编委特刊 | 卢春房院士团队：国内外耐候钢桥发展综述

研究背景

 Research background 

1  国内外耐候钢桥工程应用

耐候钢最初被应用于车辆、输电塔领域,表现出良好的耐候效果。20 世纪 60 年代,美国工程师最早将其应用于公路桥梁,后逐步推广。在推广早期,因设计不当,部分耐候钢桥暴露出一些具体问题。通过调研分析及有针对性技术改进,美、日、欧陆续形成适应各自环境的设计文件。在其指导下,耐候钢桥的应用逐渐规范化、系统化。

1.1　美国耐候钢桥应用

因耐候钢在输电塔及建筑结构的出色表现,1964—1965 年期间,美国首次尝试建造了四座免涂装耐候钢桥。此后,耐候钢桥在美国公路桥梁领域被广泛应用。至 20 世纪 80 年代,运维部门反馈部分耐候钢桥存在锈层劣化等病害。美国相关管理部门对公路系统耐候钢桥开展了系统性调研。对诸多病害进行归类发现,其主要成因包括长时间潮湿(图 1)、近海环境(图 2)、工业污染及除冰盐(图 3)、积尘碎屑等。

图1　俄亥俄州 Tuscarawas 县道 37 号公路桥

图2　路易斯安那州 Doullut 运河桥

图3　密歇根州 175 号桥

调研发现,耐候钢致密锈层的生成对环境及桥梁结构构造有一定要求。美国联邦公路局(FHWA)结合调研结果编制了相应设计建议,弥补了该领域空白。2014 年,美国国内耐候钢桥已达 10000 余座,该年 FHWA 向 52 个交通管理局进行了问询,调查耐候钢桥运营状态(图 4)。结果表明,除夏威夷无耐候钢桥外,其余机构大部分反映效果良好。

图4　2014 年美国 FHWA 调研结果

1.2　日本耐候钢桥应用

日本 1978 年建造首座耐候钢桥——知多 2 号桥。此后耐候钢桥在日本进入快速发展期,2008 年日本新建桥梁中耐候钢桥占比达到约 30%。后因国内建设放缓,且在推广过程中发现耐候钢桥的部分问题,每年新建耐候钢桥占比逐渐减少并趋于稳定,至 2022 年, 新建耐候钢桥占比约为 12%(图 5)。

图5　截至 2022 年日本耐候钢桥建设量

自 1984 年,日本桥梁建设协会开始定期开展实桥调研,截止 2011 年共调查 261 座桥梁,调研发现部分耐候钢桥存在明显病害(图 6)。20 世纪 80—90 年代前半期调研发现距海距离过近桥梁在盐分影响下锈层劣化,从而确定了距不同海域安全距离。20 世纪 90 年代后半期开始着眼于防冻剂影响调研,实桥调研发现:梁端、伸缩缝位置受防冻剂影响较大,且梁体与相邻梁体、山体间距离过近会导致防冻剂不便逸散,影响致密锈层生成。

图6　日本典型病害耐候钢桥

1.3　欧洲耐候钢桥应用

德国联合钢铁公司于 1928 年提出耐候钢这一概念,最初耐候钢被应用于火车车皮,后拓展至桥梁领域。因为欧洲工业污染普遍较低,且温带海洋性气候干湿循环明显,使得耐候钢桥在欧洲表现出良好的应用效果(图 7)。2001 年,欧洲钢结构协会(ECCS)编制了耐候钢桥设计手册,并于 2021 年进行了更新。

图7　欧洲典型耐候钢桥

1.4　中国耐候钢桥应用

我国于 20 世纪 60 年代初期开始研制含铜钢,80 年代初开始试制和使用耐候钢。我国耐候钢桥起步较晚,最早于 1991 年将耐候钢应用于京广铁路巡司河桥,其中两跨涂装,一跨免涂装,但因缺乏经验,效果不佳。

