浅谈耐候性钢桥的应用以及设计要点

摘要：钢材作为桥梁结构中的一种主要材料，有着悠久的历史并且在桥梁建设中发挥着极其重要的作用。然而锈蚀又是钢桥的一大弱点，影响着其优势的发挥。耐候钢的出现和使用，弥补了钢材作为桥梁材料的不足，为钢桥的发展带来了新的生机。

关键词：耐候性；钢桥；应用；设计

Abstract: As a main material in the bridge structure, the steel has a long history and plays an important role in the bridge construction. However, corrosion is a big weakness of steel bridge, and affects the advantages. While the emergence and application of weathering resistant steel make up the shortcomings of the common steel used as a bridge materials, and bring new development for steel bridge.

Keywords: weathering resistance; steel bridge; application; design

中图分类号: U448.36 文献标识码：A文章编号：

耐候钢于1 9 6 4年在美国首次应用到公路桥上，现已经在经济发达国家中得到了很大的发展。本文通过介绍耐候钢材的由来和国外的应用状况、以及耐候性钢桥设计上需要注意的要点，希望作为新型钢材的耐候钢可以促进我国公路钢桥的进一步发展，为解决城市日益拥堵的交通状况发挥其重要的作用。

1、耐候性钢材的由来

近年来，钢桥与混凝土桥，特别是与预应力混凝土桥相比较，采用的越来越少。其主要原因之一就是钢的锈蚀问题。锈蚀，不仅给结构物带来损害， 也给工务部门增加了繁重的管理、 维护负担，同时周期性的再涂装也耗费了大量的人力和资金。但是钢桥毕竟还是有混凝土桥无法替代的优点 ：（1）构造轻，下部工负担小。（2）跨度大，材质均匀，潜在安全性高。（3）而且由于是组立构造，在工厂制作，可靠性和品质比较高（4）维修，补修比较容易 （5）架设简便、现场施工工期短 等等。要使钢桥有所发展，必须解决锈蚀问题。人们曾在涂漆的耐久性上动脑筋，使漆的使用期限大大地延长。即便是这样再涂漆仍无法回避，涂装费仍旧很可观，而且无法从根本上消除隐患。因而人们就设想从材质上下功夫，开发出一种不锈蚀的而且一次性造价不宜太高的桥梁用的钢种，即耐候性钢材。这里简单的介绍下术语的定义：（1）耐候性：在大气中耐腐蚀的性能。（2）无涂装使用：不为以后的防锈而进行防锈处理，在附着黑皮状态下或除去黑皮状态下裸使用 （3）无涂装耐候性桥梁：基本不使用涂装的耐候性钢材制作的桥梁（4）安定锈层：在良好环境条件下的耐候性钢材的锈，由红褐色变为褐色 、暗褐色，腐蚀速度也依次变缓 。由此在钢材表面形成致密的附着性好的锈层．将这样的锈层叫作安定锈层。新钢种的出现，不仅要讲实用性，还要讲经济效益。如果没有其实用价值，也就失去了推广的前提。设计桥梁时，不仅要考虑初期建设费用 ，而且还要考虑远期改建、拓宽 、养护等费用，甚至还考虑解体后的废物处理费用， 即确保整个使用期的费用最低为设计原则 。耐候钢由于冶炼工序的增加，材质的一次性投资略高于同等级普通低合金钢， 但从桥梁成品角度看，由于在工厂和现场减少了部件的表面处理和涂料，所以无论是近期还是远期都是具有一定经济效益的。美国的耐候钢与普通钢每吨使用量的造价比较，采用等级50的钢材。耐候钢比普通钢的制造价格高约5% ，但是普通钢的涂漆防护费用却是两者间制造差价3倍 。考虑到使用期间的重新油漆费用比初期油漆费用要高，因此，一般认为从整个使用期间的费用来衡量，耐候钢桥的费用远远低于普通钢桥的费用 。同时日本建设省土木研究所推算的耐候钢桥与普通钢桥的费用指数 ，得出使用60年后的普通钢桥的费用为耐候钢桥的约1.5倍 ，100年后为2倍以上，从整个使用期间的费用来看耐候钢桥显示出较好的经济效果 。

2、耐候性钢材的发展以及国外的应用状况

耐候钢的研制起源于美国。 1 9 0 0年美国人发现，在钢中添加少量的铜，可使钢材的耐腐蚀性提高，因此给这种钢取名为耐候性钢材。从 1 9 1 6年起，美国材料试验协会以及英国钢铁协会组织实施了大规模的钢材耐候性露天试验，获知 Cu、 Cr 、 P等元素对于提高钢材耐候性最有效 ；Ni 、 Mo、 Al 、 V、 Ti 等元素也有一定的效果。通过上边术语的定义我们可以知道，耐候钢并不是不发生锈蚀，而是在使用的初期阶段与普通钢一样生锈， 只是两者在其后的锈蚀速度不同而已。普通钢随着锈蚀的进展，锈层膨胀变厚，Fe3O4形成并开始产生裂缝 ；随后锈层发生剥离，从而进一步加剧锈蚀向内部进展。而耐候钢在干燥与潮湿的环境交替变化中，钢材表面上形成由 C u 、 C r 、P等元素浓缩后的致密且连续的安定锈层 。1 9 3 3年美国钢铁公司正式推出了CORTEN-A的低合金耐候钢商品。1 9 5 5年日本开始研发耐候钢。1 9 6 4年美国首次将耐候钢应用到新泽西高速公路的桥梁上。1 9 6 7 年日本开始使用耐候钢（知多2号桥）。德国与英国分别是从1 9 6 9年 、1 9 7 0年开始建造耐候钢桥。之后美国在 1 9 7 7年建成了世界上最大跨度的上承式耐候钢拱桥 ( NewRi v e rGo r g eBr i d g e )， 1 9 8 3年建成耐候钢斜拉桥 ( Mis s i s s i p p iRi v e rBr i d g e ) 。随后耐候钢在桥梁上得到大规模的采用。从整个使用期来衡量，耐候钢桥的费用相对于普通钢桥的费用较低，因此发展前景很好。现在美国的耐候钢桥已经占到全部钢桥的大约50%，日本的耐候钢桥也占到全部钢桥的大约10% 。加拿大在新建的钢桥中有90%是用耐候钢。

