英国耐候钢钢桥技术之一

2020-12-16 11:37:12 作者：zjwcj 来源：说桥分享至：

耐候钢是一种高强度低合金钢，最初由美国钢铁公司在20世纪30年代开发，用于抵抗其矿车的腐蚀和磨损。它的商标名为Cor-ten，最初用于建造于1964年开业的伊利诺伊州莫林的约翰迪尔世界总部大楼。从那时起，耐候钢的使用已遍布全球，在欧洲也有使用。作为“具有改善的耐大气腐蚀性的结构钢”，是一种非专利产品。

在合适的环境中，耐候钢会形成粘附的保护性锈蚀“锈绿”，从而抑制进一步的腐蚀。腐蚀速率非常低，未上漆的耐候钢制成的桥梁可以实现120年的设计寿命，只需要进行日常维护。因此，在适当环境中的详细耐候钢桥提供了有吸引力的、非常低维护的经济解决方案。

英国第一座耐候钢钢桥于1967年建成，是约克大学的一座人行天桥，该材料在后来的30年左右用于英国各地的许多桥梁。然而，自2001年以来，在桥梁上使用耐候钢的情况显着增加，得益于此时删去了一条规范，该规范限制了在高于道路的净空高度小于7.5米的高速公路上使用该材料。它现在是各种桥面板的首选材料。

本文重点介绍了耐候钢对桥梁的益处，描述了其使用的局限性，以及对材料可用性和这种桥梁外观的评论。如果腐蚀率超过设计阶段的预期，它还提供一系列问题的建议，包括设计和细节、制造和安装、检查和维护以及补救措施。

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耐候钢或气候防御钢是用于描述具有改善的耐大气腐蚀性的结构钢的口语术语。这些钢是高强度低合金钢，与普通碳锰钢相比，在正常大气条件下具有更强的抗锈性。耐候钢通常执行EN 10025-5 规范，并且具有与普通结构钢相似的机械性能，符合EN 10025-2 。英国桥梁工程最常用的等级是S355J2W。

耐候钢原理

由于潮湿和空气的存在，所有低合金钢都有生锈的倾向，其速度取决于氧气、湿气和大气污染物进入金属表面的速度。随着锈蚀过程的进行，锈层形成氧气、水分和污染物进入的屏障，并且生锈速度减慢。

在大多数普通结构钢上形成的锈层是多孔的并且在一定时间后从金属表面脱离，并且再次开始腐蚀循环。因此，生锈速率作为一系列近似于直线的增量曲线前进，其斜率取决于环境的侵蚀性。

对于耐候钢，生锈过程以相同的方式开始，但钢中的特定合金元素产生稳定的锈层，其粘附到基底金属上，并且孔隙少得多。这种生锈的“绿锈”在交替润湿和干燥的条件下形成，产生保护屏障，阻碍氧气、水分和污染物的进一步进入，结果是腐蚀速率比普通结构钢低得多。

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耐候钢优势

利用自动化制造和施工技术的使用耐候钢常规钢桥的好处，能够为安全、快速施工、美观、低梁高、最小维护和今后使用中的灵活性的要求提供经济解决方案。耐候钢桥梁具有所有这些品质，加上以下进一步的好处。

维护非常低

定期检查和清洁应是确保桥梁继续令人满意地运行所需的唯一维护。因此，耐候钢钢桥非常适合未来维护难以或危险的地方，以及需要尽量减少交通中断的地方，例如主要道路或铁路。

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成本效益

虽然耐候钢比普通结构钢略贵，但是消除涂料系统可以节省额外的材料成本。因此，耐候钢桥的初始成本与传统的涂漆钢替代品非常相似。这在英国八座桥梁的研究中得到了说明。然而，耐候钢钢桥还具有更低的整体寿命成本。耐候钢钢桥的最低维护要求极大地降低了维护操作的直接成本，以及维护期间交通延误的间接成本。

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施工速度

由于消除了工厂和现场喷涂操作，因此总体施工持续时间减少。

外观漂亮

耐候钢桥梁的美观经常与令人愉悦的环境融为一体，并且随着年份越来越美。

环境效益

避免了与油漆涂料中的挥发性有机化合物（VOC）排放相关的环境问题以及未来维护工作中的喷砂清理碎屑的处理。

安全利益

由于维护很少，与未来维护相关的风险显然最小化。还避免了与初始涂装有关的健康和安全问题。这些问题与钢箱梁的制造和维护特别相关，为了最大限度地减少内部通道要求（例如River Usk Crossing），耐候钢越来越多地被采用。

