1.1  鋼橋構件的腐蝕損傷

張素梅等^[1]采用通電加速腐蝕的方法，研究了對所受應力水平為0.3倍屈服應力工況下共60個Q420qD鋼材試件的應力腐蝕特征，并與相應無應力試件對比，得出關于腐蝕速率、腐蝕形貌、表面分形維數和蝕坑形態的四方面結論：（1）有應力試件和無應力試件腐蝕速率均表現為先快后慢，在目標腐蝕率小于18%時，有應力和無應力腐蝕速率近似為常數，且有應力試件的腐蝕速率近似為無應力試件腐蝕速率的1.15倍；（2）有應力試件腐蝕形貌發展快于無應力試件，且最終腐蝕形態都以均勻腐蝕為主；（3）有應力和無應力試件表面分形維數變化規律相似，均在腐蝕初期迅速增大，之后出現減小-增大-減小的周期性上下波動現象，有應力試件的分形維數大于無應力試件；（4）蝕坑形態以球冠狀為主，有應力和無應力試件單個蝕坑深度分布均能較好的服從正態分布規律；蝕坑徑深比變化范圍穩定于2~6之間，平均值在4附近波動。

Yuan, Yangguang等^[2]進行了斜拉索單根鋼絲的均勻腐蝕試驗，其過程可分為兩個階段，第一階段為鍍鋅層的腐蝕，第二階段是基體的腐蝕，在腐蝕的初步階段在腐蝕的鋼絲表面可以看到裂紋。腐蝕鋼絲表面的微觀形貌從致密的球形結構到多孔、中空和疏松的結構。第二階段基體腐蝕時，腐蝕產物呈小團塊狀、蓬松狀或花狀絮狀，隨著暴露時間的延長，腐蝕產物呈層狀、十字狀和砂粒狀。鋼絞線橫截面內鋼絲的空間腐蝕變異性也受到護套破損形狀的顯著影響。隨著暴露時間的延長，鋼絲不同分層之間的整體腐蝕差異程度減小。矩形斷裂形狀、方形斷裂形狀的護套與環狀斷裂形狀的護套相比會導致鋼絲腐蝕具有更強的空間變異性。兩個階段的均勻腐蝕深度呈線性增加。均勻腐蝕深度的速率逐漸減小，然后趨于穩定。應用動態廣義極值分布建立腐蝕導線的時間相關點蝕模型，單元最大點蝕因子可用Gumbel分布描述，位置參數和尺寸參數在第一腐蝕階段呈指數下降，在第二腐蝕階段呈線性下降，當護套整體老化或保護失效時，斜拉索相鄰層中鋼絲的腐蝕過程差異系數可用正態分布描述，平均值和變異系數分別為0.6758和0.2543。

Mihaela Iordachescu等^[3]研究了在環境作用和鍍鋅鋼絞線的局部剝離作用下導致部分鋼絞線在使用30年后疲勞性能的變化。從所進行的失效分析得出的結論是，發展在固定了斜拉索的橋塔內部的單一介質對暴露的鋼絞線產生影響之后，鋼絞線發生選擇性溶解、點蝕、擴展微裂紋和鋅涂層損耗，從而加強預應力鋼的應力腐蝕，直至失效。在實驗室中，對作用于鋼絞線護套部分30年的侵蝕環境的潛在損傷進行了定性復制和定量增加，并評估了30年服役后其對鋼絞線疲勞行為的影響。從護套失效的部分選取內部鋼絞線的樣本，對這些鋼絞線的試樣進行電化學加速試驗，復制了在服役斷裂附近的未護套部分發現的損傷特征。對這些試樣和商用錨固件進行的疲勞試驗表明，在30年使用和增加的適度人為破壞的條件下，只有高強度的氫電荷觸發了受損區域鋼絲的疲勞失效，并將疲勞壽命降低到規范值的二十分之一。受到飽和NaCl溶液或中等電化學氫電荷影響的鋼絲和有護套保護的鋼絲在30年的服役期后均可以滿足規范規定的疲勞強度。

張曉東^[4]利用微觀腐蝕疲勞機理(腐蝕坑和疲勞裂紋行為)與宏觀腐蝕疲勞特性(腐蝕環境下材料的疲勞抗力曲線(S-N曲線))重合部分求出裂紋擴展腐蝕加速因子，以此建立了正交異性板腐蝕疲勞耦合機理理論模型。該模型對比已有文獻疲勞試驗的疲勞強度降低了48.92%，由此，發現考慮腐蝕疲勞耦合效應會大大降低正交異性鋼橋面板的疲勞性能。利用ABAQUS建立了關于正交異性鋼橋面板的腐蝕疲勞模型，得到其不同應力幅值的腐蝕疲勞壽命預測，考慮腐蝕比不考慮腐蝕疲勞強度降低了48.92%。考慮了不同位置從1mm到35mm的裂縫分布，同時探究了橫隔板厚度、間距以及頂板厚度等參數變化對應力強度因子的影響。相較于橫隔板間距以及頂板厚度，橫隔板厚度的改變對應力強度因子影響較大。在環境腐蝕的作用下，正交異性板橫隔板弧形缺口疲勞裂紋擴展壽命會減小70.4%。在濕熱環境下的腐蝕因子明顯高于其他環境。由此可見濕度和溫度對腐蝕的速率影響較大。

