对于钢桥而言，如何根据桥梁所处环境的特点选择经济有效的防腐措施，减缓钢结构的金属腐蚀，延长其使用寿命，对降低钢桥全寿命周期成本，提高竞争力至关重要。近20年来，我国东南沿海地区修建了多座钢悬索桥、斜拉桥，对大跨度钢结构的防腐技术也有了进一步的认识。
浙江省公路水运工程咨询公司与同济大学于2017年至2019年在日本东京湾、濑户内海调研了13座国内大型钢结构桥梁和6座国外大型钢结构桥梁，跨度从100米到1000米等，桥梁类型包括梁桥、斜拉桥和悬索桥。
本文旨在对国内外大跨度钢结构桥梁耐久性现状进行梳理，反思我国桥梁养护现状，并对今后我国钢结构桥梁的管理与维护规划提出一些建议。
防腐设计和耐久性的现状
钢主梁
无论何种桥梁类型，钢主梁或钢加劲梁都是桥梁最主要的构件之一，其表面的涂装防护直接关系到结构的使用寿命和耐久性。钢主梁主要分为钢箱梁和钢桁梁。
国内勘察桥梁主要按国内行业标准《JT/T722-2008公路桥梁钢结构防腐涂层技术条件》规定的防腐体系进行防腐涂装，外表面多为S09、S11体系，内表面多为S12或S13体系，各体系具体组成如表1所示。
国内调查中，近20年来建成的桥梁外表面采用的防腐涂层效果良好，但部分建成较早的桥梁钢结构地脚丝，涂层体系相对落后，局部腐蚀严重，表现为风嘴处涂层剥落，集中位置腐蚀严重。钢箱梁内涂层在使用过程中普遍效果良好，但受除湿机影响较大，功率过小或密封性不好造成湿度增大，会加剧腐蚀现象。接缝处普遍容易发生锈蚀，其腐蚀受涂层、除湿及结构疲劳荷载等影响。国内钢主梁耐久性调查结果如图1所示。
油漆剥落
裸露的螺柱生锈
钢桁架表面生锈
箱梁内部腐蚀
除湿机功率不足导致生锈
纵隔板与横隔板交接处焊缝开裂、腐蚀
图1 国产钢结构主梁耐久性调查结果
日本钢结构桥梁采用的C5涂装体系在多年的应用中证明了其良好的防腐能力，此体系在明石海峡大桥、东京彩虹桥上已使用二十余年，虽然存在一些局部劣化现象，如杆件边缘油漆局部剥落，但通过定期维护和重新涂装，整体性能良好。
国内外研究结果表明，现有的防腐涂层体系总体上能够满足大跨度钢结构桥梁的防腐要求，但长期使用仍然会导致局部涂层劣化，这种现象常发生在焊缝、螺栓与钢板连接处、钢板边缘及转折处。钢箱梁内部的腐蚀受除湿机的效果影响很大，合理布置除湿机可以大大降低箱体内的湿度，减少腐蚀发生的可能性，建议对钢结构易发生劣化的部位进行涂装重点处理，如适当加强风嘴上表面的涂装、及时对劣化部位进行补涂。同时，合理配置除湿机，保证除湿机功率足够，以降低箱梁内部的湿度。
电缆系统
1. 主电缆
我国早期采用“不干腻子+圆钢丝缠绕+密封保护层”传统体系对悬索桥主缆进行保护，但效果不佳。2004年，我国开始引入包括S型钢丝缠绕、柔性涂层和除湿系统在内的新体系。国内大型悬索桥建设全套采用日本技术，后来也开始使用S型钢丝缠绕或缠绕除湿防护体系。调查的国内桥梁大多建设时间较早，仍采用传统防护体系，仅有一座桥梁配备了主缆除湿系统。目前，我国主缆除湿系统的使用并不像日本那样普遍。
国内调查收集到的检测报告显示，主缆检测发现内部钢丝腐蚀、腻子不完整等现象，传统主缆防护体系效果不佳。国内主缆耐久性调查结果如图2所示。
腻子覆盖不饱满
绕组线内侧腐蚀
防腐涂层剥落
绕组线部分裸露
图2 国内某主干线电缆耐久性调查结果
日本悬索桥主缆保护主要采用物理主缆保护+主缆除湿系统的保护体系，其中物理主缆保护包括S型钢丝缠绕技术、主缆包扎胶带等。
来岛海峡大桥主缆设置了除湿系统，并采用了气密性极佳的S型绕线技术，再涂敷延展性好、不易开裂的软质氟化乙烯基树脂漆。