进入 21 世纪后,随着中国冶金及钢桥制造水平及运维成本的提高,耐候钢桥重新进入工程界视野。近年来中国耐候钢桥(含中国钢厂供货的国外桥梁)的建设情况见表 1。

表 1　 近年来中国耐候钢桥

河北省怀来县的官厅水库公路特大桥为中国第一座大跨度免涂装耐候钢桥(图 8)。桥梁梁体采用 Q345qENH 钢材,用量达 6000 t。为避免焊缝出现电位腐蚀,焊接材料采用配套耐候焊材。

图8　官厅水库公路特大桥

潍莱铁路跨青荣特大桥,为潍坊至莱西铁路工程(120 + 82) m 单线连续钢桁梁,位于莱西市,距离海岸线约 50 km。钢桁梁的主桁采用 Q370qENH 钢。考虑到梁缝位置伸缩缝易漏水,参考国外经验,在梁端 1.5 倍梁高范围内进行防腐涂装设计。

2022 年,中俄合作共建的布拉戈维申斯克-黑河大桥投用(图 9)。因黑河历史最低气温可达 -48.1 ℃ ,首次在桥梁钢结构领域采用了超低温 F 级桥梁钢。该桥主桥及索塔采用了 Q420qFNH 钢材,引桥采用 Q370qENH 钢材。箱梁梁体外表面涂装,内表面不涂装。

图9　中俄黑河大桥

2  耐候桥梁钢性能要求

2.1　耐候桥梁钢成分设计体系

国外桥梁用钢使用较早,对钢的耐候性能也非常重视,因而较早开发了耐候桥梁钢,其中美国和日本对耐候桥梁钢的发展做出了很大贡献。

美国实验和材料学会(ASTM)经过对耐候钢的大气腐蚀研究,发现 Cu、P、Cr 等元素可提升钢材耐蚀性。其中Cu 的影响最显著,一般含 Cu 低合金耐候钢在海洋大气、工业大气和乡村大气中的耐蚀性能均优于普通碳钢,但在不同环境中其作用效果存在一定差异。故 Cu 为耐候钢的必需元素,P、Ni、Cr、Si 为辅助元素。60 年代初美国针对不同合金元素对钢材耐大气腐蚀能力的作用,开发出了应用最为普遍的高 P、Cu 加 Cr、Ni 的 CORTEN A 系列和以 Cr、Mn、Cu 合金化为主的 CORTEN B 系列耐候钢。为了符合良好的耐工业大气和海洋大气腐蚀同时具有很好的综合力学性能,随后开发出级别为 50 W、70 W 和100 W 的HPS 系列钢。

日本在 1955 年引进美国的 CORTEN A 钢的生产技术,促进了日本耐候钢的发展。由于日本是一个典型的海洋大气环境的国家,其大气环境中含有大量的氯离子,一般耐候钢耐大气腐蚀的能力较差。为此,日本根据不同的环境,已经开发了耐田园、工业大气和耐沿海大气腐蚀桥梁用Ni 系高性能耐候钢系列钢种。Ni 系高性能耐候性钢材是在飞来盐分、撒防冻剂等比较严酷的环境中可以免涂装使用的钢材。这种钢在海洋大气环境中生成的锈层具有阳离子选择性,有效抑制了 Cl^-、 向锈层内部的渗透,提高了钢在大气环境中的耐蚀性能。例如 Ni 型高耐大气腐蚀钢系列 JFE-ACL。新日铁也开发了含 3%Ni 的高盐大气环境下使用的免涂装耐候桥梁钢板。

