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英國耐候鋼鋼橋技術之一

2020-12-16 11:37:12 作者：zjwcj 來源：說橋分享至：

耐候鋼是一種高強度低合金鋼，最初由美國鋼鐵公司在20世紀30年代開發，用于抵抗其礦車的腐蝕和磨損。它的商標名為Cor-ten，最初用于建造于1964年開業的伊利諾伊州莫林的約翰迪爾世界總部大樓。從那時起，耐候鋼的使用已遍布全球，在歐洲也有使用。作為“具有改善的耐大氣腐蝕性的結構鋼”，是一種非專利產品。

在合適的環境中，耐候鋼會形成粘附的保護性銹蝕“銹綠”，從而抑制進一步的腐蝕。腐蝕速率非常低，未上漆的耐候鋼制成的橋梁可以實現120年的設計壽命，只需要進行日常維護。因此，在適當環境中的詳細耐候鋼橋提供了有吸引力的、非常低維護的經濟解決方案。

英國第一座耐候鋼鋼橋于1967年建成，是約克大學的一座人行天橋，該材料在后來的30年左右用于英國各地的許多橋梁。然而，自2001年以來，在橋梁上使用耐候鋼的情況顯著增加，得益于此時刪去了一條規范，該規范限制了在高于道路的凈空高度小于7.5米的高速公路上使用該材料。它現在是各種橋面板的首選材料。

本文重點介紹了耐候鋼對橋梁的益處，描述了其使用的局限性，以及對材料可用性和這種橋梁外觀的評論。如果腐蝕率超過設計階段的預期，它還提供一系列問題的建議，包括設計和細節、制造和安裝、檢查和維護以及補救措施。

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耐候鋼或氣候防御鋼是用于描述具有改善的耐大氣腐蝕性的結構鋼的口語術語。這些鋼是高強度低合金鋼，與普通碳錳鋼相比，在正常大氣條件下具有更強的抗銹性。耐候鋼通常執行EN 10025-5 規范，并且具有與普通結構鋼相似的機械性能，符合EN 10025-2 。英國橋梁工程最常用的等級是S355J2W。

耐候鋼原理

由于潮濕和空氣的存在，所有低合金鋼都有生銹的傾向，其速度取決于氧氣、濕氣和大氣污染物進入金屬表面的速度。隨著銹蝕過程的進行，銹層形成氧氣、水分和污染物進入的屏障，并且生銹速度減慢。

在大多數普通結構鋼上形成的銹層是多孔的并且在一定時間后從金屬表面脫離，并且再次開始腐蝕循環。因此，生銹速率作為一系列近似于直線的增量曲線前進，其斜率取決于環境的侵蝕性。

對于耐候鋼，生銹過程以相同的方式開始，但鋼中的特定合金元素產生穩定的銹層，其粘附到基底金屬上，并且孔隙少得多。這種生銹的“綠銹”在交替潤濕和干燥的條件下形成，產生保護屏障，阻礙氧氣、水分和污染物的進一步進入，結果是腐蝕速率比普通結構鋼低得多。

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耐候鋼優勢

利用自動化制造和施工技術的使用耐候鋼常規鋼橋的好處，能夠為安全、快速施工、美觀、低梁高、最小維護和今后使用中的靈活性的要求提供經濟解決方案。耐候鋼橋梁具有所有這些品質，加上以下進一步的好處。

維護非常低

定期檢查和清潔應是確保橋梁繼續令人滿意地運行所需的唯一維護。因此，耐候鋼鋼橋非常適合未來維護難以或危險的地方，以及需要盡量減少交通中斷的地方，例如主要道路或鐵路。

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成本效益

雖然耐候鋼比普通結構鋼略貴，但是消除涂料系統可以節省額外的材料成本。因此，耐候鋼橋的初始成本與傳統的涂漆鋼替代品非常相似。這在英國八座橋梁的研究中得到了說明。然而，耐候鋼鋼橋還具有更低的整體壽命成本。耐候鋼鋼橋的最低維護要求極大地降低了維護操作的直接成本，以及維護期間交通延誤的間接成本。

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施工速度

由于消除了工廠和現場噴涂操作，因此總體施工持續時間減少。

外觀漂亮

耐候鋼橋梁的美觀經常與令人愉悅的環境融為一體，并且隨著年份越來越美。

環境效益

避免了與油漆涂料中的揮發性有機化合物（VOC）排放相關的環境問題以及未來維護工作中的噴砂清理碎屑的處理。

安全利益

由于維護很少，與未來維護相關的風險顯然最小化。還避免了與初始涂裝有關的健康和安全問題。這些問題與鋼箱梁的制造和維護特別相關，為了最大限度地減少內部通道要求（例如River Usk Crossing），耐候鋼越來越多地被采用。

