1.1  鋼橋構(gòu)件的腐蝕損傷

張素梅等^[1]采用通電加速腐蝕的方法，研究了對所受應(yīng)力水平為0.3倍屈服應(yīng)力工況下共60個Q420qD鋼材試件的應(yīng)力腐蝕特征，并與相應(yīng)無應(yīng)力試件對比，得出關(guān)于腐蝕速率、腐蝕形貌、表面分形維數(shù)和蝕坑形態(tài)的四方面結(jié)論：（1）有應(yīng)力試件和無應(yīng)力試件腐蝕速率均表現(xiàn)為先快后慢，在目標(biāo)腐蝕率小于18%時，有應(yīng)力和無應(yīng)力腐蝕速率近似為常數(shù)，且有應(yīng)力試件的腐蝕速率近似為無應(yīng)力試件腐蝕速率的1.15倍；（2）有應(yīng)力試件腐蝕形貌發(fā)展快于無應(yīng)力試件，且最終腐蝕形態(tài)都以均勻腐蝕為主；（3）有應(yīng)力和無應(yīng)力試件表面分形維數(shù)變化規(guī)律相似，均在腐蝕初期迅速增大，之后出現(xiàn)減小-增大-減小的周期性上下波動現(xiàn)象，有應(yīng)力試件的分形維數(shù)大于無應(yīng)力試件；（4）蝕坑形態(tài)以球冠狀為主，有應(yīng)力和無應(yīng)力試件單個蝕坑深度分布均能較好的服從正態(tài)分布規(guī)律；蝕坑徑深比變化范圍穩(wěn)定于2~6之間，平均值在4附近波動。

Yuan, Yangguang等^[2]進(jìn)行了斜拉索單根鋼絲的均勻腐蝕試驗，其過程可分為兩個階段，第一階段為鍍鋅層的腐蝕，第二階段是基體的腐蝕，在腐蝕的初步階段在腐蝕的鋼絲表面可以看到裂紋。腐蝕鋼絲表面的微觀形貌從致密的球形結(jié)構(gòu)到多孔、中空和疏松的結(jié)構(gòu)。第二階段基體腐蝕時，腐蝕產(chǎn)物呈小團(tuán)塊狀、蓬松狀或花狀絮狀，隨著暴露時間的延長，腐蝕產(chǎn)物呈層狀、十字狀和砂粒狀。鋼絞線橫截面內(nèi)鋼絲的空間腐蝕變異性也受到護(hù)套破損形狀的顯著影響。隨著暴露時間的延長，鋼絲不同分層之間的整體腐蝕差異程度減小。矩形斷裂形狀、方形斷裂形狀的護(hù)套與環(huán)狀斷裂形狀的護(hù)套相比會導(dǎo)致鋼絲腐蝕具有更強(qiáng)的空間變異性。兩個階段的均勻腐蝕深度呈線性增加。均勻腐蝕深度的速率逐漸減小，然后趨于穩(wěn)定。應(yīng)用動態(tài)廣義極值分布建立腐蝕導(dǎo)線的時間相關(guān)點蝕模型，單元最大點蝕因子可用Gumbel分布描述，位置參數(shù)和尺寸參數(shù)在第一腐蝕階段呈指數(shù)下降，在第二腐蝕階段呈線性下降，當(dāng)護(hù)套整體老化或保護(hù)失效時，斜拉索相鄰層中鋼絲的腐蝕過程差異系數(shù)可用正態(tài)分布描述，平均值和變異系數(shù)分別為0.6758和0.2543。

Mihaela Iordachescu等^[3]研究了在環(huán)境作用和鍍鋅鋼絞線的局部剝離作用下導(dǎo)致部分鋼絞線在使用30年后疲勞性能的變化。從所進(jìn)行的失效分析得出的結(jié)論是，發(fā)展在固定了斜拉索的橋塔內(nèi)部的單一介質(zhì)對暴露的鋼絞線產(chǎn)生影響之后，鋼絞線發(fā)生選擇性溶解、點蝕、擴(kuò)展微裂紋和鋅涂層損耗，從而加強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼的應(yīng)力腐蝕，直至失效。在實驗室中，對作用于鋼絞線護(hù)套部分30年的侵蝕環(huán)境的潛在損傷進(jìn)行了定性復(fù)制和定量增加，并評估了30年服役后其對鋼絞線疲勞行為的影響。從護(hù)套失效的部分選取內(nèi)部鋼絞線的樣本，對這些鋼絞線的試樣進(jìn)行電化學(xué)加速試驗，復(fù)制了在服役斷裂附近的未護(hù)套部分發(fā)現(xiàn)的損傷特征。對這些試樣和商用錨固件進(jìn)行的疲勞試驗表明，在30年使用和增加的適度人為破壞的條件下，只有高強(qiáng)度的氫電荷觸發(fā)了受損區(qū)域鋼絲的疲勞失效，并將疲勞壽命降低到規(guī)范值的二十分之一。受到飽和NaCl溶液或中等電化學(xué)氫電荷影響的鋼絲和有護(hù)套保護(hù)的鋼絲在30年的服役期后均可以滿足規(guī)范規(guī)定的疲勞強(qiáng)度。

張曉東^[4]利用微觀腐蝕疲勞機(jī)理(腐蝕坑和疲勞裂紋行為)與宏觀腐蝕疲勞特性(腐蝕環(huán)境下材料的疲勞抗力曲線(S-N曲線))重合部分求出裂紋擴(kuò)展腐蝕加速因子，以此建立了正交異性板腐蝕疲勞耦合機(jī)理理論模型。該模型對比已有文獻(xiàn)疲勞試驗的疲勞強(qiáng)度降低了48.92%，由此，發(fā)現(xiàn)考慮腐蝕疲勞耦合效應(yīng)會大大降低正交異性鋼橋面板的疲勞性能。利用ABAQUS建立了關(guān)于正交異性鋼橋面板的腐蝕疲勞模型，得到其不同應(yīng)力幅值的腐蝕疲勞壽命預(yù)測，考慮腐蝕比不考慮腐蝕疲勞強(qiáng)度降低了48.92%。考慮了不同位置從1mm到35mm的裂縫分布，同時探究了橫隔板厚度、間距以及頂板厚度等參數(shù)變化對應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。相較于橫隔板間距以及頂板厚度，橫隔板厚度的改變對應(yīng)力強(qiáng)度因子影響較大。在環(huán)境腐蝕的作用下，正交異性板橫隔板弧形缺口疲勞裂紋擴(kuò)展壽命會減小70.4%。在濕熱環(huán)境下的腐蝕因子明顯高于其他環(huán)境。由此可見濕度和溫度對腐蝕的速率影響較大。

圖1  文獻(xiàn)^[4]中橫隔板弧形區(qū)域裂縫選取位置

Zhao, Zhongwei等^[5]研究了點蝕對H截面鋼梁抗彎承載力的影響。首次研究了受拉翼緣和受壓翼緣的腐蝕影響。采用隨機(jī)有限元方法分析了點蝕的影響，提出了一種預(yù)測H型鋼梁剩余彎矩承載力的方法，該方法主要研究了腐蝕深度、質(zhì)量損失率與彎矩承載力的關(guān)系。結(jié)果表明，該方法能準(zhǔn)確預(yù)測腐蝕鋼的強(qiáng)度，之后可以建立腐蝕后H鋼的本構(gòu)模型。需要注意的是僅當(dāng)幾何尺寸滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017–2017）時，方可采用該方法。