我国国内关于耐候钢方面的研究,最早开始于 20 世纪 60 年代,结合我国富有的 V、Ti、Nb、Al 和 Re 资源。我国前期开发耐候钢种的主要特点是:钢中不含 Ni 和Cr,以添加 Cu 或P、Cu 和 P 为主。武钢研制的 09CuPTiRe 钢,其耐大气腐蚀性明显优于普通碳素钢,尤以受工业污染的大气和潮湿空气中为更佳。同时制造出了我国第一辆耐候铁路货车。此外,鞍山钢铁公司在美国 CORTEN A 基础上开发的国产耐候钢 10CrNiCuP 钢、具有优异耐大气腐蚀性能的 08CuP 钢。攀枝花钢铁公司针对铁道车辆工艺需求研制的 09CuPRe 钢等。现阶段国内耐候钢在桥梁钢应用过程中,为满足钢的力学性能和耐海洋大气和工业大气,其成分主要以低碳添加 Cr、Cu 和 Ni 来满足。1984 年我国制定了相应国家标准,并于2008 年重新修订改名为 GB/T 4171—2008《耐候结构钢》。2015 年,GB/T 714—2015《桥梁用结构钢》中首次列出了耐候桥梁钢,强度级别为 345 ~ 550 MPa。2020 年,TB/T 3556—2020《铁路桥梁用结构钢》列出了 345 ~ 500 MPa 级耐候桥梁钢具体内容。

2.2　耐候桥梁钢耐候性评价标准

为量化钢材耐候性是否满足设计要求,各国都对耐候桥梁钢耐候性评价标准开展了大量试验研究。

2.2.1　美国相关标准

美国学者 Buck 于 1913 年发现含 0.2% 以上铜的钢材较普通钢具有明显优异的耐候性。自此美国开展了大量耐候钢试验研究,积累了宝贵资料。20 世纪中叶,美国在国内乡镇、工业及海洋典型环境开展了长达 15.5 年的曝晒试验,系统得到 Cu、Ni、Cr、Si、P 五种元素在不同环境下对于钢材耐蚀性的影响。基于实验数据,1974 年,学者 Legault 等通过数学回归得到了乡镇、工业及海洋环境下耐候钢腐蚀速率计算公式。为方便指导工程师设计使用,ASTM 协会在其标准 G101 中,对工业环境下耐候钢腐蚀速率计算公式进行变化,提出了目前被广泛采用的耐候性指数(I 值) 计算公式,即:

ASTM 协会在其标准 A709 中建议钢材 I ≥ 6.0 时可免涂装使用,其对应物理意义即在工业环境曝晒 15.5 年后损失厚度小于等于 0.10 mm。

2.2.2　日本相关标准

日本为得到国内环境下耐候钢桥腐蚀规律,1993 年,日本建设省土木研究所收集了国内 41 座耐候钢桥总计 9 年的曝晒数据,提出了幂函数拟合公式(式(2))。规定限值方面,日本桥梁建设协会认为耐候钢材曝晒 100 年后累计损失厚度(Y 值)不应高于 0.5 mm。

式中:Y 为累计腐蚀损失厚度,mm;A_SMA 为 JIS 系列耐候钢第 1 年腐蚀损失厚度,mm;B_SMA 为 JIS 系列耐候钢腐蚀速率降低程度参数;X 为腐蚀时间,年。

因日本四面环海,海盐影响更为普遍,常规耐候桥梁钢对海盐耐受性较差。为解决该问题,日本学者研发出 3%Ni + 0.4%Cu 的高镍系耐候钢。该钢种元素成分已超出式(2) 适用范围,为补充这一空白,日本学者在千叶县君津市码头进行了为期 1 年的曝晒试验。基于试验结果,提出了式(2)中参数 A_SMA 与 B_SMA 的修正方法,使其适用于高镍系耐候钢。

2.2.3　中国相关标准

中国学者自 1983 年起对碳钢、低合金钢及低合金耐候钢合计 17 种钢材在 7 个试验站进行了 5 个周期最长(16 年)的大气曝晒试验,并基于试验结果提出了腐蚀深度的幂函数拟合公式。因统计分析的钢成分范围及环境类型较少,模型准确度尚有不足,特别对干燥、腐蚀性低的环境预测效果不佳。中国 GB/T 714—2015 及 TB/T 3556—2020 采用了 ASTM G101 中耐候性指数 I 值作为建议值。

