【行业在线】桥梁钢结构的腐蚀机理、检测评估及防护

发布时间：2025-11-24 14:41阅读：次

一概述
桥梁钢结构长期处于自然环境中，难免会受到雨水、大气及污染物的腐蚀，这将严重威胁桥梁安全与耐久性。我国地域广阔，东部沿海地区拥有大量的江河；西部地区则存在大量酸性土壤、盐渍土和高盐地下水，这些环境中氯离子浓度普遍较高。长期服役于此类环境下的桥梁，钢结构容易受到氯离子的侵蚀，导致腐蚀，进而引发构件强度和刚度下降等严重问题，尤其在反复荷载作用下，腐蚀疲劳将会导致材料性能劣化，威胁结构的正常使用，极大地缩短桥梁的使用寿命。
根据工业发达国家统计，每年因钢材腐蚀造成的经济损失约为GDP的2％~4％。目前，全球钢材腐蚀造成的经济损失高达万亿美元。近年来，我国因钢结构腐蚀造成的不安全事故约占桥梁安全事故的25％~30％。因此，在钢结构的腐蚀、检测和防腐技术等方面开展了广泛研究。
二 桥梁钢结构腐蚀与腐蚀疲劳损伤机理
钢材的腐蚀类型多种多样，包括均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀等。均匀腐蚀是指钢材表面全面均匀发生的腐蚀现象，导致材料整体逐渐变薄。点腐蚀则在局部区域发生，形成小面积的快速腐蚀，通常在应力集中或保护层缺陷处出现。缝隙腐蚀多发生在金属连接处，如焊缝或紧固件接缝处，由于缝隙中电解质的渗透而形成。晶间腐蚀和应力腐蚀则分别由材料的晶粒边界和外部应力作用引起，它们都可能导致材料的突然断裂。
这些腐蚀形式严重削弱了钢构件的力学性能和承载能力，增加了结构失效的风险。腐蚀不仅减少了构件的有效截面积，还可能引起应力集中，影响结构的稳定性。为了全面了解腐蚀对桥梁构件及整体结构性能的影响，研究人员常采用实验室腐蚀试验、现场监测和数值模拟等手段进行综合评估。通过这些方法，可以定量分析腐蚀损伤程度及其对结构性能的具体影响，为桥梁的维护、加固及寿命预测提供科学依据。
2.1 桥梁钢构件腐蚀疲劳损伤
研究表明，随着腐蚀程度的增加，Q690D高强钢在单轴拉伸下弹性模量、屈服强度和极限应力都会下降，且疲劳性能也会变差。在高周疲劳情况下，腐蚀后Q690D高强钢的S-N曲线的斜率会变得更加陡峭；S-N曲线的拟合结果显示，腐蚀程度对长寿命区疲劳寿命影响较大，且腐蚀后S-N曲线的斜率更加均匀。整体腐蚀的钢梁的疲劳寿命随着荷载频率的增加而减少，并随着应力比的增加而减少。此外，局部腐蚀对钢梁弯曲刚度的影响比起整体腐蚀更大，且对钢梁下半区的影响大于右半区的影响。

