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【鋼構知識】英國耐候鋼鋼橋技術

2020-02-21 14:12:57 作者：zjwcj 來源：鋼結構設計分享至：

對于大多數耐候鋼橋，就這種效應而言，唯一需要考慮的領域是鋼梁與結構支座之間的連接。

對于在普通結構鋼支座上耐候鋼鋼梁的情況，兩種金屬的反應性之間沒有顯著差異，并且由于普通結構鋼支座已經涂漆，不與電解質接觸，因此不太可能發生雙金屬腐蝕。

對于在不銹鋼支座上耐候鋼鋼梁的情況，兩種金屬的反應性之間存在顯著差異，并且由于兩種金屬都未涂覆，因此有可能與電解質接觸。然而，與小型不銹鋼支座相比，耐候鋼的表面積（其將優先腐蝕不銹鋼）是巨大的。此外，支座通常是遮蔽的，因此很少存在電解質。因此，雙金屬腐蝕的水平不太可能非常顯著。

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但是，建議密封不銹鋼支座和耐候鋼錐形支座板之間的界面，這會降低局部雙金屬腐蝕的水平。密封劑消除了與裂縫相關的加速腐蝕的風險，并有效地斷開了電路，降低了雙金屬腐蝕水平。如果電路完整，水膜必須從支座延伸到密封劑的表面上并延伸到錐形板上。

與人的接觸

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在銹蝕成的早期階段，如果公眾依靠或刷過鋼結構，則存在腐蝕產物可能污染衣服的風險。隨著銹蝕時間的推移，這種風險將會降低，但它始終存在。腐蝕產物污染衣物的可能性取決于“綠銹”的性質。粘附的細粒“銹綠”不太可能污染衣物，而粗的鐵銹顆粒更容易剝落。值得注意的是，耐候鋼的表面紋理與粗砂紙的表面紋理之間可能存在相似之處。因此，存在接觸也可能對衣物造成磨損的風險。

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因此，需要仔細設計扶手或其他障礙物的構造細節，以盡量減少公共和耐候鋼之間接觸的風險；可采用木扶手或涂漆鋼扶手或鍍鋅鋼扶手。請注意，為了避免雙金屬腐蝕，金屬扶手必須與耐候鋼隔離。

然而，有些情況下，暴露的耐候鋼表面與公眾必須接觸，這需要在耐候鋼表面進行“拋光”，例如，人們喜歡坐在'北方天使'的腳下。

制造與安裝問題

焊接連接

所有接頭，包括角焊縫，都應連續焊接，以避免水分和腐蝕陷阱，如裂縫。結構耐候鋼的焊接類似于傳統結構鋼的焊接，但耐候鋼通常具有較高的碳當量值（CEV），在根據EN 1011-2 研究焊接工藝規范時需要考慮這一點。

BS EN 1090-2 對鋼結構的執行要求是耐候鋼焊接應使用“匹配”消耗品（見下表）。與焊條相關的術語“匹配”有點誤導。實際上，它意味著焊條形成的焊縫與母材相似的方式耐候。

焊材匹配方案表

然而，在實踐中已經表明，在某些情況下最好避免使用匹配焊條，因為所得到的焊接金屬變得富含銅，并且如果焊接也受到限制，這可能導致困難。對于以下情況，應使用C-Mn耗材，因為耐候鋼合金元素足夠釋放到焊池中以提供所需的耐腐蝕性：

使用SAW（121至125）和MAG（135和136）工藝，單道角焊接焊腳長度可達8 mm

對接焊縫采用每側一次成形

平頭對接焊縫采用SAW（121至125）的“穿通”（punch-through）技術

注意，對于熔透8 mm焊腳角焊縫提供與普通10 mm角焊縫相當的強度。

前兩種情況見公路工程規范第1805.5節。

對于多道角焊縫和對接焊縫，焊縫的主體可以使用C-Mn焊條制成，用“匹配”焊條蓋面，但重要的是任何暴露的翼緣也應該用“匹配”焊條蓋住。

然而，使用半自動SAW工藝和“匹配”焊條的多道對接焊縫給出了令人滿意的結果。這種焊接通常用于腹板和翼緣板中的預裝配對接，因此不受限制。這種對接板通常隨后在焊接后切割成它們的最終形狀，因此在整個焊縫厚度上具有完全耐候性是有用的。

剪力釘

接剪力釘并無耐候鋼材質的，并且實際上不需要具有“耐候”特性，因為它們完全包裹在混凝土中。因此，傳統的剪力釘可用于復合耐候鋼板梁，并且使用與傳統結構鋼板梁相同的拉弧焊接工藝。然而，耐候鋼通常具有較高的CEV，這在研究焊接工藝規程時需要考慮，并且可能導致需要在耐候鋼板梁的頂部翼緣板上額外預熱，特別是對于提供高散熱性能的厚翼緣板。

螺栓連接

所有螺栓連接都應使用符合ASTM F3125，A325級，3級或等效標準的耐候等級高強螺栓、螺母和墊圈。應該使用“部分旋轉法”擰緊它們。螺栓不適用于扭矩方法，BS EN 1090-2 禁止使用直接張力指示器（負載指示墊圈，DTI法），因為會產生裂縫，成為腐蝕陷阱。