明石海峡大桥采用氯丁橡胶包裹系统和干燥除湿系统。此外，缆索夹区域的气密性由含有橡胶和硅酮的密封剂保证。在明石海峡大桥中，每隔约140米注入一次干燥空气。在主缆外侧区域，注入压力由密封材料的耐久性和入口及缆索夹处的压力损失决定。材料耐久性和压力损失由主缆模型试验和实际现场测量确定。过滤器可以在空气进入主缆之前去除盐分颗粒，出口处的空气相对湿度控制在40%，以减少生锈的发生。
2013年和2016年，彩虹大桥分别在芝浦侧和台场侧安装了主缆送风及干燥系统，送风系统由过滤器、除湿器、鼓风机、冷却器、送风阀、排气阀组成，使用过滤器可防止灰尘和海盐颗粒侵入，除湿器采用硅胶吸收空气中的水分，送风风机采用罗茨鼓风机，可方便调节送风量和压力。为使空气更容易进出主缆，在送风阀和排气阀处去除防锈油，为保证气密性，在主缆箍的端部和接头处采用以丁基橡胶为底层、改性硅胶为面层的双层密封。
根据勘察结果，上述物理防护结合主缆除湿系统可以达到良好的主缆保护效果，以明石海峡大桥为例，在其建成后的10年不间断观测中，维护人员并未发现任何主缆腐蚀现象，通过消除水分来防止生锈的方法得到了很好的验证。
目前，主缆除湿系统结合S型钢丝缠绕技术或主缆缠绕胶带系统被认为是最有效的主缆长期防腐系统。由于种种原因，在我国早期的悬索桥建设中并未配置。越来越多的桥梁正在使用主缆除湿系统，该系统与主缆观测窗和腐蚀监测系统配合使用，可以达到更持久、更可靠的主缆防腐和维护效果。
2. 吊索
本次勘察我国悬索桥上采用的防护方式有PE套管防护、“不干型腻子嵌缝+聚氨酯面漆”、“ZedS94防腐底漆+弹性甲基丙烯酸甲酯（MMA）防水树脂”等。PE套管防护主要用于平行钢丝，钢丝绳吊索上则采用其他防护，图3为ZedS94+MMA体系和三层橡胶两层布防护体系示意图。
ZedS94+MMA
三胶两布
图3 家用吊带防护系统
从各种防腐体系的实际效果来看，PE套管常见的耐久性问题有吊带PE层出现不规则横向裂纹、表面PE老化、钢丝表面进水、氧化生锈等。“ZedS94防腐底漆+聚氨酯面漆”防护体系由于聚氨酯面漆使用一定时间后逐渐老化，再加上热胀冷缩，聚氨酯面漆的弹性不能适应不干腻子的弹性，造成面漆开裂脱落。同时不干腻子在风化、紫外线照射下逐渐老化硬化，失去一定的黏度，造成表面少许开裂。空气、氯离子、水等腐蚀介质渗透到吊带内部，从而造成吊带的腐蚀。相关管理维护单位反映，“ZedS94防腐底漆+弹性甲基丙烯酸甲酯（MMA）防水树脂层”和“三胶二涂”两种防护体系不合格。采用“防潮布+聚氨酯面漆”保护钢丝吊索，效果良好，实际工程中广泛采用此方法保护钢丝吊索，国内吊索耐久性调查结果如图4所示。
钢丝绳吊索表面凹槽内积聚污渍
PE套管钢丝表面氧化，有锈斑
吊带表面损坏
吊带上的腻子未干且变质
油漆开裂和剥落
三胶两布涂胶效果
图4 国内桥梁缆索耐久性调查结果
濑户大桥之前，日本修建的悬索桥均采用涂漆的CFRC（扭绞钢丝绳）吊索，明石海峡大桥和来岛海峡大桥则改用包裹在聚乙烯管内的PWS吊索，以方便维护。
调查结果显示，吊索一般部位，水份会从涂膜裂缝处渗入吊索内部，内部缝隙处有腐蚀的倾向，与采用手工涂装的因岛桥相比，采用浸涂机涂装的情况要好一些。
总结目前国内外研究现状，吊装带的防护主要分为PE套管防护和表面涂层防护两大类，PE套管防护主要需要注意的问题是老化开裂，而表面涂层系统在长期使用后也可能会出现破损，出现油漆开裂、脱落等现象，但三胶两布等生产包+油漆的防护体系更为有效。
桥面铺装