同时研究了空气环境、全浸环境、干湿交替环境和应力比0.1、0.3和0.5对高强度钢EH690钢疲劳裂纹扩展的影响。发现在裂纹扩展前期，EH690钢在干湿交替环境与全浸环境中的裂纹扩展速率为空气中的三倍左右，呈现出显著的疲劳裂纹扩展加速现象。对于给定的应力强度因子，疲劳裂纹扩展速率随着应力比的增大而增大，为实际海洋平台的腐蚀疲劳寿命评估提供了可靠的试验数据参考。
2.2 高强钢丝、缆索的腐蚀/腐蚀疲劳损伤
探讨了桥梁缆索钢丝的疲劳和腐蚀疲劳性能，发现带腐蚀损伤和腐蚀疲劳损伤的钢丝裂纹源多数萌生于钢丝表面腐蚀坑处。除了典型的疲劳断口外，还出现了多源断口的情况。在同应力幅下，腐蚀缆索钢丝的疲劳强度明显低于无腐蚀损伤缆索钢丝的疲劳强度。进一步研究表明，腐蚀不仅会降低缆索钢丝的疲劳强度和剩余疲劳强度，还会加快缆索钢丝疲劳强度的降低速率，从而进一步削弱其抗疲劳性能。并随着腐蚀时间的增加，钢丝的极限强度、断后伸长率逐渐降低，但弹性模量基本不变。有限元分析表明，蚀坑刚形成时裂纹底部会发生应力集中，更易在此处断裂。断口分析显示，腐蚀会促进裂纹扩展，但不改变钢丝微观结构；随腐蚀时间增加，断口由韧窝转为脆性断裂。
2.3 钢桥连接腐蚀/腐蚀疲劳损伤
研究提出了一种基于线弹性断裂力学的方法，用于预测考虑腐蚀影响的钢桥箱梁焊缝疲劳裂纹扩展寿命。并探讨了腐蚀环境、横撑间距、横撑厚度和箱顶板厚度等因素的影响。研究结果表明，所提出的耐候钢焊接节点经时演化模型稳定可靠，演化规律合理，当时间尺度和空间尺度分别设置为0.2年和100 μm时，模拟结果与大气暴露试验数据吻合良好；耐候钢焊接节点的腐蚀损伤主要由溶解概率和溶解氧浓度决定，平均腐蚀深度随溶解概率和溶解氧浓度的增加而增大。所提出的耐候钢大气腐蚀演化预测方法能够较为准确地再现研究对象的大气腐蚀过程，描述和识别研究对象在大气中的腐蚀动力学、腐蚀形态和蚀坑分布特征，可为耐候钢及其焊接节点在长期大气腐蚀过程中的腐蚀行为连续预测提供依据。

三腐蚀检测与评估
3.1 桥梁钢构件腐蚀监测技术
目前全球范围内桥梁“老龄化”问题凸显，受腐蚀损害严重，桥梁的服役性能劣化及桥梁倒塌等灾祸在全球范围内出现了逐年上升的趋势。因此，加大桥梁养护和检测势在必行。目前检测桥梁腐蚀状况的检测技术主要是基于计算机视觉和机器学习的损伤识别方法和基于传感器检测技术的无损检测方法。
3.2 基于计算机视觉和机器学习的损伤识别方法

为了实现悬索桥主缆的自动化、智能化检查，开展了基于无人机的主缆巡检路径规划和小样本数据下的主缆病害识别研究。针对钢结构桥梁实桥腐蚀图像往往由于光照条件较差或光照不均匀导致腐蚀区域检测困难的问题，提出了一种融合自适应光照预处理方法和深度学习的钢桥腐蚀检测方法。提出的自适应光照预处理方法有效改善了实桥腐蚀图像的光照不均和低光照问题，修复和增强了细节和纹理特征信息，颜色保真度较高；所提出的数据标注方法能够精准标注腐蚀区域，减少边缘描绘工作。利用无人机在图像采集方面的优势，采集大量高清病害图像，经图像增强、标注后建立钢桥病害图像库，用于模型的训练和测试；引入掩膜区域卷积神经网络构建钢桥病害识别模型，实现钢桥病害的自动识别；并通过更换骨干网络的方式进一步提升模型性能。
四 耐腐蚀材料
对钢材本身进行防腐处理是提高桥梁耐久性和安全性的有效手段。耐候钢，作为一类特殊钢材，通过在低碳钢中融入铜、镍等金属元素，能够在其表面生成一层致密且附着力强的保护膜。这层保护膜的作用是阻止锈蚀向钢材内部的扩散，从而保护基体免受腐蚀，显著降低腐蚀速率。
五防腐技术
桥梁中钢结构的防腐技术涉及多个层面，包括使用专门的防腐涂料来隔绝腐蚀介质、采用阴极保护等电化学方法来减缓腐蚀、依据环境特点设计合理的涂层体系、进行严格的表面处理以增强涂层附着力、执行定期的检查和必要的维护工作、控制腐蚀环境的温湿度、应用耐候钢以提高耐大气腐蚀性能、遵循防腐涂装养护技术指南和标准，以及在设计和施工阶段就综合考虑防腐措施。这些技术的综合应用有助于延长桥梁钢结构的使用寿命，确保桥梁的安全性和耐久性。

