摘要：桁架体系的发明和相关技术的成熟，在其建设和应用中由于材料因素、结构形式等方面原因，会产生一些病害问题，威胁到其使用质量。文章主要针对公路钢桁架桥典型病害问题进行探讨，对会出现的病害类型及其产生原因做进一步的了解，并提出一些可行的解决对策。
关键词：公路；钢桁架桥；典型病害；原因；对策
1钢桁架桥概述
钢桁架桥是一种处于梁、拱之间的结构体系，其上部受弯梁结构是与下部承压的柱结构结合在一起的，且是刚性连接，由于柱的抗弯刚度，梁可得到卸荷作用，因此其结构整体是属于压弯结构，其结构也是有一定推力的。
同时，在其受力方面呈现的特点有以下三方面：首先是钢桁架桥建设中，由于其桥下的净空大于拱桥，因此净空要求相同的情况下，可以修建比较小的跨径；其次是钢桁架桥施工复杂程度较大，主要应用于城市、公路跨线桥和立交桥中；最后预应力混凝土和悬臂当前已成为大跨度桥梁发展趋势。
根据钢桁架桥桥面位置，可以将其分为上承式钢桁架桥，以及下承式钢桁架桥，前者的桥面位置是在主桁架上部，而后者桥面则在主桁架下部。以下承式钢桁架桥为例，其具体构造组成包括主桁架、联结系、桥面系和制动联结系等。主桁架是主要的承重结构，主要承受桥梁竖向荷载。联结系有纵向和横向联结系两种，主要联系主桁架，并且与其共同稳定桥跨结构且使其成为几何图形稳定空间结构。桥面系具体组成有纵梁、横梁以及两者间的联结系，承受、传递竖向荷载以及纵向荷载。制动联结系，也被称之为制动撑架，主要通过制动联结系，将作用在纵梁的纵向水平制动力，传递到主桁架，之后由主桁架传递到达支架，以减少桥面系杆件受到的纵向荷载不良影响。在下承式简支钢桁架桥建设中，其桥面通常会选择明桥面，采用正交异性板道碴桥面，其噪音较小。整体刚度优良，且具备较强的荷载分布能力，作为主梁的一部分，桥面板也可以共同受力。
2.公路钢桁架桥典型病害及产生原因
2.1钢材腐蚀病害
在实际应用中，由于钢桁架桥所处的环境是不同的，因此在环境中存在的一些腐蚀性物质，会在很大程度上对钢桁架桥产生腐蚀，且其腐蚀速率也是存在差异的。同时，在钢桁架桥表面的涂装发生破坏的情况下，桥梁内部钢材腐蚀速度会加快。这种钢材腐蚀病害的出现，会削弱桥梁构件的截面，使其出现裂纹等缺陷，在这些病害持续扩展的过程中，会缩短桥梁的使用寿命，甚至使其出现断裂的问题。腐蚀病害对钢桁架桥耐久性有很大危害，其维护工作的成本也比较高昂，且不利于保障桥梁的行车安全。
2.2涂层劣化病害
桥梁的涂装是会在外界环境中直接暴露的，因此受温差、磨蚀、紫外线和车辆尾气等外界因素影响较大，会使其不断老化，或者产生一些缺陷。涂装方面主要出现的病害类型有以下几种：（1）粉化缺陷，这种病害是受光化作用影响，桥梁漆膜的表面出现漆基降解、颜料分解现象，而导致其上面附着着疏松的细粉；（2）开裂病害，这种病害主要是因为湿膜过厚，重涂的时间选择不合理，或者其自身老化而引起的，导致漆膜外观出现不连续的变化；（3）剥落病害，即涂层从底层分离，或者层与层之间出现分离现象，主要是由于其附着力不良，且对底材没有合理处理，被涂物表面张力超过了涂层附着力；（4）起泡病害，有大小不一的起泡，包括气泡和液体泡，其是半球形的形状。起泡病害的成因比较复杂多样，很多情况下是由于其表面处理不当而导致的，或者其中有污染物的存在；（5）锈蚀病害，在环境因素影响下，漆膜出现老化和风沙等自然磨损而出现锈蚀。这种情况的产生，是由于施工中没有恰当处理表面，并且其所处环境也会有所影响，比如其高空气流速和湿度等，都会引发涂层锈蚀现象；（6）变色缺陷，受气候环境影响，漆膜的颜色会不断变浅，主要是涂层中树脂被污染，或者其中的颜料出现光学反应的变化。