噴砂清理至Sa2，符合最低標準BS EN ISO 8501-1 ，并應在制造后和現場交付之前進行，以協助形成均勻的銹蝕。應避免使用油漆、蠟或蠟筆等在制造和安裝過程中標記鋼結構，因為這些難以清除，并會干擾耐候過程。注意，水基涂料可用于標記，因為它在噴砂清理期間易于除去。

安裝

現場應小心存放和處理鋼結構，以確保不會損壞發展中的鐵銹。雖然“銹綠“將重新形成，但在此之前它將顯得不均勻。此外，應避免從橋面板混凝土操作中進行灌漿，因為它們會對鋼結構產生不利影響，并且可能需要在現場安裝后進行最后的噴砂清理。在施工期間，應保護橋墩和橋臺免受銹蝕，因為“銅銹”是通過將它們包裹在保護膜中形成的，直到進行最后的施工檢查。

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注解：部分旋轉法

部分旋轉法是高強螺栓施擰的一種方法，類似于組合方法，更大程度上依賴于旋轉而更少依賴于扭矩。因為它主要依靠旋轉來實現特定應變，并因此實現預加載，所以該方法不適用K1或K2類組件。 “公路工程規范” 中規定的方法已經針對尺寸為M24和M30的8.8級螺栓進行了驗證。通過部分轉彎方法收緊包括兩個步驟： 1. 使用扭矩扳手進行第一次擰緊步驟。扳手根據下表設定扭矩值。在開始第二步之前，必須在一個連接中完成所有螺栓的第一步。

部分旋轉法初始扭矩要求

第二個最終擰緊步驟，其中將指定的部分旋轉應用到螺栓組件。在第一步之后，永久地標記螺母相對于螺栓螺紋的位置，從而可以容易地確定螺母在該第二步驟中相對于螺紋的最終旋轉量。第二步是根據下面給出的值。

部分旋轉法的主要優點是它是一種應變控制方法，因此幾乎完全獨立于螺母和螺栓組件的摩擦和扭矩特性。部分轉彎方法引起一個特定的應變（與零件旋轉量和螺距相關），該應變遠遠超過彈性極限，并使螺栓進入荷載伸長率曲線相對平坦的區域，從而導致螺栓的預加載荷僅有微小的變化（誤差）。

這種一致性為鋼結構承包商和客戶提供以下好處：

可預測性：預應力總是超過規定的最小值

可靠性：易于控制和現場監督

經濟性：現場無校準，減少返工風險，降低成本

多功能性：適用于非合金鋼和耐候鋼橋

檢查

使用螺栓的成本的很大一部分與檢查有關。這是有效使用高強螺栓的關鍵，因此應嚴格按照BS EN 1090-2 的要求進行，或者根據公路工程規范的規定采用部分旋轉法。

涂裝

英國有一些案例，因美學原因，部分耐候鋼鋼橋外梁的外表面已被涂漆。然而，美學論證是主觀的，并且對耐候鋼進行涂漆會增加結構的成本和未來的維護要求。在某些情況下，外表面的涂漆對于允許在大氣環境中使用耐候鋼是必不可少的，否則會妨礙材料的使用，如海洋環境中箱梁的外表面。

在需要涂漆耐候鋼的地方，應使用與普通結構鋼相似的油漆涂料和類似的表面處理。新型耐候鋼上涂料的預期壽命至少相當于普通結構鋼上相同涂料的壽命，甚至可以認為壽命會更長，因為耐候鋼將抵抗受損油漆區域下的任何緩慢進行的腐蝕。

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檢查、監控和維護

所有橋梁都需要例行檢查，監控和不定期維護，以確保滿意的性能。在這方面，耐候鋼鋼橋也不例外。但是，重要的是要盡早識別這些橋梁偶爾易發的任何具體問題，以便采取適當的補救措施。

橋梁檢查

耐候鋼鋼橋的視覺檢查應由經驗豐富的檢查員至少每兩年進行一次。 “綠銹”的表面狀況是性能的良好指標。附著的細粒鐵銹“綠銹”表明腐蝕以可接受的速率進行，而粗糙的層狀銹層和剝落表明不可接受的耐候鋼性能。在視覺檢查中需要尋找潛在問題的其他跡象，需要調查的領域包括：

伸縮縫泄漏

積累污垢或碎屑

由于植被過度生長，表面會留下水分

排水系統故障

混凝土/鋼界面密封膠的劣化

螺栓連接處的腐蝕產物過多

如果目視檢查發現任何嚴重問題，應追查原因并盡快糾正問題。

監測鋼板厚度

耐候鋼鋼橋的腐蝕速率應每6年監測一次，通過測量結構上特定臨界點的剩余鋼材厚度。這些點應在竣工圖紙或橋梁維護手冊中定義。還應記錄在施工期結束時進行的原始測量厚度。

如果在18年的時間之后，結構壽命期間的截面損失超過原始預留量，則可能需要采取補救措施。建議采用18年這一年限，因為最初腐蝕速率很高，“綠銹”形成，然后減慢到更具特征的速度。

應使用專業的便攜式超聲波設備進行鋼材厚度測量，該設備不會損壞保護性銹蝕“綠銹”。典型的儀器具有體積小、重量輕、電池供電并具有數字顯示器（例如Cygnus 2儀器）等特點。這些儀器需要使用耦合劑材料，將來自探頭的信號通過綠銹傳遞到鋼中；水性的或易于除去的材料，例如壁紙膏或甘油，可以有效地做到這一點。這種儀器精確到+/- 0.1毫米。