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長期表現

耐候鋼鋼橋在英國有良好的記錄。 TRL的一項研究表明，過去20年建造的耐候鋼鋼橋通常表現良好。遇到問題時，它們通常是特定原因引起的結果，例如橋面板接頭泄漏，而不是耐腐蝕性能不足而引起。

使用限制

耐候鋼適用于大多數地方。然而，與其他形式的結構一樣，某些環境會導致耐久性問題。耐候鋼在極端環境中的性能不會令人滿意，在這種情況下應避免使用。

海洋環境

暴露于高濃度的氯離子，源自海水飛濺、鹽霧或沿海空氣中鹽分，是有害的。鹽的吸濕性對“綠銹”產生不利影響，因為它在金屬表面上保持持續潮濕的環境。一般而言，耐候鋼不應用于沿海水域2公里范圍內的橋梁，除非可以確定，按照BS EN ISO 9223，空氣中的氯化物含量不超過S2的鹽度分類（即cl<300mg / m2 /天）。

耐候鋼通常不應在距離海水2公里范圍內使用，該指導意見來自BISRA（英國鋼鐵研究協會）在20世紀80年代中期的研究。他們測量了英國各地許多地方距離海岸不同距離的空氣中氯化物含量，并發現空氣中的氯化物含量在距離海岸約2公里的一致距離處顯著減少。 CEGB（與輸電塔相關）的實踐顯示了類似的結果。

但是，應該注意的是，空氣中的氯化物含量（以及因此耐候鋼的適用性）取決于橋址的微氣候（即當地地形和盛行風向等），因此這個2km的數字不應被視為固定限制，它僅僅是基于可用數據的指導。

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除冰鹽

在耐候鋼鋼橋上方和下方的道路上使用除冰鹽，可能在極端情況下導致問題。這種情況包括：那些含鹽的徑流通過泄漏的伸縮縫直接流過鋼構件的情況，以及來自寬橋下道路的鹽霧，其中產生了“隧道狀”條件。在極端情況下，建議對薄弱部位進行局部涂裝。然而，對于大多數耐候鋼復合材料的通道（跨線）橋，鹽霧不太可能成為問題，即使在5.3米的標準凈空高度，現在也允許使用。 “隧道式”條件是指：狹窄下沉式路基及最小路肩寬度及垂直擋土墻，加之較寬的跨線橋及較小的橋下凈空和全高度橋臺，這兩者組合而產生的。在城市/郊區分離立交時可能會遇到這種情況。極端的幾何形狀導致道路鹽霧難以被氣流消散，并可導致橋梁上過多的鹽沉積。

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連續潮濕/潮濕的條件

形成粘附的“綠銹”需要交替的濕/干循環。如果不能發生這種情況，由于連續潮濕或潮濕的條件，耐候鋼必須按類似于普通結構鋼的腐蝕速率預期。例子包括耐候鋼鋼構件淹沒在水中、埋在土壤中或被植被覆蓋、。如果在這種情況下使用耐候鋼，則應涂漆，涂裝范圍應延伸到水、土壤或植被的水平之上。

在水面上的橋面可能處于潮濕條件，尤其是它們特別寬或具有離開水面較低間隙。因此，建議在水上橋梁采用2.5m的最小水面凈空，以避免這種潮濕條件。

大氣污染

耐候鋼不應用于存在高濃度腐蝕性化學品或工業煙霧（特別是SO2）的環境中。按照BS EN ISO 9223，污染等級高于P3（即SO2> 200mg / m2 /天）的環境將避免使用耐候鋼。然而，這是一個極端的水平，在目前大氣的工業污染限制下很少遇到。

過去曾對柴油煙霧對鐵路耐候鋼鋼橋的長期性能的影響表示關注。雖然柴油煙霧含有空氣中的硫化合物，但在一定范圍內，它們實際上通過與鋼中的合金元素反應形成不溶性腐蝕產物具有有益效果。

塔塔鋼鐵研究項目的數據顯示，高度污染的工業（含硫）氣氛中耐候鋼的腐蝕速率平均為2微米/年，而傳統結構鋼的腐蝕速率為50微米/年。在這些自然暴露試驗中，工業環境相對極端，即靠近工業焦化廠。

