耐候鋼在橋梁工程的應(yīng)用綜述

孫超 趙佩元 魏慶輝 宋功譚

摘要 耐候鋼不僅能降低橋梁結(jié)構(gòu)全壽命周期內(nèi)的建設(shè)和管養(yǎng)成本，還可以在橋梁達(dá)到壽命周期后鍛造回收。文章闡述了國內(nèi)外耐候鋼的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，并分析了我國耐候鋼的現(xiàn)狀及應(yīng)用前景。目前在歐洲及美、日等國已經(jīng)具備了較為完善的耐候鋼應(yīng)用規(guī)范，并取得了一定進(jìn)展。我國耐候鋼橋梁發(fā)展較晚，規(guī)范應(yīng)用尚未健全，文章對耐候鋼橋梁的應(yīng)用進(jìn)行研究。基于分析結(jié)果，研究耐候鋼在橋梁工程中的適用性及特點(diǎn)，以便指導(dǎo)具體橋梁設(shè)計(jì)及施工。

關(guān)鍵詞 耐候鋼；耐腐蝕；橋梁

中圖分類號 TU392文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）02-0087-03

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)因其優(yōu)越的性能而被廣泛應(yīng)用于我國的基礎(chǔ)建設(shè)，鋼材的腐蝕會(huì)為鋼結(jié)構(gòu)帶來很大的安全隱患。鋼材腐蝕是指鋼材與周圍環(huán)境（介質(zhì)）之間發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用而引起的破壞或變質(zhì)，主要有大氣腐蝕、局部腐蝕和應(yīng)力腐蝕三種形式。

根據(jù)工業(yè)發(fā)達(dá)國家統(tǒng)計(jì)，每年由于鋼材腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約占GDP的2%～4%，目前全球鋼材腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失已經(jīng)高達(dá)萬億美元。基于以上原因，發(fā)展更耐腐蝕的鋼材技術(shù)，節(jié)省維護(hù)管養(yǎng)費(fèi)用，提高鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命顯得尤為重要。

1 目前鋼結(jié)構(gòu)常用的防腐措施

（1）涂層法：在鋼結(jié)構(gòu)表面噴涂具有耐腐蝕的涂料，公路工程、鐵路工程中根據(jù)防腐等級均有明確規(guī)范要求。因其工藝簡單，在鋼鐵行業(yè)中一直被廣泛使用，但因涂層的老化及環(huán)境影響，需進(jìn)行定期維護(hù)，涂層使用年限一般在10年左右，且因現(xiàn)場涂裝，涂層質(zhì)量不易控制。

（2）加強(qiáng)涂層法：在鋼結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行鍍鋅處理，防腐年限一般為20～50年，常用于暴露在大氣環(huán)境中且不易維修的大型室外結(jié)構(gòu)，如電力塔、通信塔。

（3）陰極保護(hù)法：即電化學(xué)保護(hù)方法，一般用于水下鋼結(jié)構(gòu)。

（4）耐候鋼：通過鋼結(jié)構(gòu)自動(dòng)形成一層致密的銹層保護(hù)膜，防止銹層的繼續(xù)侵蝕[1]。通過在鋼材中添加銅、鉻、鎳等合金元素，在鋼材表面形成一層致密的保護(hù)銹層，保護(hù)基體不受銹蝕，減緩鋼材的腐蝕速度，耐候鋼的銹層會(huì)隨著時(shí)間變得更為牢固，而普通鋼板銹層會(huì)隨著鋼材的銹蝕膨脹、脫落。

2 耐候鋼的發(fā)展

歐美發(fā)達(dá)國家起步應(yīng)用較早，在耐候鋼的制造、設(shè)計(jì)、安裝以及后期維護(hù)等方面形成了一套完善的規(guī)范，已經(jīng)廣泛適用于鋼結(jié)構(gòu)橋梁。1964年，美國首次將耐候鋼應(yīng)用在新澤西高速公路橋梁中，1977年建成當(dāng)時(shí)世界上最高的上承式耐候鋼拱橋——New River Gorge Bridge，日本、德國、英國也分別于1967年、1969年、1970年將耐候鋼應(yīng)用到橋梁建設(shè)中去，到目前為止已完成大量耐候鋼橋梁建設(shè)，取得了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