2.3螺栓脱落问题
在钢桥建设的最初发展阶段，其采用的主要是焊接方式，而在此后螺栓连接工艺在不断改进，其在钢桁架桥中有着很好的应用效果，成为重要的联接方式。我国对高强度螺栓及其连接工艺的应用研究，是从1957年开始的，并最开始在桥梁中应用。钢桁架桥的螺栓脱落问题有两种，即螺栓断裂和螺栓松动问题，在其连接作用失效的情况下，都会危害到桥梁使用安全性。
2.4杆件屈曲病害
与混凝土桥梁相比，钢桁架桥一大特点就是其杆件方面破坏的方式，比较常出现的情况就是出现失稳破坏问题，主要表现在杆件屈曲方面，包括弯曲屈曲和扭转屈曲等。由于设计和施工不合理，而导致钢桁架桥出现杆件屈曲现象，在此情况下，可能引发严重的安全事故。
2.5连接部位出现焊缝断裂的病害
与螺栓一样，在钢结构中焊接也是一种重要的连接方式。根据其构造类型来说，焊缝主要有两种，即对接焊缝和角焊缝。根据被连接构件间相对位置，可以将焊缝连接分为四种类型，即对接、搭接、T形连接、角接类型。一般情况下，导致钢结构出现焊接断裂问题的原因是，存在焊接残余应力以及焊接缺陷等，同时设计处在缺陷，以及存在应力集中问题，也会出现钢结构焊接断裂问题。这一病害会造成钢桁架整个桥梁出现局部应力失衡，而致使桥梁出现坍塌事故，需重视预防焊接断裂工作，并采取合理的措施应对。
3.公路钢桁架桥典型病害检测与维修措施
3.1钢桁架桥外观检查
对钢桁架桥进行外观检查，了解其相关位置是否存在白化、针孔和变色起皮等现象，一些构件表面会存在锈蚀情况，油漆层脱落等问题，这些缺陷都可能埋下巨大的质量安全隐患。还要检查一些钢构件的清洁程度，是否存在油污和灰尘等，以及桥梁上铆钉的锈蚀情况、杆件的油漆脱落和变形缺陷等。此外，还要对人行道板进行检查，其主要会出现的病害有裂缝、蜂窝麻面等，人行道板的接缝存在普遍破损现象，会引发严重的渗水现象。纵梁也容易出现渗水、泛白问题，且该类现象比较严重。通过现场检查，还可以发现桥台和桥墩是否存在盐析、渗水和泛白现象等，检查伸缩缝主要是其存在的渗水病害、螺栓松动等问题。通过现场检查，对钢桁架桥存在缺陷进行初步了解掌握，才可实施相应的对策。
3.2涂层腐蚀等级划分和维修举措
首先是涂层腐蚀等级的划分，对其进行等级评定，需要结合实际钢桁架桥钢结构外表面特点，根据业内相关评级方法，对钢结构外表面涂层现象进行目视检查，并判定其腐蚀等级。其次是其检测工作，具体检测方法适用可以参考下图：
然后是杆件部腐蚀等级评定、维修方法。对杆件腐蚀的判定主要有四种，第一类型是杆件保留着完好的涂装，出现的脱落和锈蚀现象比较少，其所占面积比例不足0.1％，对此情况不需进行维修；第二是在杆件的边缘，一些涂装部分有轻微锈蚀的情况，但其它部分区域是比较完好的，缺陷所占面积比例为0.1％~1％，对此可暂不进行维修；第三是杆件出现少部分的涂装脱落和锈蚀性问题，到达其底层钢材的病害是比较少的，占到的面积比例为1％~3％，需要进行局部维修；第四是杆件的脱落和锈蚀现象比较明显，且一些病害是达到了螺栓底层的钢材的，占的面积比例超过了3％，对此要根据进行局部维修，需要的情况下进行整体维修。