圖1  文獻^[4]中橫隔板弧形區域裂縫選取位置

Zhao, Zhongwei等^[5]研究了點蝕對H截面鋼梁抗彎承載力的影響。首次研究了受拉翼緣和受壓翼緣的腐蝕影響。采用隨機有限元方法分析了點蝕的影響，提出了一種預測H型鋼梁剩余彎矩承載力的方法，該方法主要研究了腐蝕深度、質量損失率與彎矩承載力的關系。結果表明，該方法能準確預測腐蝕鋼的強度，之后可以建立腐蝕后H鋼的本構模型。需要注意的是僅當幾何尺寸滿足《鋼結構設計標準》（GB 50017–2017）時，方可采用該方法。

Zhao, Zhongwei等^[6]還研究了預測經受腐蝕的H梁抗剪承載力的分析方法，適用于小于1的任意材料的鋼腹板，公式通過鋼腹板腐蝕厚度，c、鋼腹板厚度和質量損失率χ，計算出基于均勻腐蝕推導的折減系數，計算必須考慮點蝕的影響，如果以均勻腐蝕代替點蝕，則結果偏危險。該方法在預測腐蝕鋼的強度方面取得了較高的精度。

1.2  鋼橋連接的腐蝕損傷

圖2  文獻^[7]中十字接頭和搭接接頭腐蝕前后應力云圖

Chen, Lin等^[8]實驗模擬了重慶大氣環境進行室內加速腐蝕試驗后，20MnTiB高強螺栓力學性能和腐蝕性能的變化，螺栓的抗拉強度、屈服強度、伸長率等參數降低，出現明顯的應力損傷。當材料處于有應力狀態時，會發生明顯的局部腐蝕加速。由于應力集中和腐蝕坑的綜合作用，高強度螺栓容易產生明顯的塑性損傷，降低抗外力變形能力，增加應力腐蝕傾向。

程海根等^[9]研究了腐蝕與火災兩環境因素對Q420qD高性能鋼角焊縫十字接頭疲勞性能的影響。對16mm厚的Q420qD鋼板采用橫向角焊縫十字接頭，加速腐蝕試驗和火災處理后，發現十字接頭在僅腐蝕處理和腐蝕與火災處理時的疲勞極限值分別比無處理時的疲勞極限值低24.85%和17.41%，腐蝕后，疲勞斷口裂紋源數量增多；受600℃火災溫度作用后，韌窩尺寸相對更大。結果表明腐蝕和火災都會降低十字接頭的疲勞性能，但當火災溫度達到600℃時，火災溫度會一定程度提高十字接頭的疲勞性能。

圖3  文獻^[9]中十字接頭疲勞斷口微觀形貌

文娟等^[10]參考重慶市生態環境局公布的大氣環境質量簡報，統計了模擬重慶市主城大氣降水的腐蝕溶液成分，基于此模擬結果在鹽霧試驗機中再現重慶市降雨條件下的腐蝕環境，并在鹽霧箱中加裝光照系統模擬日照。在朝天門大橋2013—2018年發現的81顆脫落斷裂的高強螺栓中選取具有代表性的6個樣品，對6個因腐蝕損壞的樣品及其對照的6個全新樣品進行試驗。觀察后發現失效后的高強螺栓基體化學成分、物相相對于全新高強螺栓均未發生顯著變化，但基體中的S、P、Cu元素含量略有升高。失效高強螺栓斷口表面及模擬腐蝕環境下的高強螺栓表面的腐蝕產物種類較多，EDS能譜分析結果表明，腐蝕產物中有S、Cl、Al、Si、K等元素的存在，XRD物相分析結果顯示，存在大量的Fe、Mn、Si等元素的氧化物及硫化鐵，推測高強螺栓的斷裂失效與大氣腐蝕（酸雨）、工業塵埃、交通揚塵包裹有關。

圖4  文獻^[10]中斷裂高強螺栓表面腐蝕產物形貌

1.3  腐蝕損傷對橋梁性能的影響

朱文等^[11]以白洋長江公路大橋為研究對象，分析了大氣腐蝕作用對這座橋梁主梁鋼桁架結構應力分布變化趨勢的影響。根據宜都地區的氣候和大氣狀況，得到了相應的大氣腐蝕預測模型，根據腐蝕預測模型得到了100年白洋長江大橋鋼桁梁的弦桿和腹桿截面變化數據，數據表明：在100年時，弦桿截面腐蝕程度達到了12%，腹桿截面腐蝕的程度達到了15.2%。將截面損失后的橋梁建立Midas模型，模型計算分析后得知所有桿件的應力增加在5%-25%之間，大氣腐蝕對上弦桿的應力變化影響較小，腹桿的應力變化受影響較大，對橋梁的安全狀態產生威脅，因此大氣腐蝕問題不容忽略。