我國耐候鋼的研究應(yīng)用發(fā)展較晚，對于耐候鋼鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究和施工經(jīng)驗(yàn)均較為缺乏，但隨著國家大力推進(jìn)交通強(qiáng)國和“一帶一路”戰(zhàn)略，以及諸如港珠澳大橋、川藏鐵路等超級工程的實(shí)施，這一現(xiàn)象已經(jīng)大為改觀。1991年中國第一座采用涂裝的耐候鋼橋——巡司河鋼橋投入使用；2021年6月，我國首座大跨度免涂裝耐候鋼公路橋——懷來大橋正式通車，如圖1所示。同月，我國第一座免涂裝耐候鋼鐵路橋——拉林鐵路采用430 m中承式鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)藏木雅魯藏布江大橋正式通車運(yùn)營[2]，如圖2所示。

免涂裝高強(qiáng)度耐候鋼橋梁的應(yīng)用，降低了整個(gè)壽命周期范圍內(nèi)的使用成本，耐候鋼雖然造價(jià)比普通鋼材高一些，但從全周期角度考慮，鋼材的壽命和維護(hù)費(fèi)用明顯低于普通鋼材及其涂裝維護(hù)費(fèi)用。根據(jù)國外的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對比耐候鋼橋梁，普通鋼結(jié)構(gòu)橋梁全生命周期的投入費(fèi)用和使用周期是正相關(guān)的，使用周期越長，耐候鋼的經(jīng)濟(jì)效果越好，在整個(gè)周期過程中，普通鋼橋的費(fèi)用約為耐候鋼橋梁的1.5～2倍。

3 耐候鋼的應(yīng)用研究

普通碳素鋼含有活性較低的元素，在高溫、高濕環(huán)境下與鐵元素發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，引起鋼材銹蝕，并且不斷發(fā)生疏松、膨脹、脫落，繼續(xù)銹蝕的不間斷反應(yīng)，直至鋼材徹底破壞，而耐候鋼結(jié)構(gòu)具有較好的耐腐蝕性能，能有效地減緩鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕速度及進(jìn)程。

目前關(guān)于耐候鋼銹層的保護(hù)機(jī)理主要有三種解釋：

（1）耐候鋼銹層相比普通銹層的孔洞更小，從而防止銹層進(jìn)一步侵蝕。

（2）鐵二元合金通過氮?dú)馕降玫降匿P層孔洞結(jié)構(gòu)，通過添加鎳和鉻等元素使銹層顆粒更加細(xì)小，從而提高銹層防腐能力。

（3）耐候鋼銹層具有陽離子選擇性滲透性能，阻礙Cl_離子等陰離子的侵入，從而使銹層具有保護(hù)性能。

耐候鋼在銹蝕的過程中，會(huì)在鋼材表面形成致密、穩(wěn)定的銹層，主要成分為納米顆粒的α-FeOOH，阻滯了銹蝕的繼續(xù)進(jìn)行，并在后期長時(shí)間保持滿足強(qiáng)度的銹層厚度，維持鋼結(jié)構(gòu)橋梁基體性能的穩(wěn)定。耐候鋼銹層的自然形成會(huì)是一個(gè)長時(shí)間的過程，一般會(huì)持續(xù)3～10年的時(shí)間，并且在銹層的形成過程中會(huì)有銹水流下，為加快銹層的形成，保證銹層質(zhì)量，可以采用相應(yīng)的銹層穩(wěn)定劑。穩(wěn)定劑不得含有強(qiáng)酸性物質(zhì)，pH值的取值范圍應(yīng)為2.5～8.0，加速催化耐候鋼表面形成一層細(xì)致、均勻、穩(wěn)定的保護(hù)性銹層。

根據(jù)國內(nèi)外的現(xiàn)行規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)前需根據(jù)大氣潮濕時(shí)間、污染物及橋址環(huán)境明確環(huán)境腐蝕等級，評定是否需要使用涂裝，并確定鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性損耗厚度。耐候鋼的設(shè)計(jì)流程見圖3。

我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)引用了美國研究人員Legault和Leckie基于化學(xué)成分的耐大氣腐蝕性指數(shù)[3]。

I=26.01（%Cu）+3.88（%Ni）+1.2（%Cr）+1.49（%Si）+17.28（%P）?7.29（%Cu）（%Ni）?9.10（%Ni）（%P）?33.39（%Cu）2

免涂裝耐候鋼大氣腐蝕性指數(shù)應(yīng)不小于6.5，涂裝耐候鋼耐大氣腐蝕性指數(shù)應(yīng)不小于6.0。指數(shù)越大，鋼材的耐腐蝕性能越好。

