭绞后在钢丝索外面绕包高强度复合胶带，然后热挤高密度聚乙烯（PE）防护层，在PE表层增加了压花工艺，作为斜拉索使用过程的辅助减震措施。热挤高密度聚乙烯（PE）防护层是斜拉索的主要防腐蚀措施。这种斜拉索在精确下料后两端灌铸冷铸锚具（或热铸锚具），成品索经预张拉（或反顶）检验合格可以成盘、成圈方式包装运输。广州珠江黄埔大桥为了加强索体防护功能，增加了索体在钢丝外加缠PV带的辅助防护措施，内外层PE全部采用进口材料，成品索采用大规格盘成盘包装。4.4锚具结构和锚端的防护锚具按锚固方式分，常用的锚具结构主要有冷铸镦头锚和热铸锚。锚具与索体的连接和过渡部位是腐蚀防护的重要环节，这一部位是主要的损毁区域，是目前索结构的重点难题。热铸锚是将索体端头钢丝在锚具内均匀分散用锌铜合金锚固为一体，传递张力。有的锚具为了减小端部疲劳，在锚具上端口或接长筒部分灌注冷铸填料或其他填充料。冷铸锚锚具在组装后灌注环氧铁砂，安装好接长筒后灌注环氧胶浆，在安装好挡板并完成养生后，最后还要压铸环氧树脂密封胶。张拉检验结束后，在锚索连接处按图压铸密封胶，缠PE防腐胶带，检查修补损伤的护套，包缠保护拉索护套的包带。近年还探讨了锚管口和PE套热塑PE过渡连接和现场热塑锚管和索体过渡连接的密封防护措施。为了延长锚具安全使用寿命，广州珠江黄埔大桥重视锚具结合部位的腐蚀防护，同时各种锚具全部采用了表面热镀锌防护措施。表三、缆索锚具结构分类主缆索股锚具斜拉索锚具吊索锚具锚固方式热铸锚冷铸镦头锚热铸锚接长筒无改进锚口受力状态改进锚口受力状态接长筒填充无冷铸料或聚氨酯等填料冷铸料或聚氨酯等填料过渡结构锚板结构橡胶紧固件或热缩套等橡胶紧固件或热缩套等辅助措施密封胶、防腐胶带防水盖、密封圈锚固护筒防腐料填充、密封胶防腐料填充、密封胶锚具热镀锌热镀锌、油脂涂抹热镀锌、涂料涂装锚具端部尾端加盖密封尾端加盖密封密封、涂料涂装如果不对斜拉索的端部和锚具进行专门的防护，会造成预埋护筒管内积水、进杂物或锚具发生锈蚀，不仅严重影响斜拉索的使用寿命，而且