王宇皓^[12]通過對腐蝕模型的根據截面強度的驗算公式，對鋼主梁段的最大正應力進行研究，結果表明：在100年腐蝕期內，鋼主梁的腐蝕不會引起結構前6階模態振型的改變。整個腐蝕期內，最大正應力為壓應力的橋梁區域其應力水平都有不同程度的提高，其中主梁8節段達到了最大應力增幅25.5MPa。隨著腐蝕的進行，腹板所承受的剪應力呈拋物線顯著增加，且增速越來越快，在100年時達到腹板承受的剪應力峰值。腐蝕使腹板所受到的剪應力提升了約50%。鋼主梁梁端撓度值隨腐蝕深入無明顯變化，而跨中截面的撓度值呈線性增加，但增幅僅為0.017 m；在100年腐蝕期內鋼梁段的最大撓度僅為0.689m，遠沒有達到豎向撓度限值1.9m。雖然橋梁的各項力學性能指標都符合規范的要求，但主梁在服役期間一直處于高應力工作狀態，剪應力又對腐蝕非常敏感，橋梁在海洋環境的使用中還是要注意腐蝕造成的影響。

陳嘯銘^[13]以結構可靠度理論為基礎，針對一座大跨懸索橋鋼桁梁構件的時變可靠性評估進行了系統的研究。根據大跨懸索橋健康監測系統的海量數據和大氣環境中的溫濕度數據，建立了腐蝕環境下鋼桁梁構件抗力衰減模型，基于此模型可以較好地預測橋梁在服役期內的腐蝕和疲勞情況，并判斷腐蝕疲勞耦合作用下橋梁的力學性能是否滿足可靠性指標。通過該模型模擬發現在良好的防腐條件下鋼構件的抗力近似呈緩慢地線性衰減，服役至第100年仍具有較高的抗力；相反，鋼構件在缺少防腐措施的條件下，其抗力呈近似地指數衰減，服役至第90年時將喪失承載能力。鋼桁梁處于良好防腐養護的條件下，鋼桁梁服役100年的極限強度仍滿足規范要求，當結構服役到第115年才低于目標可靠指標；相反，鋼桁梁缺少防腐養護條件下，57年時構件的可靠指標便低于規范值。在腐蝕疲勞耦合作用下，隨著結構的服役時間增長，由疲勞損傷引致的腐蝕構件材料性能下降愈發顯著，其抗力于服役的中后期衰減迅速。因此鋼結構橋梁腐蝕引起的抗力衰減不容忽視。

章宏輝等^[14]基于鋼橋研究現狀和延長鋼橋使用壽命任務需求，對長興縣某座鋼桁架橋梁開展系統調研。應用無人機檢測技術對鋼桁架橋梁外觀進行全方位圖像采集，檢測確定已存在的病害種類、數量，形成橋梁病害檔案，提出典型病害處治及養護措施。檢測后發現橋梁主桁架橫向構件產生銹蝕的頻率高于其他垂直構件產生銹蝕的頻率，構件向上表面銹蝕的頻率高于其他面的頻率，構件邊角周圍也是銹蝕病害常見發生的位置，這一類位置有主桁梁外伸翼緣處和腹桿邊角等。另外由于氣候和施工階段操作的原因，發現了多處漆膜開裂、剝落、變色的現象，同時伴隨有構件連接處的螺栓、連接板銹蝕，甚至出現螺栓因腐蝕而脫落失效的現象。因此建議保持鋼桁架橋梁整體清潔度。施工完成后應清除所有遺留的建筑材料，必要部位重新清洗涂漆。運營階段，管理養護部門需定期對整橋巡檢，清理下桁底部的廢棄物，去除腹桿表面吸附的油污、灰塵，發生銹蝕的部位需除銹后重新噴漆。

Wu, Weiwei等^[15]基于Miner的線性累積損傷概念，提出了一種簡化的線性腐蝕預測模型。線性腐蝕預測模型經過理論計算，可以合理地將局部環境腐蝕因素引入疲勞試驗。等效腐蝕疲勞試驗可以驗證鋼結構橋梁的疲勞抗力是否滿足設計要求。結果表明：在目前的等效腐蝕疲勞試驗中，大氣腐蝕使所研究的鋼結構橋梁的壽命降低了29.5%。引入腐蝕預測模型后，鋼結構的整體應力分布和剛度退化表現為：應力集中發生在損傷破壞前的損傷區域。整體剛度退化呈現三階段分布。從預測模型結果來看，中間階段是一個穩定發展階段，約占整個生命周期的80%。初始階段和故障階段約占每個階段的10%。鋼材的腐蝕作用不能忽略。