相比之下，通過列車產生的橋下的小氣候不太可能產生類似的環境條件。當機車直接在橋下靜止時，可以預期污染水平增加，但是暴露的持續時間和鋼鐵制品上的硫化合物濃度不可能超過200mg / m2 /天的限制。此外，來自柴油廢氣的沉積物的輕微油性也可以作為水的屏障并減少鋼的腐蝕。

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板材

符合EN 10025-5 [1]的S355J0W，S355J2W，S355K2W耐候鋼板在英國很容易獲得，其尺寸與普通結構鋼板相似。

截面形式

英國的耐候鋼軋制截面形式比普通結構鋼部分難以即時獲得，對于少量數量尤其如此。安賽樂米塔爾（ArcelorMittal）確實提供了這樣的截面形式，但他們的Arcorox手冊中有一個關鍵句子 - “最低訂購數量需要達成協議”。因此，強烈建議設計人員在早期階段與制造商確認所需的耐候鋼軋制截面的可用性。

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耐候鋼中軋制型材可能缺乏，但對主梁的供應沒有任何問題，因為它們可以用鋼板來制造（即使是普通的結構鋼，也很少使用軋制型鋼）。然而，角鋼、槽鋼和空心截面通常用于普通結構鋼橋上的連接構件，因此對于耐候鋼鋼橋，必須考慮替代方案。

可能的選擇是：

1. 使用未上漆的普通鋼材進行臨時支撐，之后將其移除

2. 使用留在原位的經過涂裝的普通鋼支撐

3. 在梁高范圍內使用平板支撐

4. 由耐候鋼板制造角鋼和槽鋼

不幸的是，這些選項都不是理想選擇。第一種選擇在施工過程中引入了額外的危險，通常應避免。第二個選項增加了維護要求（還有其他危險）。第三種選擇會妨礙永久模板和鋼筋的放置，并且會增加所需的梁板高度。由于制造不對稱截面的困難，第四種選擇比使用軋制部分更昂貴（比使用軋制部分）。因此，目前關于這個問題的行業建議如下：

雙主梁橋

這種橋的性質決定它們只需要在中間支撐處進行支撐。有時使用長度較短、軋制截面的“角支撐”，但最經濟的解決方案是使用自行加工的、高度較大的 “I”梁。

多主梁橋

避免使用“X”或“K”支撐，并采用“H”形結構的“I”梁作為剛性橫梁。然而，對于深梁，可能需要制造角鋼或槽鋼來形成三角形支撐系統。在這種情況下，這些可以高價制造。鋼結構承包商往往擁有豐富的知識和經驗，并樂于協助設計開發。建議與鋼結構承包商盡早討論，以便為特定項目實現最經濟的耐候鋼橋解決方案。

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高強螺栓

用于橋梁施工的耐候級別預應力螺栓通常在英國可用（僅限M24尺寸），但通常情況下它們是從北美進口的（以英制尺寸，即1英寸）。因此，推薦的方法是設計采用M24螺栓的連接，但使用也適合1英尺螺栓的螺栓間距（即符合最小間距要求），因為這將最大化鋼結構承包商可用的采購選擇，即它們可以用1英寸螺栓代替M24（如果需要），不會對連接的布局或設計產生不利影響。

現場景觀

成熟的耐候鋼橋非常吸引人，其外觀通常與周圍的鄉村融為一體。重要的是要注意顏色和紋理隨時間和曝光條件而變化。本文貫穿成熟耐候鋼橋的例子。

最初，風化鋼橋呈現橙棕色，許多人認為這種顏色沒有吸引力但在施工期間顏色變暗，隨著“綠銹”開始形成，并且在2 - 5年內鋼材通常會達到其特有的均勻深棕色。

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“綠銹”形成的速度以及特征顏色的形成速度主要取決于環境和暴露條件。在工業（硫污染）的大氣中，過程通常比在更清潔的農村環境中更快，最終顏色更深。耐候鋼的質地受到梁的朝向和遮蔽程度的影響。垂直表面、朝南和朝西的表面，以及經常進行濕/干循環的表面，形成平滑的細粒紋理，而水平表面、遮蔽表面和朝北的表面往往具有粗糙的顆粒紋理。

設計注意事項

通過遵循鋼橋設計和細節的正常良好實踐，可以實現耐候鋼橋的令人滿意的性能。然而，由于耐候鋼的性質，某些方面確實需要進一步考慮。

橋址的適用性

對于特定橋梁場地100％確定未上漆耐候鋼的適用性的唯一方法是根據BS EN ISO 9223中描述的兩種方法之一對大氣腐蝕性進行分類，一種基于環境數據，另一種基于環境數據腐蝕速率試驗。