基于桥梁全寿命周期考虑，通过对包覆防腐、涂层防腐、密封胶与涂层联合防腐等常用防腐技术的防腐材料、施工工艺和防腐时效等进行了综合经济对比分析，得出氧化聚合型包覆防腐蚀技术具备防腐蚀材料先进性、施工质量可控性等优点，是桥梁钢构件连接螺栓的最优腐蚀防护方案。
六结论与展望
随着桥梁钢结构在各种环境条件下的广泛应用，其面临的腐蚀问题日益突出，对桥梁的安全运营和耐久性构成了严重威胁。腐蚀环境显著影响桥梁钢结构的疲劳寿命，而腐蚀与疲劳的耦合作用会进一步加速结构损伤的进程。为了应对这些挑战，研究人员已经开展了多方面的研究工作，包括腐蚀疲劳损伤机理的深入分析、腐蚀监测技术的创新、以及耐候钢和其他耐腐蚀材料的开发与应用等。此外，智能监测技术的应用、基于数据驱动的维护策略的提出，以及综合防腐措施的实施，都表明了桥梁钢结构防腐技术正朝着更加智能化、系统化和环保化的方向发展。对2023年桥梁钢结构腐蚀进展总结与展望如下:
（1）研究发现腐蚀环境对钢桥的疲劳寿命和性能有显著影响，腐蚀疲劳耦合作用下，结构的损伤发展速率加快，疲劳寿命降低。研究者们通过建立模型、进行实验和理论分析，提出了不同的预测和评估方法，以提高钢桥的耐腐蚀性能和延长其使用寿命。未来的研究可进一步探索和完善腐蚀疲劳损伤的预测模型，以更准确地预测钢桥在不同环境和载荷条件下的使用寿命。此外考虑到实际应用中腐蚀环境的复杂性，未来的研究还应包括多因素耦合作用下的腐蚀疲劳行为，如温度、湿度、盐分等环境因素与多载荷的交互影响。
（2）桥梁的腐蚀监测技术主要是采用基于计算机视觉和机器学习的损伤识别方法，以及基于传感器的无损检测技术。利用无人机技术结合三维模型自动规划巡检路径，并通过深度学习模型来识别桥梁主缆的病害。此外，尤其是在光照条件不佳的情况下，可以通过自适应光照预处理结合深度学习的方法可以改善腐蚀区域检测的难题。结合无人机采集的高清图像和深度学习网络，能够有效地建立钢桥病害图像库，实现病害的自动识别。在无损检测方面，MsS超声导波检测系统能够快速检测桥梁缆索的内部损伤，具有较高的检测灵敏度和效率。在未来应该继续优化深度学习和机器学习算法，以提高病害识别的准确性；结合物联网（IoT）技术，实现桥梁状态的实时监测和数据收集，为桥梁管理和维护提供更准确的信息；在数据分析方面，开发更复杂的数据处理和模式识别算法，以便从大量监测数据中提取有用信息，预测桥梁的腐蚀趋势和潜在风险。
（3）耐候钢的研究集中在理解其腐蚀行为、锈层结构与性能、表面处理技术、焊接技术、腐蚀疲劳性能，以及在设计方法与规范、免涂装桥梁设计、全寿命周期评估、新材料开发和智能监测等方面的应用。未来应该给予更多关注在耐候钢性能提升和在复杂环境下耐候钢的开发。并进一步对钢材中添加金属元素含量的改良，逐步提高耐候钢的防腐性能指标。
（4）桥梁钢结构的主要防腐方法包括使用防腐涂料隔绝腐蚀介质、阴极保护等电化学方法减缓腐蚀、设计合理的涂层体系、进行表面处理以增强涂层附着力、执行定期检查和维护、控制腐蚀环境的温湿度、遵循防腐涂装养护技术指南和标准，以及在设计和施工阶段综合考虑防腐措施。在未来应该深入探索和开发先进的防腐材料与技术，以实现更高效和持久的腐蚀防护效果；其次，开发和优化新型环保防腐涂料和合金材料，以提高桥梁钢构件的耐久性；此外，研究应更多地考虑耐久性设计，通过标准化施工工艺和高质量的表面处理技术来增强涂层的附着力和防腐性能；最后，探索不同环境条件下的防腐技术，并开发适应这些环境的高性能防腐系统。

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