陳堯^[16]結合試驗結果建立了考慮腐蝕環境、外加應力作用和腐蝕時間的鋼材應力-應變曲線，為非線性有限元分析時材料本構模型的定義提供參考。運用ANSYS/PDS模塊建立了工業大氣環境下6層76m高的窯尾預熱器塔架模型，對其進行可靠度計算，并對結構設計強度和剛度指標的靈敏度進行了分析。支撐在服役第27年后，其最不利支撐的可靠指標低于目標可靠指標的要求；框架柱在服役第30年后，最不利柱的強度可靠指標降低為3.106，出現失效。梁將在結構服役第42年時，其撓度（結構的適用性）可靠指標低于結構目標可靠指標。實際鋼結構工程中，鋼結構構件的平均腐蝕率應控制在20%以內。從結構全壽命角度出發，提出考慮腐蝕環境的鋼結構全壽命性能化設計方法，根據鋼結構所處腐蝕環境的不同，提出多層次耐久性設計目標，并給出相應的耐久性量化指標，包括缺陷面積、腐蝕評級和強度折減系數等。針對不同大氣環境給出鋼結構50年設計基準期內的腐蝕裕量設計建議值。綜合考慮腐蝕環境因素，根據可靠性設計原理，建立了鋼結構“三水準”全壽命性能化設計方法，并根據不同的設計水準，提出相應的耐久性設計目標。

圖6  文獻^[17]中組合梁及栓釘有限元模型

圖7  文獻^[18]中測量系統布置

圖8  文獻^[18]中4.5mm壁厚試件強度承載力折減系數曲線

2.1  基于圖像識別的鋼橋腐蝕檢測

圖9  文獻^[19]中采集的原始圖像和AI檢測的結果

Han, Qinghua等^[20]利用無人機圖像識別和定位鋼結構表面的腐蝕區域。采用SLIC超像素分割算法對無人機圖像進行分割，主要依據K和m兩個參數，其中K是需要生成的像素數，m是用于控制顏色距離和空間距離的相對重要性的一個常數，當參數m為60，參數K為700時，SLIC超像素分割方法在無人機圖像上實現了優越的處理性能。基于增強圖像特征提取的FPN和PANet算法可以提高圖像質量，訓練后的腐蝕識別準確率可達97.15%。以天津津埠大橋為例，驗證了該方法的實用性，其誤差約為4%。結果表明，先處理圖像后再使用訓練過的人工智能的兩級監測方法可以確定腐蝕面積的比例和結構的相對位置。所提出的方法可以通過與無人機相機功能的集成，用于橋梁鋼結構腐蝕的初期和全面檢測。

圖10  文獻^[20]中基于無人機圖像的腐蝕率處理結果

圖11  文獻^[21]中基于卷積神經網絡的腐蝕減薄程度評價方法

朱勁松等^[22]提出了一種基于深度學習的鋼結構表觀病害識別方法。該方法將卷積神經網絡Inception-v4和遷移學習相結合，分別采用遷移學習中特征提取和微調2種訓練方式獲得2種模型，并與全新訓練的Inception-v4模型進行對比。采用3365幅鋼橋病害圖像分別對特征提取模型、微調模型與全新訓練模型進行訓練和驗證，對比了批大小（batch-size）和學習率對模型訓練效果的影響，并對這2個參數進行了優選；最后，采用377幅病害圖像進行測試，得到特征提取模型、微調模型和全新訓練模型訓練一個時期（epoch）的時間分別為47.2、119.2、121.8s，測試正確率分別為89.39%、97.88%與91.25% 。結果表明：遷移學習的2種模型較全新訓練模型，減少了數據的需求量，提高了運行效率和病害識別準確率；微調模型經歷較少的epoch，便可達到較高的測試準確率，更適于鋼橋病害識別的實際應用。

Mohamed El Amine Ben Seghier等^[23]基于全球數據庫，提出了一種新的預測模型，用于估算年腐蝕速率與周圍環境特性的函數關系。將多層感知器（MLP）與海洋捕食者算法（MPA）這一新的元啟發式算法結合起來，作為解決當前問題的新框架。此外，還實現了兩種強大的算法，即粒子群算（PSO）和遺傳算法（GA）來表示該框架的能力。還將該框架的性能與現有的機器學習模型支持向量回歸的高斯核函數（SVR-RBF）進行了比較。與最優模型(SVR-RBF)相比，采用改進后的MLP、MLP- ga、MLP- pso和新MLP- mpa模型的改進值分別為3.54%、4.86%、9.59%和14.02%。此外，采用MPA優化的MLP混合模型在采用所有比較準則的板條箱預測中表現出良好的性能。MLP-MPA模型的預測性能優于本研究中所有其他人工智能模型，其預測能力較好，總體上產量R2最高(0.9532)，RMSE最低(13.183 lm/ year)。