3  耐候桥钢桥设计技术

3.1　国内外耐候钢桥桥址选址规定

通过大量实桥调研发现病害主要成因为长时间潮湿、近海环境、工业污染及除冰盐、积尘碎屑等。通过进一步溯源调研发现环境影响可通过 SO₂ 含量、盐粒子含量及润湿时间等指标进行量化。基于以上参数可判断桥址环境是否适合采用耐候钢桥。

3.1.1　美国相关规定

美国 FHWA 设计建议中,桥址环境适应性判别方面主要从宏观环境参数和桥址处微环境参数两方面进行了规定。其中宏观环境包含氯化物、降雨、雾、工业污染,桥址微环境主要为除冰盐影响,相应具体指标见表 2。

表2　FHWA 设计建议指标

图10　隧道效应导致通风不畅

3.1.2　日本相关规定

日本 2021 年版《耐候性钢桥设计手册》中,桥址环境适应性判别标准同样分为宏观环境与桥址微环境两方面。宏观环境首先对桥址离岸距离进行判定,具体参数见图 11。当满足图 11 中距离要求时则认为宏观环境满足条件,否则需按照图 12 中判别流程进行判定。桥址微环境判别流程见图 13、表 3 及表 4,其指标核心在于保证梁体四周有足够空间使防冻剂与水分逸散。耐候钢桥与山体、地面及相邻桥梁距离示意见图 14。

图11　日本耐候桥梁钢适用范围(离岸距离)

图12　日本耐候桥梁钢宏观环境条件判定标准

图13　日本耐候桥梁钢微环境条件判定标准

表3　地形环境适应性判别条件

表4　防冻剂喷洒时地形环境判别条件

图14　耐候钢桥与山体、地面及相邻桥梁距离

3.1.3　中国相关规定

近年来中国至今虽已有许多中小跨度耐候钢桥及少量大跨度桥梁, 在设计领域已具备一定基础,但尚未形成系统且统一的设计指导手册。尤其在桥梁选址标准方面,并无适应中国工程情况的盐含量、SO₂ 含量、相对湿度含量限值,在一定程度上影响了耐候桥梁钢的推广。

3.2　国内外耐候钢桥构造细节

经过对大量工程经验的积累,国内外形成了耐候钢桥的构造细节设计建议。核心思路在于促进致密锈层的生成,避免出现积水积尘构造,应关注伸缩装置、梁缝、排水管、梁端等位置。同时参考美、日、欧等国设计手册建议,耐候钢桥在易积水、积尘位置应考虑涂装的使用,如梁端、伸缩缝等位置,宜在 1 倍梁高范围内设置保护涂装(图 15)。

图15　梁端构造措施示意

3.3　锈层稳定化处理技术

耐候钢通过生成致密锈层实现隔绝抑制大气腐蚀的目的,但致密锈层生成需数年时间。为保证初期成锈美观,减少流锈,并促进致密锈层生成,可在生产过程中采用锈层稳定化技术。

目前耐候钢表面锈层稳定化处理有两种方法,即水处理法和加速锈层稳定剂法。其中水处理法成本低、难度低,无需考虑环保问题。官厅水库公路特大桥即采用该方法:每天对杆件表面均匀喷水一次,架设前至少喷水 30 d,使杆件表面产生均匀的锈层(图 16)。

图16　官厅水库公路特大桥水处理法效果

日本是最早研究加速锈层稳定剂的国家,1955 年日本开始耐候钢锈层稳定化处理技术的研究,日本住友公司制备了以磷酸盐和铬盐为主的稳定剂涂在试件的金属表面,结果表明磷化膜中的磷酸根和铬离子可以改善锈层的性能。随着日本锈层稳定化处理技术的发展,世界上许多国家都开展了这项技术的研究。

目前国内对于加速锈层稳定剂法研究工作主要包括氧化物涂膜处理、耐候性膜处理、氧化铁磷酸盐体系处理、含 Cr 处理剂处理等。如今国内已有多种成熟产品,宝钢研制的耐候钢加速成锈剂可实现一周处理后形成初步稳定锈层。