国内钢结构桥梁桥面铺装主要采用高弹改性沥青SMA10、细粒改性沥青混凝土、环氧沥青（双层热拌环氧沥青铺装）、浇注沥青及ERS等。研究发现悬索桥桥面厚度及交通量对桥面铺装耐久性影响很大，国内已建悬索桥钢桥面大多为12mm。由于交通量的快速增加，桥面刚度较低，容易造成桥面铺装产生裂缝，严重时桥面铺装与钢桥面一起开裂，造成箱梁渗水。采用16mm厚钢桥面，可大大减少铺装病害的发生。
所调查的日本桥面大多采用浇注沥青混凝土和改性密级配沥青混凝土。所调查桥梁中，京门大桥桥面厚度为16mm，桥面整体状况良好。横滨大桥和悬索桥均为12mm，在重载交通下均出现严重裂缝。东京彩虹桥上部快速路日车流量约6万辆，2010年养护单位对钢桥面裂缝进行了修补，2012年桥面更换为50mm SFRC钢纤维混凝土+30mm沥青混凝土。横滨湾大桥（斜拉桥）桥面刚度较低，重型车辆较多（最重达110t），为防止出现坑洼等病害，铺装结构调整为7.5cm SFRC钢纤维混凝土。
对于新建桥梁，可以考虑适当加厚钢桥面，对于既有桥梁，可以考虑更换铺装材料来提高桥面的性能，除了东京彩虹桥采用的SFRC钢纤维混凝土外，还可以采用STC等新型材料进行铺设。
钢管桩
目前，国内对钢管桩的耐久性监测主要通过水下勘探的方式进行，所采用的防腐措施包括“高性能环氧涂层+阴极保护法+预留腐蚀量”的组合防护方式，或与“环氧树脂底漆+环氧树脂中漆+聚氨酯面漆”的表面防腐涂装体系相结合的方式，所调查的国内多座桥梁均采用了接头防护方式，通过隔离腐蚀环境、转移腐蚀靶体，并预留钢管桩的腐蚀厚度对其进行防护，效果良好。国内钢管桩的耐久性问题主要体现在表面涂层剥落、生锈等方面。
明石海峡大桥采用钢制沉箱，施工时采用电沉积防腐工法，这种工法是利用微弱电流通过海水，使海水中的以钙、镁的氢氧化物等为主要成分的物质（称为电沉积物）附着在外板上的原理，抑制钢制沉箱的腐蚀。明石海峡大桥运行10年后，发现有被称为“点蚀”的局部腐蚀现象。
子公司结构
1.除湿机
除湿机是防止密闭环境下钢构件腐蚀的重要设备，在我国和日本的桥梁中应用十分广泛。从调查结果看，主梁、锚碇中的除湿机最受重视，基本都配备，但有些桥塔顶部的马鞍室没有配备除湿机。通常重力锚碇由于结构部分埋入地下，混凝土壁厚，与外界空气几乎不进行交换，除湿机的干燥作用非常明显；主梁、马鞍室为整体结构，均处于大气中，受雨水等因素侵蚀较为严重，通道和孔隙也较多，干燥效果次之，但普遍较好。但调查也发现，对于隧道锚碇，受岩体裂隙水等因素影响，仅靠除湿机降低湿度较为困难。
本次调查发现，日本除了在上述位置安装除湿机外，在桥塔内部也普遍安装除湿机，这也反映出日本桥梁养护人员对桥塔内部防腐的重视程度较高，而对桥塔内部防腐却往往不予重视，大部分桥梁并未对主塔内壁做表面防腐处理，塔顶通道与主塔之间往往无密封措施，雨水、湿气可直接侵入塔内空间，调查中仅有少数桥梁对主塔内壁做了表面防腐处理。
结合勘察结果与维护人员的经验，使用桥梁除湿机应保证除湿空间的密封性，否则将难以进行外界气体交换而降低除湿空间内的湿度，同时还要保证除湿机的功率与除湿空间的大小相匹配，避免除湿能力不足。
2. 检查车辆
检测车作为桥梁养护的重要工具被广泛应用，但由于使用频率较低，在日常养护工作中很容易被忽视。
国内研究发现，桥梁检测车大部分采用钢结构，也有部分采用铝结构，尤其钢结构检测车耐久性问题更为严重，恶劣的工作环境和检测车本身设计不良是造成检测车耐久性问题频发的主要因素。侧风引起雨水易腐蚀检测车，特别是暴露在外的电机动力、机械传动和电路控制系统，检测车轨道与钢主梁同样暴露在腐蚀环境中，但其必须承受的涂层更容易因机械摩擦而受损。对于跨度较大的桥梁，常规供电系统沿途功率损耗较大，使检测车容易在跨中断电，尤其是钢检测车自重过大，容易造成轨道变形和轨距变化，最终导致桥梁建成数年后检测车失去行走功能。此外，部分检测车缺乏对检测养护人员人身安全的考虑，缺乏风速报警、停车系统等。国内检测车辆耐久性调查结果如图5所示。