圖12  文獻^[23]中基于元啟發式算法的MLP自動優化模型

2.2  基于電磁原理的鋼結構腐蝕檢測

圖13  文獻^[24]中開發的檢測設備及在斜拉橋上的應用

Xia, Runchuan等^[25]在利用自發磁漏原理檢測鋼結構內部病害時，初始結構磁場的分布受結構差異的影響很大，但仍存在局部起伏現象。波動的周期性規律可以看出，曲線的峰谷距離相對穩定，平均為237.8mm。腐蝕引起的SMFL信號受測量距離的顯著影響。信號在10cm范圍內迅速衰減，但當距離超過20cm時趨于穩定。此外，當測量距離為1cm時，腐蝕對磁場的影響面積約為腐蝕區的2倍。磁場曲線的極值與索力之間不存在明顯的單調相關性。由于測量距離和初始結構的區別，直接比較磁信號來確定腐蝕程度是不可靠的。因此，考慮到初始結構磁場和測量距離的影響因素，可以采用無量綱損傷分析指數X和腐蝕比α進行定量研究。結合所有試件的數據分析，說明了鋼絞線對指數X存在微小影響。最大指數與腐蝕比α之間存在著很強的相關性，隨著腐蝕比α的增加，平均值顯示出明顯的增長趨勢。通過三次多項式擬合，擬合優度達到0.9914。方差與腐蝕比α正相關，這表明由于結構差異，損傷分析指數X離散性增加。因此適合于微損傷識別。

圖14  文獻^[25]中損傷分析指數X平均值和方差隨腐蝕程度的變化趨勢

圖15  文獻^[26]中纜索索磁通損傷識別儀器測試位點

Jancula, M等^[27]研究了無損檢測磁巴克豪森噪聲檢測技術（MBN）在鋼結構上的應用。當腐蝕層厚度較低時，MBN包絡線最大位置與拉應力的變化趨勢與有效值的演變趨勢相反。當腐蝕層的厚度在MBN讀數深度中占主導地位時，MBN包絡線最大位置隨拉應力逐漸增長，MBN包絡線最大寬度隨腐蝕層厚度的增加以及疊加拉應力而降低，MBN波動的數量最初隨著應力下降，隨后隨拉應力的增加而提前飽和。因此，建議使用MBN參數組合來評估拉應力和腐蝕層厚度。

圖16 文獻^[27]中MBN脈沖高度分布（a）腐蝕1天；（b）腐蝕65天

綜合橋梁全生命周期來看，對鋼材本身進行防腐是最高效的手段。耐候鋼是在低碳鋼的基礎上添加耐腐蝕的金屬元素，使鋼材表面形成致密和附著性很強的保護膜，阻礙銹蝕往內部擴散和發展，保護銹層下面的基體，以減緩其腐蝕速度。除了關注于特定元素對鋼材耐腐蝕的影響，還發現在實際的使用中耐候鋼的性能表現可能會受到較多因素的影響。

王岳峰^[28]實驗設計了3種不同鉻含量的耐候橋梁鋼，Cr含量的增加會提高鋼材的屈服強度和抗拉強度，但會降低伸長率，高含量的Cr會使沖擊吸收功減小幅度較大。拉伸破壞屬于韌性斷裂，但隨著Cr含量的提高，韌性斷裂區所占比例減小。通過實驗室加速腐蝕實驗，測定腐蝕后銹層的組成和鉻元素對腐蝕的影響。在海洋大氣環境中，銹層由三層組成：內銹層，外銹層，最外層銹層。Cr只存在于內銹層中，在腐蝕的中后期納米晶粒開始形成，在這一階段中Cr含量提高會影響銹層的保護性能，Cr的含量增加速率與防腐性能提高速率呈反比。在工業大氣環境中，銹層由內銹層與外銹層組成，內銹層的結構受Cr含量的影響而不同。在腐蝕初期，Cr含量提高反而不利于耐候鋼腐蝕性能的提升，在腐蝕中后期，Cr含量的提高會導致非晶物質的生成，對防腐蝕性能的提高起到決定性作用。

王如玉^[29]以Q420qENH 鋼為試驗材料，對添加不同含量Ti元素的試驗鋼進行力學性能測試并進行顯微組織觀察。顯微觀察發現隨著Ti含量從0.044%-0.144%的增加，塊狀鐵素體數量顯著減少，粒狀貝氏體數量增加，M-A組元數量增加，晶粒尺寸細化，耐候鋼的屈服強度由439MPa增加到596MPa，抗拉強度由603MPa顯著增強至793MPa，試驗鋼強度得到顯著提高，但沖擊功由212J降低到12J。原因為TiN夾雜物尺寸由4.31µm增加到10.61µm；TiN夾雜物的存在導致試驗鋼在-40℃下沖擊韌性顯著惡化。在初期腐蝕試驗中，TiN夾雜物周圍的試驗鋼基體在腐蝕介質的作用下首先發生溶解，形成蝕坑；隨著腐蝕時間的增加，在TiN夾雜物處聚集有大量的γ-FeOOH和少量的α-FeOOH，可以阻礙點蝕進一步發生，使耐候鋼發生均勻腐蝕。