最后是对涂装方面病害的维修方法，根据钢桁架桥腐蚀等级划分方法，来对其涂装维修进行腐蚀等级判定，并根据实际判定的等级来合理选择使用的维修方式，或者需采用的重涂方式。具体如下：第一是表面清理的施工工艺，对于整体维修方式来说，要将其原有土层进行彻底的清除，对表面进行除油、除盐分等处理，局部维修工艺中，要使用专用的清洁剂，来对其进行清理，有效除去表面的油污。如果病害损伤到了底材，同样需要使用专用清洁剂对其进行清理和去油污；第二是底层打磨施工工艺，整体维修作业中要对钢结构进行打磨除锈，其处理效果需达到关于涂装环境的要求，之后进行预涂操作。局部维修且没有对底材造成损伤的情况下，要对损坏区域周边松散涂层进行打磨清除，将其打磨成合理的坡度，并磨出各种漆层层面。而在损伤到底材的情况下，进行局部维修的时候，要打磨除锈处理损坏区域，将其周围涂层进行打磨，使其形成一定坡度，并将不同漆层层面磨出；第三是有其涂装施工工艺，整体维修下需根据设计要求，以及材料工艺来施工，具体要进行底漆、中间漆和面漆三部分内容施工，根据相关要求来确定各土层间隔的时间。针对未损伤到的底材进行局部维修时，要保护周边的涂层，使用刷涂的方式对相应土层依据原先涂装体系来补涂。而如果损伤到了底材，就要保护周边涂层，并依据原先的配套方案补涂底漆、中间漆和面漆的修补，
3.3高强螺栓检测和维修举措
首先是高强螺栓的检测方法，当前国内外在钢桁架桥的高强螺栓病害检测中，主要采用的检测制度，是将日常外观巡检与年度集中检测有效结合的。其中，日常进行的外观巡检工作，主要是利用肉眼观察的方式，来对钢桁架桥明显部位进行观察，发现其存在病害，并将其具体情况记录下来。同时，对日常难以观察到的一些隐蔽部位，需要进行重点排查，比如上平纵联部位等。一些部位位置较高，则需使用汽车吊运的方式进行检测。下平纵联等部位空间较小，需检测人员弯腰进入进行检测。通过这两种方式，可以对钢桁架桥存在的螺栓方面病害做到及时发现，并对其发展进行跟踪检测。
其次是关于高强螺栓病害的具体维修措施，要先准备好维修作业需要的设备和材料等，在实际条件允许的情况下，可选择液压张拉法等更加精确的施工工艺和方法。并根据实际施工工艺流程，来将钢桁架桥中缺失的高强螺栓进行补全。完成安装作业之后，要对高强螺栓按照要求腻缝。在螺栓出现腐蚀的情况下，需使用更高等级的涂料进行修复，并且要积极优化涂装材料以及涂装使用工艺。
3.4钢桁架桥杆件裂缝问题的检测和维修
对于钢桁架桥存在的杆件裂缝问题，具体通过日常检查、定期检查、特殊检测和检定试验方式进行，日常检查是在日常巡视中通过目视观察，了解桥梁主体结构情况。间隔4~5天时间进行定期检查，采用目视方法，以及使用一些简单仪器检查其出现损伤部位。如果桥梁受到车辆撞击、火灾意外事故等，就需对其杆件进行特殊检查。根据这三方面的检查结果，若有必要进行静力和动力检定试验，要对结构机能、动力性能进行全面的检测。
当前对杆件的维修，主要是将其杆件进行更换实现的，具体操作中要注意以下几方面问题：第一要注意更换的杆件强度，要确保其满足工程实际要求，如果其强度大于原先的杆件，则可能出现应力分布变化，且会改变应力传递的途径，需要从不同角度进行科学的计算分析；第二在进行设计工作时，需要考虑到所采用的施工方法，如果补修作业进行中不将交通中断，则需在交通荷载、振动状态下开展施工，并通过充分研究来完善设计，处理好构件切割质量问题等。并且要注意到，在作业空间和时间条件的限制下，需综合考量构件大小、作业经济性问题等，选择最优维修方案。