Zhao, Zhongwei等^[6]還研究了預(yù)測經(jīng)受腐蝕的H梁抗剪承載力的分析方法，適用于小于1的任意材料的鋼腹板，公式通過鋼腹板腐蝕厚度，c、鋼腹板厚度和質(zhì)量損失率χ，計算出基于均勻腐蝕推導(dǎo)的折減系數(shù)，計算必須考慮點蝕的影響，如果以均勻腐蝕代替點蝕，則結(jié)果偏危險。該方法在預(yù)測腐蝕鋼的強(qiáng)度方面取得了較高的精度。

1.2  鋼橋連接的腐蝕損傷

圖2  文獻(xiàn)^[7]中十字接頭和搭接接頭腐蝕前后應(yīng)力云圖

Chen, Lin等^[8]實驗?zāi)M了重慶大氣環(huán)境進(jìn)行室內(nèi)加速腐蝕試驗后，20MnTiB高強(qiáng)螺栓力學(xué)性能和腐蝕性能的變化，螺栓的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率等參數(shù)降低，出現(xiàn)明顯的應(yīng)力損傷。當(dāng)材料處于有應(yīng)力狀態(tài)時，會發(fā)生明顯的局部腐蝕加速。由于應(yīng)力集中和腐蝕坑的綜合作用，高強(qiáng)度螺栓容易產(chǎn)生明顯的塑性損傷，降低抗外力變形能力，增加應(yīng)力腐蝕傾向。

程海根等^[9]研究了腐蝕與火災(zāi)兩環(huán)境因素對Q420qD高性能鋼角焊縫十字接頭疲勞性能的影響。對16mm厚的Q420qD鋼板采用橫向角焊縫十字接頭，加速腐蝕試驗和火災(zāi)處理后，發(fā)現(xiàn)十字接頭在僅腐蝕處理和腐蝕與火災(zāi)處理時的疲勞極限值分別比無處理時的疲勞極限值低24.85%和17.41%，腐蝕后，疲勞斷口裂紋源數(shù)量增多；受600℃火災(zāi)溫度作用后，韌窩尺寸相對更大。結(jié)果表明腐蝕和火災(zāi)都會降低十字接頭的疲勞性能，但當(dāng)火災(zāi)溫度達(dá)到600℃時，火災(zāi)溫度會一定程度提高十字接頭的疲勞性能。

圖3  文獻(xiàn)^[9]中十字接頭疲勞斷口微觀形貌

文娟等^[10]參考重慶市生態(tài)環(huán)境局公布的大氣環(huán)境質(zhì)量簡報，統(tǒng)計了模擬重慶市主城大氣降水的腐蝕溶液成分，基于此模擬結(jié)果在鹽霧試驗機(jī)中再現(xiàn)重慶市降雨條件下的腐蝕環(huán)境，并在鹽霧箱中加裝光照系統(tǒng)模擬日照。在朝天門大橋2013—2018年發(fā)現(xiàn)的81顆脫落斷裂的高強(qiáng)螺栓中選取具有代表性的6個樣品，對6個因腐蝕損壞的樣品及其對照的6個全新樣品進(jìn)行試驗。觀察后發(fā)現(xiàn)失效后的高強(qiáng)螺栓基體化學(xué)成分、物相相對于全新高強(qiáng)螺栓均未發(fā)生顯著變化，但基體中的S、P、Cu元素含量略有升高。失效高強(qiáng)螺栓斷口表面及模擬腐蝕環(huán)境下的高強(qiáng)螺栓表面的腐蝕產(chǎn)物種類較多，EDS能譜分析結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物中有S、Cl、Al、Si、K等元素的存在，XRD物相分析結(jié)果顯示，存在大量的Fe、Mn、Si等元素的氧化物及硫化鐵，推測高強(qiáng)螺栓的斷裂失效與大氣腐蝕（酸雨）、工業(yè)塵埃、交通揚(yáng)塵包裹有關(guān)。

圖4  文獻(xiàn)^[10]中斷裂高強(qiáng)螺栓表面腐蝕產(chǎn)物形貌

1.3  腐蝕損傷對橋梁性能的影響

朱文等^[11]以白洋長江公路大橋為研究對象，分析了大氣腐蝕作用對這座橋梁主梁鋼桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布變化趨勢的影響。根據(jù)宜都地區(qū)的氣候和大氣狀況，得到了相應(yīng)的大氣腐蝕預(yù)測模型，根據(jù)腐蝕預(yù)測模型得到了100年白洋長江大橋鋼桁梁的弦桿和腹桿截面變化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明：在100年時，弦桿截面腐蝕程度達(dá)到了12%，腹桿截面腐蝕的程度達(dá)到了15.2%。將截面損失后的橋梁建立Midas模型，模型計算分析后得知所有桿件的應(yīng)力增加在5%-25%之間，大氣腐蝕對上弦桿的應(yīng)力變化影響較小，腹桿的應(yīng)力變化受影響較大，對橋梁的安全狀態(tài)產(chǎn)生威脅，因此大氣腐蝕問題不容忽略。

王宇皓^[12]通過對腐蝕模型的根據(jù)截面強(qiáng)度的驗算公式，對鋼主梁段的最大正應(yīng)力進(jìn)行研究，結(jié)果表明：在100年腐蝕期內(nèi)，鋼主梁的腐蝕不會引起結(jié)構(gòu)前6階模態(tài)振型的改變。整個腐蝕期內(nèi)，最大正應(yīng)力為壓應(yīng)力的橋梁區(qū)域其應(yīng)力水平都有不同程度的提高，其中主梁8節(jié)段達(dá)到了最大應(yīng)力增幅25.5MPa。隨著腐蝕的進(jìn)行，腹板所承受的剪應(yīng)力呈拋物線顯著增加，且增速越來越快，在100年時達(dá)到腹板承受的剪應(yīng)力峰值。腐蝕使腹板所受到的剪應(yīng)力提升了約50%。鋼主梁梁端撓度值隨腐蝕深入無明顯變化，而跨中截面的撓度值呈線性增加，但增幅僅為0.017 m；在100年腐蝕期內(nèi)鋼梁段的最大撓度僅為0.689m，遠(yuǎn)沒有達(dá)到豎向撓度限值1.9m。雖然橋梁的各項力學(xué)性能指標(biāo)都符合規(guī)范的要求，但主梁在服役期間一直處于高應(yīng)力工作狀態(tài)，剪應(yīng)力又對腐蝕非常敏感，橋梁在海洋環(huán)境的使用中還是要注意腐蝕造成的影響。

陳嘯銘^[13]以結(jié)構(gòu)可靠度理論為基礎(chǔ)，針對一座大跨懸索橋鋼桁梁構(gòu)件的時變可靠性評估進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。根據(jù)大跨懸索橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)和大氣環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)，建立了腐蝕環(huán)境下鋼桁梁構(gòu)件抗力衰減模型，基于此模型可以較好地預(yù)測橋梁在服役期內(nèi)的腐蝕和疲勞情況，并判斷腐蝕疲勞耦合作用下橋梁的力學(xué)性能是否滿足可靠性指標(biāo)。通過該模型模擬發(fā)現(xiàn)在良好的防腐條件下鋼構(gòu)件的抗力近似呈緩慢地線性衰減，服役至第100年仍具有較高的抗力；相反，鋼構(gòu)件在缺少防腐措施的條件下，其抗力呈近似地指數(shù)衰減，服役至第90年時將喪失承載能力。鋼桁梁處于良好防腐養(yǎng)護(hù)的條件下，鋼桁梁服役100年的極限強(qiáng)度仍滿足規(guī)范要求，當(dāng)結(jié)構(gòu)服役到第115年才低于目標(biāo)可靠指標(biāo)；相反，鋼桁梁缺少防腐養(yǎng)護(hù)條件下，57年時構(gòu)件的可靠指標(biāo)便低于規(guī)范值。在腐蝕疲勞耦合作用下，隨著結(jié)構(gòu)的服役時間增長，由疲勞損傷引致的腐蝕構(gòu)件材料性能下降愈發(fā)顯著，其抗力于服役的中后期衰減迅速。因此鋼結(jié)構(gòu)橋梁腐蝕引起的抗力衰減不容忽視。