4  耐候桥钢桥连接技术

4.1　耐候钢焊接技术

耐候桥梁钢成分采用低碳/超低碳、合金化设计,以多种耐蚀元素协同作用提升材料耐大气腐蚀性能,由此带来的是材料焊接性能下降,易产生焊后裂纹等缺陷。对于钢梁制造而言,焊缝的强度与耐蚀性必须与母材合理匹配,协同提升,因此要求焊接材料与工艺同步发展以适应桥梁结构长寿命、少维护的设计初衷。

改善材料的焊接性,是高性能耐候桥梁钢开发的关键。美国在 20 世纪 70—80 年代研发了 CORTEN 系列耐候钢,并应用于桥梁建设。此类钢材在成分设计上并未充分考虑焊接性能,含 P、S 元素较高、制造难度较大。20 世纪 90 年代初,美国联邦公路局、海军和美国钢铁协会等应用单位和行业协会相互协作,在保证钢材强度、耐候性基础上考虑了钢材可焊性,研发出高性能桥梁钢(HPS 系列),取代了 CORTEN 系列。高性能桥梁钢的焊接性,是其综合性能优势发挥的基础,从钢材开发的源头上充分考虑焊接性,是美国高性能桥梁钢开发取得成功的重要因素。美国 HPS 70W 从研发到推广应用仅用了 3 年时间,这也得益于材料、设计、制造、建设方面的协同进步。

近年来,得益于耐候钢桥工程经验积累,我国耐候钢桥制造技术尤其是焊接技术也得到了良好发展。众多学者基于大量试验对 345、420 及 690 MPa 级耐候钢材焊接技术进行了探索并取得了丰硕成果。但相对于我国耐候桥梁钢母材技术,焊接技术水平并不匹配,这在很大程度上制约了新型桥梁钢的推广应用。在高性能钢板研发阶段即非常重视钢板强度、韧性、塑性、耐大气腐蚀性能指标的提升,而对于母材焊接性的投入程度相对较低。这导致高强度耐候桥梁钢相对于普通桥梁钢存在焊前预热、焊接控制、焊后处理等制造工序繁琐,制造成本增加的问题。因此,高强度耐候桥梁钢焊缝的强韧化协调提升及其与母材的性能合理匹配亟待解决。一方面,加强高性能焊接材料研发提升焊缝金属的力学性能与耐腐蚀性能,需要适当提升焊材耐腐蚀性指数,同时严格控制扩散氢含量;另一方面,焊缝的强韧化性能提升有赖于对焊材、母材成分及焊接工艺协同调控,应当重视焊缝与热影响区组织性能的内在关系研究。

在焊接标准方面,我国现行的耐候桥梁钢焊接要求分散在综合性标准中,缺乏专门的耐候钢桥梁焊接标准,难以有效指导高性能桥梁钢的焊接实践。在加强焊接基础研究的同时,推动相关焊接标准的制定,将有利于进一步提升我国钢结构桥梁焊接技术。

4.2　耐候高强度螺栓

美国 1938 年在桥梁维修中首次使用了高强度螺栓,是世界上最早使用高强度螺栓的国家,桥梁用高强度螺栓级别最高为 A490(强度级别近似我国的 10.9S),规格从 M12 到 M36。美国 ASTM 规范中对 Type3 免涂装耐候钢高强度螺栓进行了详细规定,但产品不保证扭矩系数,无法采用扭矩法施工。美国在结合多年耐候钢高强度螺栓的工程实践经验和失败教训,在 2015 年对 ASTM 规范进行了改版,最大的变化就是将 C 的成分提到 0.30%以上,不再容许 C 的成分在 0.30% 以下(表 5)。

表5　美国 ASTM 规范对 A490 级耐候钢高强度螺栓的

化学成分要求    %

日本于 1954 年开始研究高强度螺栓,1964 年制定了高强度螺栓的 JIS 标准。目前日本桥梁用高强度螺栓级别最高为 F11 T (强度级别近似我国的 10.9S),规格从 M12 到 M30,但未给出耐候钢高强度螺栓的相关规定。神户制钢、JFE 钢铁株式会社等一些厂家可以根据不同腐蚀环境供应不同耐腐蚀性能的高强度螺栓,并在产品说明中有自己的化学成分要求,在日本一些耐候桥梁也采用了免涂装高强度螺栓连接。