免涂裝耐候鋼的厚度=耐候鋼計(jì)算厚度+鋼板損耗厚度，鋼板的損耗厚度會(huì)在后期的鋼材腐蝕過程中逐漸消耗掉，不參與結(jié)構(gòu)的計(jì)算。鋼板厚度選擇時(shí)，要保證耐候鋼橋梁在整個(gè)使用生命周期內(nèi)，銹層不侵蝕到計(jì)算鋼板厚度范圍。

在大氣環(huán)境下，免涂裝耐候鋼板厚度損耗量可由以下公式計(jì)算[4]：

Y=0.73×α×C×β×X （1）

式中，Y——板厚減少量（mm）；X——暴露時(shí)間（年）；α、β——由空氣中鹽分含量0.1 mdd以下的數(shù)據(jù)求得的常數(shù)；C——空氣中的鹽分含量。

且損耗量不得小于以下值（見表1）：

耐候鋼橋梁應(yīng)保證能夠及時(shí)排水，特別是涉鐵橋梁，上跨鐵路跨要及時(shí)將橋面排水排至相鄰跨，既避免了排水對下方道路造成的影響，又解決了鋼材耐久性的問題，主要有以下幾個(gè)需要注意的方面：

（1）伸縮縫：參考?xì)W洲、美國等的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，伸縮縫位置處是耐候鋼橋梁發(fā)生嚴(yán)重腐蝕的重要原因，為避免局部腐蝕影響結(jié)構(gòu)安全，可以采用非排水型伸縮縫，并于伸縮縫1.5倍的梁高范圍內(nèi)需要進(jìn)行涂裝處理。

（2）橋面排水：使用加強(qiáng)型橋面防水層，避免雨水對橋面板的腐蝕；采用非金屬結(jié)構(gòu)雨水管，防止耐候鋼與碳素鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電勢差，形成電化學(xué)腐蝕。同時(shí)，雨水管要伸入鋼梁底板以下，防止雨水侵蝕鋼板。

（3）梁端：梁端排水、通風(fēng)較差，也是容易發(fā)生腐蝕的重要位置，可采用防水措施或者槽口處理，梁端至橋臺前部涂裝并不小于梁高的1.5倍。為方便通風(fēng)和檢查，腹板在梁端應(yīng)設(shè)置切口。

（4）底板及翼緣的截排水：應(yīng)設(shè)置排水坡度及截水鋼板，防止底板及翼緣排水流入跨中位置，較低一側(cè)下翼緣距離支座30 cm處應(yīng)設(shè)置相同耐候鋼制成的止水條。

（5）防飛濺：當(dāng)橋址位置處附近有其他高橋梁或者高山等，有水流能飛濺到橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，不適宜采用普通耐候鋼橋梁，要加強(qiáng)防銹處理措施或者采用涂裝耐候鋼橋梁結(jié)構(gòu)。

耐候鋼結(jié)構(gòu)耐腐蝕能力較強(qiáng)，但也不是適用于所有環(huán)境。因此，需要根據(jù)環(huán)境及設(shè)計(jì)需求，合理選擇適合的結(jié)構(gòu)形式。耐候鋼的使用需要考慮橋位處環(huán)境，耐候鋼橋梁適用于干濕交替變化的環(huán)境、通風(fēng)條件良好的情況以及多雨及空氣濕度較高的環(huán)境。而對于梁底標(biāo)高與河道高度小于2.5 m的橋梁以及大量使用除冰鹽、融雪劑等高氯離子環(huán)境下，一般不適用于耐候鋼結(jié)構(gòu)，如需采用，需要根據(jù)環(huán)境要求對耐候鋼材料進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)并采用涂裝處理。

4 耐候鋼銹蝕程度的評價(jià)

耐候鋼橋梁的銹蝕常規(guī)檢查以目視為主，定期檢查時(shí)應(yīng)采用超聲波測厚儀測量鋼板厚度，避免鋼板銹層損失超過鋼板預(yù)留量。對于耐候鋼腐蝕評價(jià)等級的評定，我國在美國艾奧瓦州及日本建設(shè)省土木研究所等相關(guān)研究基礎(chǔ)上，提出了要求：