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长期表现

耐候钢钢桥在英国有良好的记录。 TRL的一项研究表明，过去20年建造的耐候钢钢桥通常表现良好。遇到问题时，它们通常是特定原因引起的结果，例如桥面板接头泄漏，而不是耐腐蚀性能不足而引起。

使用限制

耐候钢适用于大多数地方。然而，与其他形式的结构一样，某些环境会导致耐久性问题。耐候钢在极端环境中的性能不会令人满意，在这种情况下应避免使用。

海洋环境

暴露于高浓度的氯离子，源自海水飞溅、盐雾或沿海空气中盐分，是有害的。盐的吸湿性对“绿锈”产生不利影响，因为它在金属表面上保持持续潮湿的环境。一般而言，耐候钢不应用于沿海水域2公里范围内的桥梁，除非可以确定，按照BS EN ISO 9223，空气中的氯化物含量不超过S2的盐度分类（即cl<300mg / m2 /天）。

耐候钢通常不应在距离海水2公里范围内使用，该指导意见来自BISRA（英国钢铁研究协会）在20世纪80年代中期的研究。他们测量了英国各地许多地方距离海岸不同距离的空气中氯化物含量，并发现空气中的氯化物含量在距离海岸约2公里的一致距离处显着减少。 CEGB（与输电塔相关）的实践显示了类似的结果。

但是，应该注意的是，空气中的氯化物含量（以及因此耐候钢的适用性）取决于桥址的微气候（即当地地形和盛行风向等），因此这个2km的数字不应被视为固定限制，它仅仅是基于可用数据的指导。

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除冰盐

在耐候钢钢桥上方和下方的道路上使用除冰盐，可能在极端情况下导致问题。这种情况包括：那些含盐的径流通过泄漏的伸缩缝直接流过钢构件的情况，以及来自宽桥下道路的盐雾，其中产生了“隧道状”条件。在极端情况下，建议对薄弱部位进行局部涂装。然而，对于大多数耐候钢复合材料的通道（跨线）桥，盐雾不太可能成为问题，即使在5.3米的标准净空高度，现在也允许使用。 “隧道式”条件是指：狭窄下沉式路基及最小路肩宽度及垂直挡土墙，加之较宽的跨线桥及较小的桥下净空和全高度桥台，这两者组合而产生的。在城市/郊区分离立交时可能会遇到这种情况。极端的几何形状导致道路盐雾难以被气流消散，并可导致桥梁上过多的盐沉积。

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连续潮湿/潮湿的条件

形成粘附的“绿锈”需要交替的湿/干循环。如果不能发生这种情况，由于连续潮湿或潮湿的条件，耐候钢必须按类似于普通结构钢的腐蚀速率预期。例子包括耐候钢钢构件淹没在水中、埋在土壤中或被植被覆盖、。如果在这种情况下使用耐候钢，则应涂漆，涂装范围应延伸到水、土壤或植被的水平之上。

在水面上的桥面可能处于潮湿条件，尤其是它们特别宽或具有离开水面较低间隙。因此，建议在水上桥梁采用2.5m的最小水面净空，以避免这种潮湿条件。

大气污染

耐候钢不应用于存在高浓度腐蚀性化学品或工业烟雾（特别是SO2）的环境中。按照BS EN ISO 9223，污染等级高于P3（即SO2> 200mg / m2 /天）的环境将避免使用耐候钢。然而，这是一个极端的水平，在目前大气的工业污染限制下很少遇到。

过去曾对柴油烟雾对铁路耐候钢钢桥的长期性能的影响表示关注。虽然柴油烟雾含有空气中的硫化合物，但在一定范围内，它们实际上通过与钢中的合金元素反应形成不溶性腐蚀产物具有有益效果。

塔塔钢铁研究项目的数据显示，高度污染的工业（含硫）气氛中耐候钢的腐蚀速率平均为2微米/年，而传统结构钢的腐蚀速率为50微米/年。在这些自然暴露试验中，工业环境相对极端，即靠近工业焦化厂。