環境數據方法

該方法結合了以下三個關鍵因素的測量值，以確定環境的整體腐蝕性分類（C1-C5）。

1. 潮濕時間

2. 大氣二氧化硫污染（P0-P3）

3. 空氣鹽度（S0-S3）

腐蝕速率方法

根據EN ISO 9226中給出的標準程序，測量在所需位置暴露一年的標準金屬樣品的腐蝕速率。不幸的是，環境和腐蝕速率方法都需要在一年內進行測量以獲得代表性的平均值。在大多數情況下，這在設計階段是不可能或不可行的，因此在缺乏科學方法的情況下，需要作出判斷。幸運的是，EN ISO 12944-2提供了分類C1-C5與可能在沒有測量數據的情況下使用的典型環境的描述之間的關系。

按環境分類

EN ISO 12944-2中介紹的腐蝕類別與典型環境之間的關系如下。這是一個很好的起點，并且在很多情況下被設計師使用而沒有進一步的佐證。

可以從現場訪問中獲得有助于做出判斷的進一步信息，以評估橋位置的性質。應與當地主管部門聯系，以確定未來的發展計劃，以防它們可能影響環境。可以考慮用于臨界情況的一種方法是在進行環境測試的同時繼續設計耐候鋼鋼橋。一旦獲得測試數據，耐候鋼鋼橋的使用將被確認為令人滿意，或者，如果不是，可以將設計修改為涂漆鋼替代品，只需減去腐蝕余量并指定保護涂層系統。但是，這種方法顯然取決于計劃的限制。

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力學性能

對于橋梁鋼結構的設計，關注的關鍵機械性能是屈服強度、極限抗拉強度、延性和韌性。耐候鋼（EN 10025-5）和普通結構鋼（EN 10025-2）的產品標準的比較表明，所有這些關鍵機械性能的規格要求是相同的。因此，為了設計目的，耐候鋼應被視為等同于普通結構鋼。

截面損失

雖然耐候鋼的腐蝕速率遠低于普通結構鋼，但腐蝕表面層的損失不容忽視。通過在每個暴露表面提供額外的厚度，高于滿足結構設計驗證所需的厚度，這樣來考慮耐候鋼損失。要增加的厚度取決于環境的嚴重程度；如果設計壽命為120年，建議使用以下參數。

這些預留厚度不應包括在應力分析的有效部分中。但是，進行結構的全局分析時，它們可以包含在部分屬性中。

注：

經過除冰鹽處理的高速公路上的橋梁應歸類為“嚴重”；

允許量適用于所有結構元素，包括加勁板和支撐等；

允許范圍適用于所有角焊縫和部分熔透對接焊縫

密封箱梁的內表面不需要設增厚余量

耐候高強栓不需要預留余量

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疲勞

在耐候鋼表面上存在小的腐蝕坑將導致未焊接、沒有開孔和應力集中的構件的抗疲勞性略微降低。然而，焊接細節中固有的缺陷或缺陷導致疲勞壽命的顯著降低（指與耐候鋼中的凹坑相比），因此，耐候鋼疲勞問題不必比普通結構鋼更受關注。

螺栓連接

對于所有螺栓連接，應規定具有符合ASTM F3125、A325等級、3類或等同物的化學成分的耐候等級預拉螺栓、螺母和墊圈。滑動系數可以采用普通結構鋼的滑移系數，并且研究表明：在制備和組裝之間，由于接合表面的氣候作用而引起的生銹效應通常并不顯著。

螺栓連接不可避免地引入重疊板，以及裂縫的潛在問題。然而，通過采用以下指導，仔細設計接頭將避免隨后與裂縫相關的腐蝕風險。

使用柔性蓋板確保良好的裝配；

與邊緣相鄰的螺栓間距不應超過14t和175mm的較小值

螺栓中心線的邊緣距離不應超過8t和125mm的較小值（其中t是較薄板的厚度）

如果不能滿足此指導，則應使用合適的密封劑保護接頭邊緣。

伸縮縫

允許含有鹽水流過梁端部的伸縮縫，已被確定為現有耐候鋼鋼橋劣化的主要原因之一。因此，伸縮縫選擇和細節需要仔細考慮。理想情況下，應通過使用連續和整體結構來避免伸縮縫。但是，如果伸縮縫是不可避免的，它們應遠離梁的端部，并應提供一個真正的非金屬排水系統，以避免任何鋼結構泄漏的情況。如果這不會減損橋梁的整體外觀，也可以謹慎地將安裝伸縮縫下方的梁端部直接油漆，油漆應選擇顏色以匹配耐候鋼成熟后的預期最終顏色。