3、耐候性钢桥的设计要点

耐候钢锈蚀的主要因素有盐分、硫化物、水分，其中盐分是促使耐候钢表面剥离锈蚀的最大因素 。现已查明盐分主要有从海面飘移的以及路面防冻剂散布的两种情况。另外，大气湿度 、日照量以及通风条件等也影响耐候钢的锈蚀程度 。耐候钢桥所处的地形以及环境较差 、或排水等构造措施设计不当时，与普通钢桥一样也会生锈。为此，许多钢铁公司为了使耐候钢能够在各种条件下应用，近年来努力开发高性能耐候钢 。经济发达地区大都临近海岸， 道路桥梁建设的发展也很快 。海岸耐候钢就是为了使耐候钢能够在这些地区使用而被开发，具有极好的抗锈蚀性能。与以往的耐候钢比较，海岸耐候钢原则上不添加元素 Cr ，而添加 Ni 、Mo 、Ti 等元素 ，具体添加比例如何，各钢铁公司也不相同。

在规划与设计耐候钢桥时 ，必须照顾到对于每个杆件都易于生成稳定的锈层。因此必须充分考虑架桥地点的位置，确保能够处在通风条件好，并且干湿交替变化的环境中。同时，前面已经叙述到，促使耐候钢表面剥离锈蚀的最大因素是从海面飘移的以及路面防冻剂散布的盐分。因此，在设计耐候钢桥时首要考虑盐分的影响 ，其他的设计方法与普通钢桥大体相同。

一般的，钢材即使在同样的大气环境中， 因其所处位置和方向的不同，其腐蚀的状况也显著不同。可以设想，在耐候性钢材表面是否产生安定锈层或者产生安定锈层的时问长短，都因其所处位置和使用方法而不同。这可根据模型结构物的长期曝露试验和对已有的无涂装挢粱观察的结果叙述如下：

（1）雨水直接降在上面且排水良好的部分 ，锈层容易稳定化。

（2）通风良好的内侧的竖直面 、排水良好的水平面的顶面，其稳定化较延迟，但不成问题。

（3）杆件水平肢的下面因结露水的影响．稳定化就迟。而通风良好的较开放部分对稳定化有利 。

（4）杆肢相交的部分，重叠的部分在开放的处所。若通风充分、排水良好，认为是稳定化的锈层。

（5）空气可以流通的闭台断面内部．因易结露水不易干燥，有不稳定的情形

（6）污水，雨水流下飞溅的部分或成为雨水排水道的部分，锈层难于稳定化

（7）积水面完全不稳定，对易于积尘积水的部分，设计上要防止 。

据此，设计时要最大限度地防止或减缓：

a ．泥尘垢的堆积 ；

b． 滞水；

c． 结露水；

d． 因桥面板，伸缩装置，排水管的破损而漏水；

e ．雨水经常性的水道。

根据以上的要求，构造上细节有以下几点 ：

工形梁的下翼缘要设置排水坡度，箱形梁的下翼缘的自由伸出肢宽度要小，以防止积水。

主梁杆件之间，要留有10～20mm的间隙，以便使水容易漏下。

宜避免使用有填板的连接，不得以时填板材料也要使用耐候性钢材，螺栓使用耐候性高强度螺栓。下面的填板要分割，以防止积水。

安装在外侧的加劲肋，其下端设50mm以上的切口，以不影响泄水 。

桥面板要设置高性能的防水层，防止桥面上的漏水 。

排水系统要把排水管口伸到钢梁下翼缘以下，并且确保排水管不漏水。

伸缩装置要使用耐久性好的非排水型的伸缩装置。

梁端周围，容易发生腐蚀，需要额外施加涂装

4、结束语

现在耐候钢在国外已逐步完善起来了。在设计上对锈蚀层的折减计算，疲劳，构造细节加以规定；在钢种上，对耐候钢、耐候焊接材料、耐候高强度螺栓、耐候支座加以严格要求；在特性上，对稳定的锈蚀，腐蚀因素、硬度试验加以周密的分析；在制造、运输、架设上，对耐候钢表面的处理 、清扫、保护、补修等加以严格把关；在经济上，对耐候钢的使用作追踪调查，详细进行经济比较。上述这些工作对我国耐候钢的推广具有一定的提纲式的参考作用。从发展趋势来看，国外已将耐候钢逐渐当作一种普通钢种来广泛使用。它被桥梁界称为“ 不朽的美”。我国现在钢材在桥梁中的使用量还较少，随着经济建设的发展，预计钢材在桥梁中的应用也会大幅度增加，我们可以看到耐候钢潜在的经济效益是巨大的。尽快地研究、分析和挖掘这一潜力，将更有利于我国现代化建设的发展。也使我们能尽早赶上国际发展的新趋势。