汪志甜等^[30]選取普通低碳鋼Q345qD和耐候鋼Q345DNH進行掛片試驗對比，試驗在室外進行，采用掛片+澆水的方式進行，腐蝕液選用0.01mol/L的NaHSO3溶液和3.5%的NaCl溶液。實驗發現兩種鋼材在8周的加速試驗后宏觀形貌并無明顯區別，腐蝕過程中兩種鋼材的重量損失均隨時間的延長而增加，但耐候鋼的失重速率明顯低于低碳鋼,，說明耐候鋼的銹層對基體有一定的保護作用，耐蝕性能較好。實驗中還發現，在澆3.5%的NaCl溶液時，隨著時間的延長，耐候鋼和碳鋼表面均發生了嚴重的局部腐蝕，形成了較深的腐蝕坑槽，表面發生了鱗片狀剝離，說明該種Q345DNH耐候鋼不適合在海洋大氣中使用，在使用除冰鹽時也要注意及時清除。

圖17  文獻^[30]中耐候鋼銹層的外觀

陳堯^[16]開展了無防護碳鋼（碳鋼）、鍍鋅防護碳鋼（鍍鋅鋼）同時在 4200h 模擬海洋大氣環境和 960h 模擬工業大氣環境下的腐蝕行為試驗研究，采用萬能試驗機和電化學工作站相結合的方法，研究了外加應力與腐蝕環境耦合作用對碳鋼和鍍鋅鋼腐蝕速率的影響，并通過失重法進行了驗證，結果表明：應力的存在能夠顯著地減小碳鋼和鍍鋅鋼表面電阻，提高電解質在鋼材表面的溶解速率，從而加快鋼材腐蝕速率。鋼材的腐蝕速率與彈性應力水平、腐蝕電解液、鋼材防護條件有關。隨著彈性應力的增大，腐蝕速率加大。腐蝕電解液的差異和鋼材強度等級的不同對腐蝕加速效應的影響很小。

Zhang, Yu等^[31]制備了20個美國常用的高性能鋼HPS70W試樣和20個中國常用的典型耐候鋼Q345CNH試樣，以研究其腐蝕性能，包括均勻腐蝕和點蝕。通過加速腐蝕試驗和疲勞試驗，建立了該鋼在自然環境和實驗室環境中的疲勞性能之間的聯系。腐蝕試驗表明，點蝕缺陷以簇狀隨機分布在試樣表面，HPS 70 W比Q345CNH具有更好的抗點蝕性。在60、120和180次腐蝕循環后，HPS 70 W母材的疲勞強度降低分別為31.9%、32.5%和35.7%。同樣，在60、120和180次腐蝕循環后，Q345CNH的疲勞強度分別降低了22.6%、29.1%和38.3%。在腐蝕初期，HPS 70 W疲勞強度降低的速率更快。失效試樣的斷面分析表明，點蝕缺陷是腐蝕疲勞過程中產生疲勞裂紋的主要原因。腐蝕HPS和WS的疲勞性能與腐蝕程度，尤其是點蝕深度有關。此外，裂紋點蝕缺陷的深度是不同腐蝕循環后HPS 70 W疲勞強度降低程度不同的原因，因此更深的點蝕缺陷會導致疲勞強度的降低。經過腐蝕試驗，銹層具有較高的強度和致密性。然而，腐蝕試樣的疲勞試驗表明，當應力范圍低于222.2MPa時，銹層會開裂并破裂。在應力范圍高于244.4 MPa的情況下，整個銹層在5000次加載循環中迅速分解，所以耐候鋼的防腐與應力狀態有重要的聯系。

圖18  文獻^[31]中耐候鋼在222mPa產生裂縫

圖19  文獻^[32]中鋼箱梁腐蝕后內部的形貌

圖20  文獻^[33]中在腐蝕試驗箱中暴露3個月后的螺栓（a）B6（b）B8

蘇翰等^[34]為了研究腐蝕作用對耐候鋼對接焊縫疲勞性能的影響，試驗研究了南京大氣暴露腐蝕1年后耐候鋼對接焊縫試樣8個應力幅下的疲勞性能，并采用掃描電子顯微鏡和超景深三維顯微鏡研究了試樣的疲勞破壞機理。由95%置信度S-N曲線求得的疲勞強度比未腐蝕試樣低14.4%，但仍比設計疲勞強度高25．6%；大氣暴露腐蝕試樣的疲勞破壞是由多個點蝕坑同時作為裂紋源導致裂紋萌生并擴展所引起。