电机生锈
悬架工字梁生锈
滑轮生锈
铝合金巡检车耐用性更好
图5 国内检测车辆耐久性调查结果
日本桥梁上普遍使用铝制检测车，根据调查结果，总体使用情况良好。
为保证后期管理维护工作顺畅高效开展，建议检测车采用轻质、高强度的航空铝合金材质；加装防水防护装置，保护外露电气设备不被加固梁上落下的雨水侵蚀；提高检测车及其轨道的防腐涂层水平；优化检测车的电力传动系统和控制系统。同时考虑设置风速报警装置，优化检测车制动系统，设置轨道检测及误差适配装置。
3.钢护栏
提高钢护栏耐久性的措施主要体现在表面涂装和连接螺栓的防护上。国内钢护栏表面涂装一般与桥梁所用钢结构外表面涂装相同，螺栓表面采用热镀锌或喷锌处理。调查发现，有的桥梁比较注重螺栓的防护，用密封胶将锚栓的缝隙密封，有的桥梁在螺栓拧紧后设置专门的防护帽，并用密封胶固定，防止螺栓锈蚀。调查结果表明，钢护栏整体耐久性良好钢结构地脚丝，但在螺栓连接等部位，可能会出现锈蚀或油漆开裂现象，或油漆受到机械损伤，部分情况下螺栓还会发生锈蚀。国内桥面栏杆耐久性调查结果如图6所示。
锚栓间隙密封胶密封
螺栓螺母杯
油漆开裂和剥落
栏杆生锈
图6 国内桥梁栏杆耐久性调查结果
日本的调查也发现，一些桥梁的钢护栏锈蚀严重。
钢护栏的耐久性对桥梁的外观影响很大，安装和运行过程中表面涂层易被机械损坏，日常养护时应注意。同时螺栓也应采用密封胶密封，加盖帽保护，这样不仅可以提高耐久性，还可以提高结构和行车的安全性。
维护问题及建议
几十年来，我国桥梁养护工作者在桥梁养护理念和技术上取得了长足进步，在不断的尝试和创新中取得了巨大的成就，但与国外相比还存在一定差距，认识有些薄弱，很多养护、防腐设计没有考虑或仅仅停留在“存在”阶段，较少考虑“用”的可行性和耐久性。
结合以上大跨度钢结构桥梁耐久性现状，可总结出以下防腐工作经验：
1、桥梁结构设计对耐久性影响巨大，最典型的例子就是钢桥面厚度与桥面铺装耐久性的关系。很多桥梁的实际交通量与设计时预测的交通量相差较大，桥面成为了桥面铺装的不稳定基础。同时有些桥梁由于景观等因素，存在冗余构件或复杂多变的构件，这将大大增加日后维护的难度和工作量。
2、排干比堵塞好。例如主缆除湿系统的电缆保护系统可以可靠地保证主缆内部的干燥，防止生锈。实践证明，即使是最严格的密封措施也不能阻止水分进入主缆，优质的密封措施结合为每座桥梁专门设计的主缆除湿系统，可以高效、长久地确保主缆的耐久性。
3、重视辅助结构。桥梁的一些辅助结构并非始终处于运行状态，也不像主要构件那样发挥实际作用，常常被忽视和维护不善，成为“装饰品”。系统、检测车辆等。
国内外存在的主要问题仍是对耐久性问题认识不足和技术的不足。新型钢结构涂装材料和工艺仍亟待研究开发，如混合聚苯胺（PANI）和聚乙烯（PVC）材料、基于纳米复合防腐涂料和超疏水防腐涂料等为管道维护工作者提供了新的选择。主缆除湿系统大大提高了主缆的耐久性，但合理的除湿系统设计和独立控制是相辅相成的。所采用的S型钢丝缠绕和缠绕带技术仍需要我国桥梁工作者进行研究突破。除了适当增加钢桥面厚度外，还在开发SFRCT、STC、UHPC等新型铺装材料，以解决现有的桥面铺装问题。这也是未来发展的方向。
特别感谢浙江省交通运输厅科研项目（2019059）对本研究的资助。
（本文发表于《桥梁养护与运营》杂志2020年第1期第9期）