章宏輝等^[14]基于鋼橋研究現(xiàn)狀和延長鋼橋使用壽命任務(wù)需求，對長興縣某座鋼桁架橋梁開展系統(tǒng)調(diào)研。應(yīng)用無人機(jī)檢測技術(shù)對鋼桁架橋梁外觀進(jìn)行全方位圖像采集，檢測確定已存在的病害種類、數(shù)量，形成橋梁病害檔案，提出典型病害處治及養(yǎng)護(hù)措施。檢測后發(fā)現(xiàn)橋梁主桁架橫向構(gòu)件產(chǎn)生銹蝕的頻率高于其他垂直構(gòu)件產(chǎn)生銹蝕的頻率，構(gòu)件向上表面銹蝕的頻率高于其他面的頻率，構(gòu)件邊角周圍也是銹蝕病害常見發(fā)生的位置，這一類位置有主桁梁外伸翼緣處和腹桿邊角等。另外由于氣候和施工階段操作的原因，發(fā)現(xiàn)了多處漆膜開裂、剝落、變色的現(xiàn)象，同時伴隨有構(gòu)件連接處的螺栓、連接板銹蝕，甚至出現(xiàn)螺栓因腐蝕而脫落失效的現(xiàn)象。因此建議保持鋼桁架橋梁整體清潔度。施工完成后應(yīng)清除所有遺留的建筑材料，必要部位重新清洗涂漆。運營階段，管理養(yǎng)護(hù)部門需定期對整橋巡檢，清理下桁底部的廢棄物，去除腹桿表面吸附的油污、灰塵，發(fā)生銹蝕的部位需除銹后重新噴漆。

Wu, Weiwei等^[15]基于Miner的線性累積損傷概念，提出了一種簡化的線性腐蝕預(yù)測模型。線性腐蝕預(yù)測模型經(jīng)過理論計算，可以合理地將局部環(huán)境腐蝕因素引入疲勞試驗。等效腐蝕疲勞試驗可以驗證鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞抗力是否滿足設(shè)計要求。結(jié)果表明：在目前的等效腐蝕疲勞試驗中，大氣腐蝕使所研究的鋼結(jié)構(gòu)橋梁的壽命降低了29.5%。引入腐蝕預(yù)測模型后，鋼結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力分布和剛度退化表現(xiàn)為：應(yīng)力集中發(fā)生在損傷破壞前的損傷區(qū)域。整體剛度退化呈現(xiàn)三階段分布。從預(yù)測模型結(jié)果來看，中間階段是一個穩(wěn)定發(fā)展階段，約占整個生命周期的80%。初始階段和故障階段約占每個階段的10%。鋼材的腐蝕作用不能忽略。

陳堯^[16]結(jié)合試驗結(jié)果建立了考慮腐蝕環(huán)境、外加應(yīng)力作用和腐蝕時間的鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線，為非線性有限元分析時材料本構(gòu)模型的定義提供參考。運用ANSYS/PDS模塊建立了工業(yè)大氣環(huán)境下6層76m高的窯尾預(yù)熱器塔架模型，對其進(jìn)行可靠度計算，并對結(jié)構(gòu)設(shè)計強(qiáng)度和剛度指標(biāo)的靈敏度進(jìn)行了分析。支撐在服役第27年后，其最不利支撐的可靠指標(biāo)低于目標(biāo)可靠指標(biāo)的要求；框架柱在服役第30年后，最不利柱的強(qiáng)度可靠指標(biāo)降低為3.106，出現(xiàn)失效。梁將在結(jié)構(gòu)服役第42年時，其撓度（結(jié)構(gòu)的適用性）可靠指標(biāo)低于結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠指標(biāo)。實際鋼結(jié)構(gòu)工程中，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平均腐蝕率應(yīng)控制在20%以內(nèi)。從結(jié)構(gòu)全壽命角度出發(fā)，提出考慮腐蝕環(huán)境的鋼結(jié)構(gòu)全壽命性能化設(shè)計方法，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)所處腐蝕環(huán)境的不同，提出多層次耐久性設(shè)計目標(biāo)，并給出相應(yīng)的耐久性量化指標(biāo)，包括缺陷面積、腐蝕評級和強(qiáng)度折減系數(shù)等。針對不同大氣環(huán)境給出鋼結(jié)構(gòu)50年設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)的腐蝕裕量設(shè)計建議值。綜合考慮腐蝕環(huán)境因素，根據(jù)可靠性設(shè)計原理，建立了鋼結(jié)構(gòu)“三水準(zhǔn)”全壽命性能化設(shè)計方法，并根據(jù)不同的設(shè)計水準(zhǔn)，提出相應(yīng)的耐久性設(shè)計目標(biāo)。

圖6  文獻(xiàn)^[17]中組合梁及栓釘有限元模型

圖7  文獻(xiàn)^[18]中測量系統(tǒng)布置

圖8  文獻(xiàn)^[18]中4.5mm壁厚試件強(qiáng)度承載力折減系數(shù)曲線

2.1  基于圖像識別的鋼橋腐蝕檢測

圖9  文獻(xiàn)^[19]中采集的原始圖像和AI檢測的結(jié)果

Han, Qinghua等^[20]利用無人機(jī)圖像識別和定位鋼結(jié)構(gòu)表面的腐蝕區(qū)域。采用SLIC超像素分割算法對無人機(jī)圖像進(jìn)行分割，主要依據(jù)K和m兩個參數(shù)，其中K是需要生成的像素數(shù)，m是用于控制顏色距離和空間距離的相對重要性的一個常數(shù)，當(dāng)參數(shù)m為60，參數(shù)K為700時，SLIC超像素分割方法在無人機(jī)圖像上實現(xiàn)了優(yōu)越的處理性能。基于增強(qiáng)圖像特征提取的FPN和PANet算法可以提高圖像質(zhì)量，訓(xùn)練后的腐蝕識別準(zhǔn)確率可達(dá)97.15%。以天津津埠大橋為例，驗證了該方法的實用性，其誤差約為4%。結(jié)果表明，先處理圖像后再使用訓(xùn)練過的人工智能的兩級監(jiān)測方法可以確定腐蝕面積的比例和結(jié)構(gòu)的相對位置。所提出的方法可以通過與無人機(jī)相機(jī)功能的集成，用于橋梁鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的初期和全面檢測。

圖10  文獻(xiàn)^[20]中基于無人機(jī)圖像的腐蝕率處理結(jié)果

圖11  文獻(xiàn)^[21]中基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的腐蝕減薄程度評價方法