Han, Xu等^[35]研究了A709-50CR梁在老化多梁鋼橋中替代銹蝕碳鋼梁的應用。A709-50CR是一種在美國和加拿大生產的作為雙相不銹鋼的低成本替代品的防腐鋼材，A709-50CR在損傷橋梁的維護保養中具有潛在經濟效益。對僅由碳素鋼梁組成的橋梁上部結構和由兩種鋼梁組成的橋梁上部結構，進行了系統可靠度分析，得到了時變可靠度曲線。基于可靠性剖面和相關的失效風險，進行生命周期優化，以確定何時和哪些梁需要更換。對于海洋環境中受大氣腐蝕的橋梁，A709-50CR的腐蝕速率約為碳鋼的0.1%-5.3%。A709-50CR具有較高的耐蝕性，不需要對A709-50CR主梁進行油漆/重漆或其他與腐蝕相關的維護。A709-50CR用于主梁更換時，可有效減少重大維修動作次數。因此，與使用碳鋼相比，使用A70950CR代替銹蝕梁具有相當高的成本效益。成本效益取決于A709-50CR對碳鋼的成本溢價和對碳鋼主梁的重新粉刷的成本。但仍需考慮碳鋼重漆的價格水平和耐候鋼的溢價。由于碳鋼與A709-50CR界面處存在電偶腐蝕，在現有的碳鋼橋架上使用A709-50CR時應注意。這種腐蝕機制可以通過添加非金屬填充板等特殊措施來緩解。

圖21 文獻^[35]中與失效模式相關的年度可靠性指標（a）低碳鋼梁（b）A709-50CR梁

除提高鋼材自身耐腐蝕性外，可通過涂裝、陰極保護、濕度控制等被動或主動措施來防止橋梁腐蝕，或已經遭受腐蝕損傷的橋梁進行維護。

Li, Shengli等^[36]研究了外加電流陰極保護（ICCP）方法在橋梁索結構中的應用。因為鋼絲所在的大氣環境幾乎不能為ICCP系統提供電解質溶液，所以很少用于橋梁索結構（如斜拉索）高強度鋼絲的腐蝕保護。然而，雨水在降雨條件下會積聚在電纜表面并形成水溝，這種雨水水溝可以用作高強度鋼絲ICCP系統的電解質溶液，所以在此基礎上提出了降雨環境下高強鋼絲的ICCP防腐方法，并在模擬動態雨水環境中研究了不同保護電流密度對斜拉索鋼絲腐蝕速率的影響。結果表明：與未加保護的鋼絲相比，有ICCP保護的鋼絲表面在腐蝕試驗后更平整，腐蝕坑數量和尺寸顯著減少，腐蝕速率顯著降低。因此，ICCP在整個試驗期間都發揮著保護作用;但不同流量下保護效率略有不同。在0.7mL/min的流速下，鋼絲在任何保護電流密度下都能得到有效保護，而在7mL/min和14mL/min的流速下，保護電流密度為20mA/m2時，腐蝕速率仍隨時間顯著增加，當保護電流密度達到60mA/m2時鋼絲才能得到有效保護。

圖22  文獻^[36]中在不同電流條件下28℃腐蝕20天后的平均腐蝕率

圖23  文獻^[37]中的纜索除濕系統

新型防腐涂層是近年來研究熱點，高性能的涂層有更強的防腐蝕性能和耐久性，近期有許多新開發的涂層材料被應用與鋼結構橋梁的建設和維護中。

王濤等^[38]通過對多元素粉末共滲、不含重金屬的水性硅酸鹽鈍化液鈍化和調色封閉成套技術（PCA）的研究，開發出一種以PCA方法進行防腐處理的鋼材并進行防腐蝕試驗，結果顯示:經多元素粉末共滲技術處理后的鋼構件，其表面共滲層為含鋅、鐵、鋁元素的合金層，與基體結合緊密;使用不含重金屬的硅酸鹽鈍化液在共滲工件表面形成鈍化膜，對工件表面滲層缺陷具有良好的修復與鈍化能力。鈍化處理的共滲樣品具有良好的耐鹽霧性能，鈍化后樣品鹽霧1200h未見紅銹;使用水性單組分烤漆對試樣進行封閉處理可以提高其耐腐蝕性能和耐老化性能;經過PCA技術處理的鋼橫梁整體耐中性鹽霧可達1200h以上。通過現場2年多的實際使用，效果良好。

喬娟等^[39]對一種公路橋梁鋼結構專用重防腐底漆進行了研究，該底漆以雙酚A型環氧樹脂、聚四氫呋喃200、聚酰胺等為原料。并且合成了一種新型電位添加劑，將該電位添加劑與鋅粉適配后，漆膜的耐鹽霧性能會大大提高，鋅粉含量越高，底漆耐鹽霧性越好，但鋅粉質量分數超過80%時，底漆力學強度有所下降。試驗對該漆膜的力學性能、耐鹽霧性能進行了測定和分析，結果表明該底漆的不揮發分、適用期、彎曲性能、耐沖擊性、耐鹽霧性能等性能指標均好于普通底漆。在防止銹蝕方面有明顯改善。綜合評價該底漆綜合性能要優于普通底漆。