相比之下，通过列车产生的桥下的小气候不太可能产生类似的环境条件。当机车直接在桥下静止时，可以预期污染水平增加，但是暴露的持续时间和钢铁制品上的硫化合物浓度不可能超过200mg / m2 /天的限制。此外，来自柴油废气的沉积物的轻微油性也可以作为水的屏障并减少钢的腐蚀。

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板材

符合EN 10025-5 [1]的S355J0W，S355J2W，S355K2W耐候钢板在英国很容易获得，其尺寸与普通结构钢板相似。

截面形式

英国的耐候钢轧制截面形式比普通结构钢部分难以即时获得，对于少量数量尤其如此。安赛乐米塔尔（ArcelorMittal）确实提供了这样的截面形式，但他们的Arcorox手册中有一个关键句子 - “最低订购数量需要达成协议”。因此，强烈建议设计人员在早期阶段与制造商确认所需的耐候钢轧制截面的可用性。

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耐候钢中轧制型材可能缺乏，但对主梁的供应没有任何问题，因为它们可以用钢板来制造（即使是普通的结构钢，也很少使用轧制型钢）。然而，角钢、槽钢和空心截面通常用于普通结构钢桥上的连接构件，因此对于耐候钢钢桥，必须考虑替代方案。

可能的选择是：

1. 使用未上漆的普通钢材进行临时支撑，之后将其移除

2. 使用留在原位的经过涂装的普通钢支撑

3. 在梁高范围内使用平板支撑

4. 由耐候钢板制造角钢和槽钢

不幸的是，这些选项都不是理想选择。第一种选择在施工过程中引入了额外的危险，通常应避免。第二个选项增加了维护要求（还有其他危险）。第三种选择会妨碍永久模板和钢筋的放置，并且会增加所需的梁板高度。由于制造不对称截面的困难，第四种选择比使用轧制部分更昂贵（比使用轧制部分）。因此，目前关于这个问题的行业建议如下：

双主梁桥

这种桥的性质决定它们只需要在中间支撑处进行支撑。有时使用长度较短、轧制截面的“角支撑”，但最经济的解决方案是使用自行加工的、高度较大的 “I”梁。

多主梁桥

避免使用“X”或“K”支撑，并采用“H”形结构的“I”梁作为刚性横梁。然而，对于深梁，可能需要制造角钢或槽钢来形成三角形支撑系统。在这种情况下，这些可以高价制造。钢结构承包商往往拥有丰富的知识和经验，并乐于协助设计开发。建议与钢结构承包商尽早讨论，以便为特定项目实现最经济的耐候钢桥解决方案。

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高强螺栓

用于桥梁施工的耐候级别预应力螺栓通常在英国可用（仅限M24尺寸），但通常情况下它们是从北美进口的（以英制尺寸，即1英寸）。因此，推荐的方法是设计采用M24螺栓的连接，但使用也适合1英尺螺栓的螺栓间距（即符合最小间距要求），因为这将最大化钢结构承包商可用的采购选择，即它们可以用1英寸螺栓代替M24（如果需要），不会对连接的布局或设计产生不利影响。

现场景观

成熟的耐候钢桥非常吸引人，其外观通常与周围的乡村融为一体。重要的是要注意颜色和纹理随时间和曝光条件而变化。本文贯穿成熟耐候钢桥的例子。

最初，风化钢桥呈现橙棕色，许多人认为这种颜色没有吸引力但在施工期间颜色变暗，随着“绿锈”开始形成，并且在2 - 5年内钢材通常会达到其特有的均匀深棕色。

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“绿锈”形成的速度以及特征颜色的形成速度主要取决于环境和暴露条件。在工业（硫污染）的大气中，过程通常比在更清洁的农村环境中更快，最终颜色更深。耐候钢的质地受到梁的朝向和遮蔽程度的影响。垂直表面、朝南和朝西的表面，以及经常进行湿/干循环的表面，形成平滑的细粒纹理，而水平表面、遮蔽表面和朝北的表面往往具有粗糙的颗粒纹理。

设计注意事项

通过遵循钢桥设计和细节的正常良好实践，可以实现耐候钢桥的令人满意的性能。然而，由于耐候钢的性质，某些方面确实需要进一步考虑。

桥址的适用性

对于特定桥梁场地100％确定未上漆耐候钢的适用性的唯一方法是根据BS EN ISO 9223中描述的两种方法之一对大气腐蚀性进行分类，一种基于环境数据，另一种基于环境数据腐蚀速率试验。