朱勁松等^[22]提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的鋼結(jié)構(gòu)表觀病害識別方法。該方法將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Inception-v4和遷移學(xué)習(xí)相結(jié)合，分別采用遷移學(xué)習(xí)中特征提取和微調(diào)2種訓(xùn)練方式獲得2種模型，并與全新訓(xùn)練的Inception-v4模型進(jìn)行對比。采用3365幅鋼橋病害圖像分別對特征提取模型、微調(diào)模型與全新訓(xùn)練模型進(jìn)行訓(xùn)練和驗證，對比了批大小（batch-size）和學(xué)習(xí)率對模型訓(xùn)練效果的影響，并對這2個參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選；最后，采用377幅病害圖像進(jìn)行測試，得到特征提取模型、微調(diào)模型和全新訓(xùn)練模型訓(xùn)練一個時期（epoch）的時間分別為47.2、119.2、121.8s，測試正確率分別為89.39%、97.88%與91.25% 。結(jié)果表明：遷移學(xué)習(xí)的2種模型較全新訓(xùn)練模型，減少了數(shù)據(jù)的需求量，提高了運行效率和病害識別準(zhǔn)確率；微調(diào)模型經(jīng)歷較少的epoch，便可達(dá)到較高的測試準(zhǔn)確率，更適于鋼橋病害識別的實際應(yīng)用。

Mohamed El Amine Ben Seghier等^[23]基于全球數(shù)據(jù)庫，提出了一種新的預(yù)測模型，用于估算年腐蝕速率與周圍環(huán)境特性的函數(shù)關(guān)系。將多層感知器（MLP）與海洋捕食者算法（MPA）這一新的元啟發(fā)式算法結(jié)合起來，作為解決當(dāng)前問題的新框架。此外，還實現(xiàn)了兩種強(qiáng)大的算法，即粒子群算（PSO）和遺傳算法（GA）來表示該框架的能力。還將該框架的性能與現(xiàn)有的機(jī)器學(xué)習(xí)模型支持向量回歸的高斯核函數(shù)（SVR-RBF）進(jìn)行了比較。與最優(yōu)模型(SVR-RBF)相比，采用改進(jìn)后的MLP、MLP- ga、MLP- pso和新MLP- mpa模型的改進(jìn)值分別為3.54%、4.86%、9.59%和14.02%。此外，采用MPA優(yōu)化的MLP混合模型在采用所有比較準(zhǔn)則的板條箱預(yù)測中表現(xiàn)出良好的性能。MLP-MPA模型的預(yù)測性能優(yōu)于本研究中所有其他人工智能模型，其預(yù)測能力較好，總體上產(chǎn)量R2最高(0.9532)，RMSE最低(13.183 lm/ year)。

圖12  文獻(xiàn)^[23]中基于元啟發(fā)式算法的MLP自動優(yōu)化模型

2.2  基于電磁原理的鋼結(jié)構(gòu)腐蝕檢測

圖13  文獻(xiàn)^[24]中開發(fā)的檢測設(shè)備及在斜拉橋上的應(yīng)用

Xia, Runchuan等^[25]在利用自發(fā)磁漏原理檢測鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害時，初始結(jié)構(gòu)磁場的分布受結(jié)構(gòu)差異的影響很大，但仍存在局部起伏現(xiàn)象。波動的周期性規(guī)律可以看出，曲線的峰谷距離相對穩(wěn)定，平均為237.8mm。腐蝕引起的SMFL信號受測量距離的顯著影響。信號在10cm范圍內(nèi)迅速衰減，但當(dāng)距離超過20cm時趨于穩(wěn)定。此外，當(dāng)測量距離為1cm時，腐蝕對磁場的影響面積約為腐蝕區(qū)的2倍。磁場曲線的極值與索力之間不存在明顯的單調(diào)相關(guān)性。由于測量距離和初始結(jié)構(gòu)的區(qū)別，直接比較磁信號來確定腐蝕程度是不可靠的。因此，考慮到初始結(jié)構(gòu)磁場和測量距離的影響因素，可以采用無量綱損傷分析指數(shù)X和腐蝕比α進(jìn)行定量研究。結(jié)合所有試件的數(shù)據(jù)分析，說明了鋼絞線對指數(shù)X存在微小影響。最大指數(shù)與腐蝕比α之間存在著很強(qiáng)的相關(guān)性，隨著腐蝕比α的增加，平均值顯示出明顯的增長趨勢。通過三次多項式擬合，擬合優(yōu)度達(dá)到0.9914。方差與腐蝕比α正相關(guān)，這表明由于結(jié)構(gòu)差異，損傷分析指數(shù)X離散性增加。因此適合于微損傷識別。

圖14  文獻(xiàn)^[25]中損傷分析指數(shù)X平均值和方差隨腐蝕程度的變化趨勢

圖15  文獻(xiàn)^[26]中纜索索磁通損傷識別儀器測試位點

Jancula, M等^[27]研究了無損檢測磁巴克豪森噪聲檢測技術(shù)（MBN）在鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。當(dāng)腐蝕層厚度較低時，MBN包絡(luò)線最大位置與拉應(yīng)力的變化趨勢與有效值的演變趨勢相反。當(dāng)腐蝕層的厚度在MBN讀數(shù)深度中占主導(dǎo)地位時，MBN包絡(luò)線最大位置隨拉應(yīng)力逐漸增長，MBN包絡(luò)線最大寬度隨腐蝕層厚度的增加以及疊加拉應(yīng)力而降低，MBN波動的數(shù)量最初隨著應(yīng)力下降，隨后隨拉應(yīng)力的增加而提前飽和。因此，建議使用MBN參數(shù)組合來評估拉應(yīng)力和腐蝕層厚度。

圖16 文獻(xiàn)^[27]中MBN脈沖高度分布（a）腐蝕1天；（b）腐蝕65天

綜合橋梁全生命周期來看，對鋼材本身進(jìn)行防腐是最高效的手段。耐候鋼是在低碳鋼的基礎(chǔ)上添加耐腐蝕的金屬元素，使鋼材表面形成致密和附著性很強(qiáng)的保護(hù)膜，阻礙銹蝕往內(nèi)部擴(kuò)散和發(fā)展，保護(hù)銹層下面的基體，以減緩其腐蝕速度。除了關(guān)注于特定元素對鋼材耐腐蝕的影響，還發(fā)現(xiàn)在實際的使用中耐候鋼的性能表現(xiàn)可能會受到較多因素的影響。

王岳峰^[28]實驗設(shè)計了3種不同鉻含量的耐候橋梁鋼，Cr含量的增加會提高鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，但會降低伸長率，高含量的Cr會使沖擊吸收功減小幅度較大。拉伸破壞屬于韌性斷裂，但隨著Cr含量的提高，韌性斷裂區(qū)所占比例減小。通過實驗室加速腐蝕實驗，測定腐蝕后銹層的組成和鉻元素對腐蝕的影響。在海洋大氣環(huán)境中，銹層由三層組成：內(nèi)銹層，外銹層，最外層銹層。Cr只存在于內(nèi)銹層中，在腐蝕的中后期納米晶粒開始形成，在這一階段中Cr含量提高會影響銹層的保護(hù)性能，Cr的含量增加速率與防腐性能提高速率呈反比。在工業(yè)大氣環(huán)境中，銹層由內(nèi)銹層與外銹層組成，內(nèi)銹層的結(jié)構(gòu)受Cr含量的影響而不同。在腐蝕初期，Cr含量提高反而不利于耐候鋼腐蝕性能的提升，在腐蝕中后期，Cr含量的提高會導(dǎo)致非晶物質(zhì)的生成，對防腐蝕性能的提高起到?jīng)Q定性作用。