欧盟国家一直推广全焊接结构,耐候钢桥主要采用焊接,没有免涂装耐候钢高强度螺栓产品,如连接中需要时,直接购买美国 ASTM 中的 Type3 免涂装耐候钢高强度螺栓产品使用。

我国于 20 世纪 50 年代开始高强度螺栓的研究,并于 1961 年首次在湘桂铁路雒容桥上使用,高强度螺栓级别最高为 10.9S,规格从 M12 到 M30。1991 年建成我国第一座耐候钢桥——京广铁路巡司河桥,后续又建成若干耐候钢桥,由于日本耐候钢高强度螺栓产品不符合我国耐候评价指数,美国耐候钢高强度螺栓又无法适应现场安装要求,所以都采用焊接连接或者高强度螺栓涂装连接。2021 年建成通车的川藏铁路拉林段藏木雅鲁藏布江大桥主跨采用 430 m 中承式钢管拱免涂装耐候钢桥,由于自然环境恶劣,现场焊接质量难以保证,在国内首次采用免涂装耐候钢高强度螺栓连接。中国铁道科学研究院集团有限公司承担了该桥耐候钢高强度螺栓及其连接施工技术研究,该大桥使用了 10.9S 级 M16、M24 和 M30 三种规格的耐候钢高强度螺栓共计 12 万余套。该桥于 2017 年 7 月开始采用耐候钢高强度螺栓进行拼装,截至目前该桥耐候钢高强度螺栓情况良好,在免涂装裸露环境下使用未出现断栓情况。

5  耐候钢桥管养技术

美、日、欧等国基于大量耐候钢桥工程经验积累,形成了相应的管养技术。涵盖日常管养内容及专项检测内容,具体包含既有桥梁锈层状态检测方法、标准、重点检测部位、检测频率等内容。日常管养主要通过对锈层形貌、颜色均匀性、锈层与基材结合力大小等进行判别。专项检测则结合实验室分析,采用光学、电子显微镜对锈层厚度、锈层与基体结合状况、锈层物相等进行分析。

中国虽发展较晚,但基于工程应用及研究成果也提出了相应的锈层稳定性检测方法标准。鉴于缺乏足够的工程经验及数据积累,尚无与方法相对应的指标参数,各工程指标需厂家与业主协商确定,且并无面向管养部门的操作手册。还需进一步开展相关工作,保证耐候钢桥管养技术能实际推广应用。

1) 国外大量工程案例证明,必须经过合理的设计规划,耐候钢桥的耐候性才能得到发挥。随着冶金技术发展,中国已具备较系统的耐候钢化学成分规范,但耐候性评价指标仍以美国标准为主,且缺乏桥址环境适应性评价方法。后续应进一步开展中国典型气候的耐候钢大气曝晒试验,积累试验数据,编制适应中国环境的耐候钢环境适应性评价指标,并进一步编制桥址环境适应性评价方法。

2) 研究与工程实践结果表明,结构构造细节对耐候钢桥局部耐候性影响明显。对于易积水、积尘部位,如梁端、梁缝等位置应采用合适结构构造或进一步涂装处理。需推进对国外既有耐候钢桥构造细节收集汇总,建立中国国内耐候钢桥病害数据库,编制适应中国环境特点及制造施工方法的耐候钢桥设计指导手册,为耐候钢桥在国内的推广应用提供技术支持。

3) 现有耐候钢桥锈层常规检测技术主要通过观察锈层宏观形貌及致密度初步判断锈层状态,当劣化严重时应进一步进行专项检查。我国虽已编制耐候钢锈层稳定性检验方法相应标准,但尚无与方法相对应的指标参数,且无面向管养部门的操作手册。还需进一步开展相关工作,保证耐候钢桥管养技术能实际推广应用。

注：受限于推文篇幅，文章参考文献未标注，详见原文。