环境数据方法

该方法结合了以下三个关键因素的测量值，以确定环境的整体腐蚀性分类（C1-C5）。

1. 潮湿时间

2. 大气二氧化硫污染（P0-P3）

3. 空气盐度（S0-S3）

腐蚀速率方法

根据EN ISO 9226中给出的标准程序，测量在所需位置暴露一年的标准金属样品的腐蚀速率。不幸的是，环境和腐蚀速率方法都需要在一年内进行测量以获得代表性的平均值。在大多数情况下，这在设计阶段是不可能或不可行的，因此在缺乏科学方法的情况下，需要作出判断。幸运的是，EN ISO 12944-2提供了分类C1-C5与可能在没有测量数据的情况下使用的典型环境的描述之间的关系。

按环境分类

EN ISO 12944-2中介绍的腐蚀类别与典型环境之间的关系如下。这是一个很好的起点，并且在很多情况下被设计师使用而没有进一步的佐证。

可以从现场访问中获得有助于做出判断的进一步信息，以评估桥位置的性质。应与当地主管部门联系，以确定未来的发展计划，以防它们可能影响环境。可以考虑用于临界情况的一种方法是在进行环境测试的同时继续设计耐候钢钢桥。一旦获得测试数据，耐候钢钢桥的使用将被确认为令人满意，或者，如果不是，可以将设计修改为涂漆钢替代品，只需减去腐蚀余量并指定保护涂层系统。但是，这种方法显然取决于计划的限制。

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力学性能

对于桥梁钢结构的设计，关注的关键机械性能是屈服强度、极限抗拉强度、延性和韧性。耐候钢（EN 10025-5）和普通结构钢（EN 10025-2）的产品标准的比较表明，所有这些关键机械性能的规格要求是相同的。因此，为了设计目的，耐候钢应被视为等同于普通结构钢。

截面损失

虽然耐候钢的腐蚀速率远低于普通结构钢，但腐蚀表面层的损失不容忽视。通过在每个暴露表面提供额外的厚度，高于满足结构设计验证所需的厚度，这样来考虑耐候钢损失。要增加的厚度取决于环境的严重程度；如果设计寿命为120年，建议使用以下参数。

这些预留厚度不应包括在应力分析的有效部分中。但是，进行结构的全局分析时，它们可以包含在部分属性中。

注：

经过除冰盐处理的高速公路上的桥梁应归类为“严重”；

允许量适用于所有结构元素，包括加劲板和支撑等；

允许范围适用于所有角焊缝和部分熔透对接焊缝

密封箱梁的内表面不需要设增厚余量

耐候高强栓不需要预留余量

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疲劳

在耐候钢表面上存在小的腐蚀坑将导致未焊接、没有开孔和应力集中的构件的抗疲劳性略微降低。然而，焊接细节中固有的缺陷或缺陷导致疲劳寿命的显著降低（指与耐候钢中的凹坑相比），因此，耐候钢疲劳问题不必比普通结构钢更受关注。

螺栓连接

对于所有螺栓连接，应规定具有符合ASTM F3125、A325等级、3类或等同物的化学成分的耐候等级预拉螺栓、螺母和垫圈。滑动系数可以采用普通结构钢的滑移系数，并且研究表明：在制备和组装之间，由于接合表面的气候作用而引起的生锈效应通常并不显著。

螺栓连接不可避免地引入重叠板，以及裂缝的潜在问题。然而，通过采用以下指导，仔细设计接头将避免随后与裂缝相关的腐蚀风险。

使用柔性盖板确保良好的装配；

与边缘相邻的螺栓间距不应超过14t和175mm的较小值

螺栓中心线的边缘距离不应超过8t和125mm的较小值（其中t是较薄板的厚度）

如果不能满足此指导，则应使用合适的密封剂保护接头边缘。

伸缩缝

允许含有盐水流过梁端部的伸缩缝，已被确定为现有耐候钢钢桥劣化的主要原因之一。因此，伸缩缝选择和细节需要仔细考虑。理想情况下，应通过使用连续和整体结构来避免伸缩缝。但是，如果伸缩缝是不可避免的，它们应远离梁的端部，并应提供一个真正的非金属排水系统，以避免任何钢结构泄漏的情况。如果这不会减损桥梁的整体外观，也可以谨慎地将安装伸缩缝下方的梁端部直接油漆，油漆应选择颜色以匹配耐候钢成熟后的预期最终颜色。