王如玉^[29]以Q420qENH 鋼為試驗材料，對添加不同含量Ti元素的試驗鋼進(jìn)行力學(xué)性能測試并進(jìn)行顯微組織觀察。顯微觀察發(fā)現(xiàn)隨著Ti含量從0.044%-0.144%的增加，塊狀鐵素體數(shù)量顯著減少，粒狀貝氏體數(shù)量增加，M-A組元數(shù)量增加，晶粒尺寸細(xì)化，耐候鋼的屈服強(qiáng)度由439MPa增加到596MPa，抗拉強(qiáng)度由603MPa顯著增強(qiáng)至793MPa，試驗鋼強(qiáng)度得到顯著提高，但沖擊功由212J降低到12J。原因為TiN夾雜物尺寸由4.31µm增加到10.61µm；TiN夾雜物的存在導(dǎo)致試驗鋼在-40℃下沖擊韌性顯著惡化。在初期腐蝕試驗中，TiN夾雜物周圍的試驗鋼基體在腐蝕介質(zhì)的作用下首先發(fā)生溶解，形成蝕坑；隨著腐蝕時間的增加，在TiN夾雜物處聚集有大量的γ-FeOOH和少量的α-FeOOH，可以阻礙點蝕進(jìn)一步發(fā)生，使耐候鋼發(fā)生均勻腐蝕。

汪志甜等^[30]選取普通低碳鋼Q345qD和耐候鋼Q345DNH進(jìn)行掛片試驗對比，試驗在室外進(jìn)行，采用掛片+澆水的方式進(jìn)行，腐蝕液選用0.01mol/L的NaHSO3溶液和3.5%的NaCl溶液。實驗發(fā)現(xiàn)兩種鋼材在8周的加速試驗后宏觀形貌并無明顯區(qū)別，腐蝕過程中兩種鋼材的重量損失均隨時間的延長而增加，但耐候鋼的失重速率明顯低于低碳鋼,，說明耐候鋼的銹層對基體有一定的保護(hù)作用，耐蝕性能較好。實驗中還發(fā)現(xiàn)，在澆3.5%的NaCl溶液時，隨著時間的延長，耐候鋼和碳鋼表面均發(fā)生了嚴(yán)重的局部腐蝕，形成了較深的腐蝕坑槽，表面發(fā)生了鱗片狀剝離，說明該種Q345DNH耐候鋼不適合在海洋大氣中使用，在使用除冰鹽時也要注意及時清除。

圖17  文獻(xiàn)^[30]中耐候鋼銹層的外觀

陳堯^[16]開展了無防護(hù)碳鋼（碳鋼）、鍍鋅防護(hù)碳鋼（鍍鋅鋼）同時在 4200h 模擬海洋大氣環(huán)境和 960h 模擬工業(yè)大氣環(huán)境下的腐蝕行為試驗研究，采用萬能試驗機(jī)和電化學(xué)工作站相結(jié)合的方法，研究了外加應(yīng)力與腐蝕環(huán)境耦合作用對碳鋼和鍍鋅鋼腐蝕速率的影響，并通過失重法進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明：應(yīng)力的存在能夠顯著地減小碳鋼和鍍鋅鋼表面電阻，提高電解質(zhì)在鋼材表面的溶解速率，從而加快鋼材腐蝕速率。鋼材的腐蝕速率與彈性應(yīng)力水平、腐蝕電解液、鋼材防護(hù)條件有關(guān)。隨著彈性應(yīng)力的增大，腐蝕速率加大。腐蝕電解液的差異和鋼材強(qiáng)度等級的不同對腐蝕加速效應(yīng)的影響很小。

Zhang, Yu等^[31]制備了20個美國常用的高性能鋼HPS70W試樣和20個中國常用的典型耐候鋼Q345CNH試樣，以研究其腐蝕性能，包括均勻腐蝕和點蝕。通過加速腐蝕試驗和疲勞試驗，建立了該鋼在自然環(huán)境和實驗室環(huán)境中的疲勞性能之間的聯(lián)系。腐蝕試驗表明，點蝕缺陷以簇狀隨機(jī)分布在試樣表面，HPS 70 W比Q345CNH具有更好的抗點蝕性。在60、120和180次腐蝕循環(huán)后，HPS 70 W母材的疲勞強(qiáng)度降低分別為31.9%、32.5%和35.7%。同樣，在60、120和180次腐蝕循環(huán)后，Q345CNH的疲勞強(qiáng)度分別降低了22.6%、29.1%和38.3%。在腐蝕初期，HPS 70 W疲勞強(qiáng)度降低的速率更快。失效試樣的斷面分析表明，點蝕缺陷是腐蝕疲勞過程中產(chǎn)生疲勞裂紋的主要原因。腐蝕HPS和WS的疲勞性能與腐蝕程度，尤其是點蝕深度有關(guān)。此外，裂紋點蝕缺陷的深度是不同腐蝕循環(huán)后HPS 70 W疲勞強(qiáng)度降低程度不同的原因，因此更深的點蝕缺陷會導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度的降低。經(jīng)過腐蝕試驗，銹層具有較高的強(qiáng)度和致密性。然而，腐蝕試樣的疲勞試驗表明，當(dāng)應(yīng)力范圍低于222.2MPa時，銹層會開裂并破裂。在應(yīng)力范圍高于244.4 MPa的情況下，整個銹層在5000次加載循環(huán)中迅速分解，所以耐候鋼的防腐與應(yīng)力狀態(tài)有重要的聯(lián)系。

圖18  文獻(xiàn)^[31]中耐候鋼在222mPa產(chǎn)生裂縫

圖19  文獻(xiàn)^[32]中鋼箱梁腐蝕后內(nèi)部的形貌

圖20  文獻(xiàn)^[33]中在腐蝕試驗箱中暴露3個月后的螺栓（a）B6（b）B8

蘇翰等^[34]為了研究腐蝕作用對耐候鋼對接焊縫疲勞性能的影響，試驗研究了南京大氣暴露腐蝕1年后耐候鋼對接焊縫試樣8個應(yīng)力幅下的疲勞性能，并采用掃描電子顯微鏡和超景深三維顯微鏡研究了試樣的疲勞破壞機(jī)理。由95%置信度S-N曲線求得的疲勞強(qiáng)度比未腐蝕試樣低14.4%，但仍比設(shè)計疲勞強(qiáng)度高25．6%；大氣暴露腐蝕試樣的疲勞破壞是由多個點蝕坑同時作為裂紋源導(dǎo)致裂紋萌生并擴(kuò)展所引起。