等級1：銹蝕出現(xiàn)層狀、片狀膨脹剝離，大小＞25 mm，銹層厚度＞800 μm。

等級2：銹蝕呈現(xiàn)魚鱗狀，大小在5～25 mm范圍內(nèi)，銹層厚度≤800 μm。

等級3：銹蝕粗糙，不細(xì)膩，大小在1～5 mm范圍內(nèi)，銹層厚度＜400 μm。

等級4：銹蝕均勻，細(xì)膩，大小在1 mm以下，銹層厚度＜400 μm。

等級5：銹蝕致密，細(xì)膩，銹層厚度＜200 μm。

當(dāng)耐候鋼評價(jià)在高于等級3的情況下，橋梁無須采用額外措施；當(dāng)達(dá)到等級2時(shí)，要加強(qiáng)橋梁檢測頻率，并持續(xù)觀察隨后的銹蝕發(fā)展；當(dāng)銹蝕達(dá)到等級1時(shí)，需要明確銹蝕層厚度是否超過設(shè)計(jì)要求，不滿足時(shí)，需要對耐候鋼橋梁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修補(bǔ)，并進(jìn)行腐蝕監(jiān)控。對出現(xiàn)的等級1、等級2耐候鋼橋梁，需要對腐蝕嚴(yán)重的耐候鋼進(jìn)行打磨并涂裝處理。

5 耐候橋梁的養(yǎng)護(hù)

常規(guī)養(yǎng)護(hù)：對于使用除冰鹽區(qū)域、表面有雜物堆積和遭到洪水、泥石流、滑坡、臺風(fēng)以及漂流物沖擊的耐候鋼橋梁，應(yīng)采用不超過0.4 MPa的低壓水對鋼梁表面進(jìn)行清洗。

加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)：當(dāng)螺栓與鋼梁接觸位置產(chǎn)生腐蝕、耐候鋼腐蝕評價(jià)達(dá)到等級2以上和耐候鋼腐蝕量超過預(yù)留銹層厚度時(shí)，需要將耐候鋼清理至粗糙度Rz40～60 μm、清潔度Sa1/2級或St3級，并進(jìn)行涂裝處理。

6 腐蝕設(shè)計(jì)方法展望

下一步可以根據(jù)各地自然環(huán)境，繼續(xù)加強(qiáng)不同性質(zhì)的耐候鋼結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用，形成一套切實(shí)可行的適用標(biāo)準(zhǔn)，并逐漸推廣應(yīng)用。特別是對于維修保養(yǎng)困難的上跨鐵路、公路橋梁的應(yīng)用具有廣泛的前景，可以有效減少維修周期及養(yǎng)護(hù)成本，減少對行車的影響，具有極大的推廣價(jià)值。

7 結(jié)論

通過對比中外耐候鋼橋梁應(yīng)用的研究情況，得出以下結(jié)論：

（1）耐候鋼具有較好的耐腐蝕性能，能夠適用鋼結(jié)構(gòu)橋梁的使用環(huán)境，具有較好的力學(xué)性能。

（2）免涂裝耐候鋼前期建設(shè)成本較高，在全橋梁生命周期范圍內(nèi)可以有效降低成本。對于我國來說，耐候鋼在投資、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的研發(fā)使用、運(yùn)營期間的維護(hù)成本，以及節(jié)能環(huán)保等方面均具有很大的優(yōu)勢，具有極大的推廣價(jià)值。

（3）未來仍需根據(jù)不同的使用環(huán)境，研究不同耐腐蝕性能的高性能鋼結(jié)構(gòu)，并完善相關(guān)規(guī)范、規(guī)章使用要求，為進(jìn)一步推廣耐候鋼的應(yīng)用做好理論鋪墊。

參考文獻(xiàn)

[1]張啟富， 郝曉東. 鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)現(xiàn)狀和發(fā)展[J]. 中國建筑金屬結(jié)構(gòu)， 2006（9）： 22-26.

[2]林鵬飛， 楊忠民， 陳穎， 等. 耐候鋼銹層及其穩(wěn)定化處理現(xiàn)狀[J]. 鋼鐵， 2021（3）： 58-65.

[3]北京交通大學(xué)，廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院. 公路耐候鋼混凝土組合橋梁技術(shù)規(guī)程： T/CECS G： D60-31-2020[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2021.

[4]耐候鋼橋梁技術(shù)規(guī)程： DB14/T 1864—2019[S]. 太原：山西省市場監(jiān)督管理局， 2019.

收稿日期：2023-11-27

作者簡介：孫超（1992—），男，碩士，工程師，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究。