3.5焊缝检测和维修方法
在对钢桁架桥进行焊缝检查时，其主要通过日常巡检、年度集中检查和年度维修进行。在日常巡检维护中，要对焊缝外观进行检查，确认其是否存在断裂现象。年度检查则主要是每年进行对钢桁架桥的集中检查，会全面进行隐蔽部位的检查，并对其焊缝的病害情况进行整理和统计。年度集中维修工作，就是要根据前面两项检查内容，对出现断裂情况的焊缝进一步补修，以确保节点安全，以及桥梁使用的安全性能满足实际要求。
对焊缝的补修，一方面在其进行焊接前，需将焊接区的有害物清除出去，将钢材的金属光泽露出。使用的低氢焊条要与钢材相匹配，且对于同一部位，要确保其焊接方向的一致性；另一方面要注意选择返修方法时，具体使用的焊接方法、工艺参数等要保持与原焊缝焊接工艺的一致，完成焊接之后，将焊缝周围的焊渣等清除干净，并对焊接缺陷进一步修补。然后根据规范要求探伤焊缝，以确保对存在问题可以及时掌握解决，避免埋下质量安全隐患。
3.6应用ANSYS进行钢桁架桥优化
基于ANSYS的有限元分析软件，对其合理应用来分析公路桁架桥，在桥型已经确定的情况下，可以将其最大应力和挠度作为其约束性条件，结合截面尺寸这一设计变量，来优化主桁架的用钢量。将薄弱杆件用复合材料来代替，也有利于增强钢桁架桥的承载力，满足工程建设经济性、安全性方面要求。
其具体优化过程中，是根据对设计变量的分析，来按照状态变量进行科学评估，以对设计进一步纠正，使各项设计内容满足实际目标要求。因此，其优化过程就是分析、评估和修正的过程。首先需建立起模型，进行求解、计算结果提取，并将其分析文件生成。在优化中，要建立起该过程的参数，并指定分析文件和优化变量。其次要选择使用的优化工具，并制定应用的循环方式，对设计方案进行优化分析。对优化结果可使用后处理器来处理，并且可使用该处理器完成对设计序列优化查看、工具结构优化和操作设计序列等等。
在优化设计中，对其杆件进行荷载应力分析，如果其荷载作用下应力达到了允许的应力，而导致桥梁的承载力达到了极限。而在桥梁桁架中其它的杆件应力值未达到容许值，这种情况下荷载作为桥梁的承载力，就可能使得其它杆件出现浪费的情况。此时，可以选择容许应力较高的复合材料，将原先设计中杆件替换掉，加大桥梁上的荷载，并使其达到其它杆件接近容许应力的状态。此时将这些杆件使用合适的负荷材料替换，则可进一步提高桥梁的实际承载能力。在平面结构优化中，则可使用三维单元方法，以对结构真实受力状态进行反映，增强优化结构科学性和可信度。
结束语：
公路钢桁架桥在交通建设中比较常见，是重要的交通组成部分，因此要完善交通建设、保障人们出行安全，就需对其会出现的病害有科学了解，并掌握其实际产生原因，通过设计阶段的优化工作，以及检测和维修工作等抑制和解决病害发展，确保桥梁的使用安全性，使其更好地发挥服务作用。
参考文献：
[1]张云晨，张建东，杨登松，等.公路钢桁架桥典型病害及对策研究[C].//中国公路学会养护与管理分会第六届学术年会论文集（上卷）.2016.
[2]周青，傅晨曦，华新，等.宽幅大跨公路钢桁架拱桥设计[C]江苏省交通规划设计院，2014：151-155.
论文作者:毛苏毅
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/22
标签：桁架论文; 病害论文; 桥梁论文; 螺栓论文; 应力论文; 荷载论文; 桥面论文; 《基层建设》2019年第12期论文;