Han, Xu等^[35]研究了A709-50CR梁在老化多梁鋼橋中替代銹蝕碳鋼梁的應(yīng)用。A709-50CR是一種在美國和加拿大生產(chǎn)的作為雙相不銹鋼的低成本替代品的防腐鋼材，A709-50CR在損傷橋梁的維護(hù)保養(yǎng)中具有潛在經(jīng)濟(jì)效益。對僅由碳素鋼梁組成的橋梁上部結(jié)構(gòu)和由兩種鋼梁組成的橋梁上部結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了系統(tǒng)可靠度分析，得到了時變可靠度曲線。基于可靠性剖面和相關(guān)的失效風(fēng)險，進(jìn)行生命周期優(yōu)化，以確定何時和哪些梁需要更換。對于海洋環(huán)境中受大氣腐蝕的橋梁，A709-50CR的腐蝕速率約為碳鋼的0.1%-5.3%。A709-50CR具有較高的耐蝕性，不需要對A709-50CR主梁進(jìn)行油漆/重漆或其他與腐蝕相關(guān)的維護(hù)。A709-50CR用于主梁更換時，可有效減少重大維修動作次數(shù)。因此，與使用碳鋼相比，使用A70950CR代替銹蝕梁具有相當(dāng)高的成本效益。成本效益取決于A709-50CR對碳鋼的成本溢價和對碳鋼主梁的重新粉刷的成本。但仍需考慮碳鋼重漆的價格水平和耐候鋼的溢價。由于碳鋼與A709-50CR界面處存在電偶腐蝕，在現(xiàn)有的碳鋼橋架上使用A709-50CR時應(yīng)注意。這種腐蝕機(jī)制可以通過添加非金屬填充板等特殊措施來緩解。

圖21 文獻(xiàn)^[35]中與失效模式相關(guān)的年度可靠性指標(biāo)（a）低碳鋼梁（b）A709-50CR梁

除提高鋼材自身耐腐蝕性外，可通過涂裝、陰極保護(hù)、濕度控制等被動或主動措施來防止橋梁腐蝕，或已經(jīng)遭受腐蝕損傷的橋梁進(jìn)行維護(hù)。

Li, Shengli等^[36]研究了外加電流陰極保護(hù)（ICCP）方法在橋梁索結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。因為鋼絲所在的大氣環(huán)境幾乎不能為ICCP系統(tǒng)提供電解質(zhì)溶液，所以很少用于橋梁索結(jié)構(gòu)（如斜拉索）高強(qiáng)度鋼絲的腐蝕保護(hù)。然而，雨水在降雨條件下會積聚在電纜表面并形成水溝，這種雨水水溝可以用作高強(qiáng)度鋼絲ICCP系統(tǒng)的電解質(zhì)溶液，所以在此基礎(chǔ)上提出了降雨環(huán)境下高強(qiáng)鋼絲的ICCP防腐方法，并在模擬動態(tài)雨水環(huán)境中研究了不同保護(hù)電流密度對斜拉索鋼絲腐蝕速率的影響。結(jié)果表明：與未加保護(hù)的鋼絲相比，有ICCP保護(hù)的鋼絲表面在腐蝕試驗后更平整，腐蝕坑數(shù)量和尺寸顯著減少，腐蝕速率顯著降低。因此，ICCP在整個試驗期間都發(fā)揮著保護(hù)作用;但不同流量下保護(hù)效率略有不同。在0.7mL/min的流速下，鋼絲在任何保護(hù)電流密度下都能得到有效保護(hù)，而在7mL/min和14mL/min的流速下，保護(hù)電流密度為20mA/m2時，腐蝕速率仍隨時間顯著增加，當(dāng)保護(hù)電流密度達(dá)到60mA/m2時鋼絲才能得到有效保護(hù)。

圖22  文獻(xiàn)^[36]中在不同電流條件下28℃腐蝕20天后的平均腐蝕率

圖23  文獻(xiàn)^[37]中的纜索除濕系統(tǒng)

新型防腐涂層是近年來研究熱點，高性能的涂層有更強(qiáng)的防腐蝕性能和耐久性，近期有許多新開發(fā)的涂層材料被應(yīng)用與鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)和維護(hù)中。

王濤等^[38]通過對多元素粉末共滲、不含重金屬的水性硅酸鹽鈍化液鈍化和調(diào)色封閉成套技術(shù)（PCA）的研究，開發(fā)出一種以PCA方法進(jìn)行防腐處理的鋼材并進(jìn)行防腐蝕試驗，結(jié)果顯示:經(jīng)多元素粉末共滲技術(shù)處理后的鋼構(gòu)件，其表面共滲層為含鋅、鐵、鋁元素的合金層，與基體結(jié)合緊密;使用不含重金屬的硅酸鹽鈍化液在共滲工件表面形成鈍化膜，對工件表面滲層缺陷具有良好的修復(fù)與鈍化能力。鈍化處理的共滲樣品具有良好的耐鹽霧性能，鈍化后樣品鹽霧1200h未見紅銹;使用水性單組分烤漆對試樣進(jìn)行封閉處理可以提高其耐腐蝕性能和耐老化性能;經(jīng)過PCA技術(shù)處理的鋼橫梁整體耐中性鹽霧可達(dá)1200h以上。通過現(xiàn)場2年多的實際使用，效果良好。

喬娟等^[39]對一種公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)專用重防腐底漆進(jìn)行了研究，該底漆以雙酚A型環(huán)氧樹脂、聚四氫呋喃200、聚酰胺等為原料。并且合成了一種新型電位添加劑，將該電位添加劑與鋅粉適配后，漆膜的耐鹽霧性能會大大提高，鋅粉含量越高，底漆耐鹽霧性越好，但鋅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過80%時，底漆力學(xué)強(qiáng)度有所下降。試驗對該漆膜的力學(xué)性能、耐鹽霧性能進(jìn)行了測定和分析，結(jié)果表明該底漆的不揮發(fā)分、適用期、彎曲性能、耐沖擊性、耐鹽霧性能等性能指標(biāo)均好于普通底漆。在防止銹蝕方面有明顯改善。綜合評價該底漆綜合性能要優(yōu)于普通底漆。

Li, M L等^[40]通過3-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）與α-磷酸鋯（α-ZrP）的共價反應(yīng)，制備了一種新型的α-ZrP有機(jī)衍生物磷酸鋯/3-氨丙基三乙氧基硅烷納米復(fù)合材料（K-ZrP）。通過優(yōu)化配方制備了水性環(huán)氧防腐復(fù)合涂料，并將其應(yīng)用于Q235鋼基體上。KH550可以實現(xiàn)納米填料、聚合物基體和基體之間的交聯(lián)，改善無機(jī)填料顆粒在聚合物基體中的分散性。表征結(jié)果表明，引入含胺端基的KH-550可有效改善環(huán)氧樹脂基體與ZrP納米片的相容性，進(jìn)而提高水性環(huán)氧防腐涂料的性能。根據(jù)電化學(xué)測試結(jié)果，涂有以K-ZrP為功能填料的水性環(huán)氧復(fù)合涂層（KWEPc）的Q235鋼基體的腐蝕速率（每年4.3x10^-6毫米）與不添加任何顏料的水性環(huán)氧涂料（WEPc）（每年4.54x10^-5毫米）相比顯著降低，防腐性能提高大約10倍。

圖24  文獻(xiàn)^[40]中水性環(huán)氧防腐復(fù)合涂料的制備流程

葉黎鵬^[41]根據(jù)目前防腐技術(shù)，選取3種典型橋梁鋼結(jié)構(gòu)大氣區(qū)防腐涂層配套對比，按ISO 12944-9：2017進(jìn)行4200h循環(huán)老化測試。得出結(jié)論三種涂層均能滿足規(guī)范CX級別防腐的要求。在工程實例廈門第二東通道鋼箱梁外表面的應(yīng)用中，對比實驗的三種涂層組合的結(jié)果，選用第二種方案，采用環(huán)氧富鋅底漆、環(huán)氧云鐵中間漆和氟碳面漆的方案，氟碳涂料由于氟元素的電負(fù)性大，C－F鍵長短、鍵能強(qiáng)而不容易在紫外光的照射下斷裂，具有優(yōu)異的耐老化性，其涂層表面能較低，漆膜堅韌，耐沖擊性、耐磨性和抗屈曲性等力學(xué)性能較好，對于長期行車而產(chǎn)生應(yīng)力的橋梁而言具有顯著優(yōu)勢，此外，氟碳涂料與環(huán)氧云鐵中間漆具有良好的配套性。綜合成本和性能來講適合作為該工程實例的防腐涂層使用。

孫大斌^[42]重點研究石墨烯鋅底漆涂層的耐鹽霧性能，并開展了相關(guān)試驗。試驗設(shè)計的樣板涂層厚度均為25µm，干膜鋅含量均為60%，石墨烯含量分別為0%、0.1%、0.2%、0.5%、1%，其余配方完全一致。試驗結(jié)果表明：不添加石墨烯的樣板涂層樣板耐鹽霧24h劃痕處有紅銹，400h樣板表面起泡嚴(yán)重，不能對樣板達(dá)到很好的保護(hù)效果。添加石墨烯后，可有效提高涂層的耐鹽霧性能，隨著石墨烯添加量的增加，涂層的耐鹽霧性能逐漸變好，但當(dāng)石墨烯添加量達(dá)到1%時，過量的石墨烯以及其高比表面積會造成涂層孔隙率增大，涂層耐鹽霧性能變差。實際使用后檢測發(fā)現(xiàn)：厚度80µm的石墨烯鋅底漆涂層耐鹽霧性能試驗4500h，樣板表面無起泡、無生銹、無開裂、無剝落，劃痕處24h無紅銹，其他各項性能指標(biāo)均滿足或優(yōu)于鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)要求。涂層耐人工加速老化性能試驗6800h，漆膜無明顯變色、無粉化、無開裂、無起泡、無生銹、無剝落，保光率≥90%，新型石墨烯鋅基氟碳超耐久防腐涂裝體系防腐性能優(yōu)異，設(shè)計防護(hù)年限可達(dá)30～50年。研究成果可應(yīng)用于不同大氣腐蝕環(huán)境下鐵路橋梁及其他領(lǐng)域的鋼結(jié)構(gòu)長效防腐涂裝設(shè)計。

圖25  文獻(xiàn)^[42]中不同石墨烯添加量的底漆耐鹽霧性能

佘安宇等^[43]對高分子彈性密封材料在鋼結(jié)構(gòu)防腐的應(yīng)用進(jìn)行了研究。高分子彈性密封材料具有優(yōu)異的密封性和彈性，使用后能隔離水、酸、堿、鹽等環(huán)境對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕，相比傳統(tǒng)油漆材料的脆性防腐，具有更長的有效使用壽命，被越來越多地用于橋梁鋼結(jié)構(gòu)的防腐密封。目前，橋梁領(lǐng)域用于鋼結(jié)構(gòu)彈性防腐密封材料依據(jù)主體材料結(jié)構(gòu)可分為聚硫密封材料、硅改性聚醚密封材料、改性聚硫密封材料三類，選取了采用這三種材料進(jìn)行防腐處理的試件并進(jìn)行測試。綜合測試數(shù)據(jù)得出：聚硫、硅改性聚醚和改性聚硫三種材料結(jié)構(gòu)中，聚硫密封材料的本體防水密封性明顯優(yōu)于硅改性聚醚和改性聚硫結(jié)構(gòu)密封材料，彈性密封材料主體結(jié)構(gòu)相同時，配方組成也會影響與鋼結(jié)構(gòu)的防腐密封效果。所以，充分結(jié)合工程工況評估彈性防腐密封材料的本體密封性和老化耐久性能，進(jìn)行合理選材，才能切實提高橋梁工程的防腐質(zhì)量及有效年限。

董鑫等^[44]結(jié)合乍浦港大橋的實例，在C5-X腐蝕環(huán)境下采用了一種石墨烯改性重防腐涂層，對該涂層2年運營后的性能評價綜合等級進(jìn)行了評估。石墨烯是碳原子以特殊方式排列組成的新型二位片狀材料，理論直徑只有0.335nm，具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和光學(xué)性能。采用環(huán)氧石墨烯鋅底漆、環(huán)氧石墨烯中間漆、碳氟面漆的涂裝方案，在橋梁通車運行兩年后，對大橋表面防護(hù)涂層的防護(hù)性能進(jìn)行監(jiān)測，檢測指標(biāo)包括涂層外觀、附著力、漆膜厚度、耐老化性能等，綜合比較后認(rèn)為該橋梁對乍浦港大橋鋼箱梁防護(hù)性能良好。

圖26  文獻(xiàn)^[43]中涂層老化24個月后與涂裝前光澤對比測試數(shù)據(jù)

圖27  文獻(xiàn)^[45]中波形鋼腹板表面涂層磨蝕率分布云圖

趙富康^[46]通過ANSYS模擬鋼混組合梁防腐涂層在汽車活載等疲勞應(yīng)力作用下表面漆層的變化，得出改變防腐質(zhì)量的影響因素主要有溫度循環(huán)次數(shù)、溫變荷載和靜應(yīng)力有關(guān)，不同工況的面漆、中間漆和底漆涂層附著力隨溫度循環(huán)次數(shù)的增大呈減小趨勢；靜應(yīng)力和溫變荷載對鋼-混組合梁面漆涂層的劣化影響較大，無靜載作用下的面漆涂層僅在溫度循環(huán)下的附著力減少了近30%，0.7倍屈服荷載下中間漆附著力較無靜載條件下降低一半左右。將鋼混組合梁簡化設(shè)計實驗試件，在環(huán)境模擬試驗箱中模擬靜載作用下由于環(huán)境溫差導(dǎo)致的涂層的劣化過程，總結(jié)了影響涂層附著力的因素主要為靜載大小和溫度循環(huán)次數(shù)，提出了一個可以預(yù)測鋼混組合梁涂層使用壽命的公式。通過推導(dǎo)的涂層剩余壽命預(yù)測公式，可預(yù)測鋼-混組合梁涂層在實際靜荷載與溫變疲勞耦合作用下的使用壽命及力學(xué)性能。

Anseob Shin等^[47]研究了有機(jī)涂層在暴露于直接熱源后的降解情況，包括涂層的外觀、表面形貌、有機(jī)結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、熱特性和阻抗。材料色差(DE)在300℃時迅速增加，在400℃時，光澤值迅速下降，在300℃時，部分區(qū)域發(fā)生樹脂溶脹和表面變形，導(dǎo)致表面形貌發(fā)生變化。在400℃聚合物炭化引發(fā)后，氟面漆被除去。在400℃以上，涂層的破壞程度迅速增加，說明與熱源直接接觸會導(dǎo)致樹脂熔化，從而在加熱的早期發(fā)生表面變形。有機(jī)成分分析也證實了300°c以上涂層的降解行為。對比TGA和DTG曲線，發(fā)現(xiàn)涂層的黃變和碳化分別是在280℃和388℃時檢測到的第一次和第二次質(zhì)量變化引起的。黃變和炭化與硬度和彈性模量的增加同時發(fā)生，這是由于低分子量物質(zhì)(如增塑劑和溶劑)的減少導(dǎo)致聚合物流動性降低，從而增加了模量和硬度。電路模型的等效電路和阻抗特性的變化表明在400℃開始的降解導(dǎo)致涂層材料失去了其屏障性能。

圖28  文獻(xiàn)^[47]中對涂層加熱后的熱成像和高清形貌變化

唐壽洋^[48]利用理論分析和數(shù)值模擬的方法，對不同防腐維護(hù)策略作用下，鋼橋全壽命周期成本和結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行了深入分析。首先，基于等體積原理，通過將局部區(qū)域涂層鋼材腐蝕量等效為鋼構(gòu)件表面平均腐蝕深度，提出涂層降解與鋼材腐蝕同步發(fā)生的涂層鋼材腐蝕分析模型。利用MATLAB有限元工作平臺，基于設(shè)計驗算點法，編寫結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)分析程序。在四種防腐維護(hù)策略作用下，分析波形腹板鋼箱-混凝土組合簡支箱梁和波形腹板鋼箱-混凝土組合連續(xù)箱梁的結(jié)構(gòu)可靠性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)涂層降解率達(dá)到10%時，進(jìn)行一次局部修補(bǔ)涂裝維護(hù)，對涂層鋼橋結(jié)構(gòu)可靠性最有利。基于這種維護(hù)策略建立鋼橋全壽命周期成本分析模型，隨車流量增加成本也會增加，每次進(jìn)行局部修補(bǔ)涂裝對涂層鋼橋運營服役期成本現(xiàn)值最有利，全壽命周期成本現(xiàn)值增加最少。對比分析涂層鋼橋全壽命周期成本現(xiàn)值和A1010免涂裝耐候鋼橋全壽命周期成本現(xiàn)值。由于A1010免涂裝耐候鋼橋在營運過程中很少進(jìn)行防腐維護(hù)，其全壽命周期成本現(xiàn)值主要由建設(shè)投資期成本現(xiàn)值組成，后期維護(hù)成本低，考慮物料價格和人工價格變化因素，耐候鋼全壽命的資金投入或許比傳統(tǒng)鋼材更加經(jīng)濟(jì)。

葉明坤等^[49]經(jīng)過對比與優(yōu)選，綜合對比了針對自錨式懸索橋錨固系統(tǒng)腐蝕維護(hù)的幾個方案，包括油漆防腐、金屬噴涂防腐、鋼結(jié)構(gòu)氧化聚合型包覆防腐蝕。結(jié)果認(rèn)為采用鋼結(jié)構(gòu)氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)作為錨固部件的腐蝕維護(hù)，可達(dá)到有銹除銹，無銹防銹的作用與目的。氧化聚合型包覆主要由防蝕膏、防蝕帶及外防護(hù)劑三層配套體系組成；防蝕膏有鐵銹轉(zhuǎn)化因子，可將鐵銹轉(zhuǎn)化為性能穩(wěn)定結(jié)構(gòu)致密的螯合物，螯合物本身就是腐蝕保護(hù)層；因此可帶銹施工。防蝕帶是在柔軟織物浸積特殊調(diào)制防蝕材，具有良好的隔離與屏蔽功能，并具備400N/m的粘接力，施工后，粘貼在金屬結(jié)構(gòu)表面的一側(cè)，永久保持為非固化、柔軟的彈性狀態(tài)，從而達(dá)到最佳的隔離封閉效果。該技術(shù)具有成熟技術(shù)、防腐效果顯著，耐候性、耐老化性能突出，防腐壽命長；表面處理要求低，可帶銹施工；附著性和柔韌性好，位移追隨性、拉伸性能好，振動不開裂不脫落；綠色環(huán)保，無味無毒無污染；施工便捷，后期需要維護(hù)少等優(yōu)點。

隨著我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)尤其是一些大跨度、超大跨度橋梁工程的推進(jìn)，橋梁高質(zhì)量建造、長壽命服役以及全生命周期成本越來越受到重視，其中鋼橋腐蝕與防腐技術(shù)也受到了更多的關(guān)注。結(jié)合本文介紹的各方面，進(jìn)展和展望如下：

（1）鋼橋腐蝕損傷機(jī)理方面，鋼材腐蝕的理論基礎(chǔ)已經(jīng)較為完善，規(guī)范中對于不同腐蝕環(huán)境的設(shè)計要求也有明確的規(guī)定。隨著橋梁服役環(huán)境日益復(fù)雜，對于高寒、高鹽地區(qū)以及濕熱地區(qū)鋼橋腐蝕行為，以及纜索、錨室等內(nèi)外環(huán)境差異顯著的結(jié)構(gòu)，需要針對其腐蝕環(huán)境、腐蝕作用開展進(jìn)一步研究；另外高強(qiáng)橋梁鋼、超高強(qiáng)纜索鋼絲等材料在現(xiàn)代橋梁中應(yīng)用日益增多，其腐蝕損傷機(jī)理與一般橋梁鋼材差異如何尚待進(jìn)一步厘清；橋梁腐蝕往往與應(yīng)力狀態(tài)及其他環(huán)境作用相耦合，對于多種環(huán)境條件、環(huán)境-荷載耦合作用以及異種鋼材配合下的腐蝕損傷機(jī)理有待進(jìn)一步明確。

（2）關(guān)于腐蝕檢測技術(shù)方面，目前研究熱點是基于圖像處理的表面銹蝕檢測和基于電磁原理的內(nèi)部腐蝕檢測。圖像處理技術(shù)方面，得益于計算機(jī)技術(shù)和人工智能的發(fā)展，圖像處理的效率和精度都在迅速提高，對于非暴露區(qū)域的圖像獲取是該技術(shù)應(yīng)用的難點。電磁檢測技術(shù)對于鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷檢測具有一定的精度，并在實際的工程結(jié)構(gòu)中開展了實驗性的應(yīng)用，其檢測精度有待進(jìn)一步提高。大型鋼橋中越來越多設(shè)置環(huán)境調(diào)控裝置以防范、控制腐蝕發(fā)展，其中腐蝕速率監(jiān)測為環(huán)境調(diào)控裝置的有效運行提供前置參數(shù)，目前亟需發(fā)展高精度實時腐蝕監(jiān)測技術(shù)。

（3）耐蝕材料方面，耐候鋼和高性能鋼材的使用，仍是近期的熱點研究方向。針對耐候鋼性能提升和能適應(yīng)不同環(huán)境的耐候鋼的開發(fā)是近年的研究趨勢。通過對鋼材中添加金屬元素含量的改良，逐步提高耐候鋼的防腐性能指標(biāo)。試驗也證明耐候鋼的性能要高于傳統(tǒng)鋼材，目前也有關(guān)于耐候鋼使用成本的研究，隨著市場價格因素的變化，耐候鋼大范圍應(yīng)用的可能性也越來越樂觀。

（4）橋梁防腐技術(shù)方面，目前研究的熱點集中于新型涂層的開發(fā)，各類涂層的區(qū)別比較明顯，具有各自不同專長的防腐方面，在性能上與現(xiàn)有涂料對比有提升。對于已經(jīng)建成的鋼結(jié)構(gòu)橋梁來說，后期維護(hù)保養(yǎng)仍以涂層的修補(bǔ)為主，對于新建于環(huán)境溫和地區(qū)的橋梁來說，以低碳鋼配合防腐涂層仍是最經(jīng)濟(jì)的方案。針對纜索結(jié)構(gòu)和鋼箱、鋼塔、鋼柱等結(jié)構(gòu)，采用除濕系統(tǒng)可有效防止腐蝕，對于長大橋梁結(jié)構(gòu)，如何提高除濕系統(tǒng)的可靠性與耐久性，涉及土木工程、電子電氣、信息技術(shù)等多學(xué)科交叉研究，有較大的發(fā)展與應(yīng)用前景。