Li, M L等^[40]通過3-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）與α-磷酸鋯（α-ZrP）的共價反應，制備了一種新型的α-ZrP有機衍生物磷酸鋯/3-氨丙基三乙氧基硅烷納米復合材料（K-ZrP）。通過優化配方制備了水性環氧防腐復合涂料，并將其應用于Q235鋼基體上。KH550可以實現納米填料、聚合物基體和基體之間的交聯，改善無機填料顆粒在聚合物基體中的分散性。表征結果表明，引入含胺端基的KH-550可有效改善環氧樹脂基體與ZrP納米片的相容性，進而提高水性環氧防腐涂料的性能。根據電化學測試結果，涂有以K-ZrP為功能填料的水性環氧復合涂層（KWEPc）的Q235鋼基體的腐蝕速率（每年4.3x10^-6毫米）與不添加任何顏料的水性環氧涂料（WEPc）（每年4.54x10^-5毫米）相比顯著降低，防腐性能提高大約10倍。

圖24  文獻^[40]中水性環氧防腐復合涂料的制備流程

葉黎鵬^[41]根據目前防腐技術，選取3種典型橋梁鋼結構大氣區防腐涂層配套對比，按ISO 12944-9：2017進行4200h循環老化測試。得出結論三種涂層均能滿足規范CX級別防腐的要求。在工程實例廈門第二東通道鋼箱梁外表面的應用中，對比實驗的三種涂層組合的結果，選用第二種方案，采用環氧富鋅底漆、環氧云鐵中間漆和氟碳面漆的方案，氟碳涂料由于氟元素的電負性大，C－F鍵長短、鍵能強而不容易在紫外光的照射下斷裂，具有優異的耐老化性，其涂層表面能較低，漆膜堅韌，耐沖擊性、耐磨性和抗屈曲性等力學性能較好，對于長期行車而產生應力的橋梁而言具有顯著優勢，此外，氟碳涂料與環氧云鐵中間漆具有良好的配套性。綜合成本和性能來講適合作為該工程實例的防腐涂層使用。

孫大斌^[42]重點研究石墨烯鋅底漆涂層的耐鹽霧性能，并開展了相關試驗。試驗設計的樣板涂層厚度均為25µm，干膜鋅含量均為60%，石墨烯含量分別為0%、0.1%、0.2%、0.5%、1%，其余配方完全一致。試驗結果表明：不添加石墨烯的樣板涂層樣板耐鹽霧24h劃痕處有紅銹，400h樣板表面起泡嚴重，不能對樣板達到很好的保護效果。添加石墨烯后，可有效提高涂層的耐鹽霧性能，隨著石墨烯添加量的增加，涂層的耐鹽霧性能逐漸變好，但當石墨烯添加量達到1%時，過量的石墨烯以及其高比表面積會造成涂層孔隙率增大，涂層耐鹽霧性能變差。實際使用后檢測發現：厚度80µm的石墨烯鋅底漆涂層耐鹽霧性能試驗4500h，樣板表面無起泡、無生銹、無開裂、無剝落，劃痕處24h無紅銹，其他各項性能指標均滿足或優于鐵路行業標準性能指標要求。涂層耐人工加速老化性能試驗6800h，漆膜無明顯變色、無粉化、無開裂、無起泡、無生銹、無剝落，保光率≥90%，新型石墨烯鋅基氟碳超耐久防腐涂裝體系防腐性能優異，設計防護年限可達30～50年。研究成果可應用于不同大氣腐蝕環境下鐵路橋梁及其他領域的鋼結構長效防腐涂裝設計。

圖25  文獻^[42]中不同石墨烯添加量的底漆耐鹽霧性能

佘安宇等^[43]對高分子彈性密封材料在鋼結構防腐的應用進行了研究。高分子彈性密封材料具有優異的密封性和彈性，使用后能隔離水、酸、堿、鹽等環境對鋼結構的腐蝕，相比傳統油漆材料的脆性防腐，具有更長的有效使用壽命，被越來越多地用于橋梁鋼結構的防腐密封。目前，橋梁領域用于鋼結構彈性防腐密封材料依據主體材料結構可分為聚硫密封材料、硅改性聚醚密封材料、改性聚硫密封材料三類，選取了采用這三種材料進行防腐處理的試件并進行測試。綜合測試數據得出：聚硫、硅改性聚醚和改性聚硫三種材料結構中，聚硫密封材料的本體防水密封性明顯優于硅改性聚醚和改性聚硫結構密封材料，彈性密封材料主體結構相同時，配方組成也會影響與鋼結構的防腐密封效果。所以，充分結合工程工況評估彈性防腐密封材料的本體密封性和老化耐久性能，進行合理選材，才能切實提高橋梁工程的防腐質量及有效年限。

董鑫等^[44]結合乍浦港大橋的實例，在C5-X腐蝕環境下采用了一種石墨烯改性重防腐涂層，對該涂層2年運營后的性能評價綜合等級進行了評估。石墨烯是碳原子以特殊方式排列組成的新型二位片狀材料，理論直徑只有0.335nm，具有優異的導電、導熱和光學性能。采用環氧石墨烯鋅底漆、環氧石墨烯中間漆、碳氟面漆的涂裝方案，在橋梁通車運行兩年后，對大橋表面防護涂層的防護性能進行監測，檢測指標包括涂層外觀、附著力、漆膜厚度、耐老化性能等，綜合比較后認為該橋梁對乍浦港大橋鋼箱梁防護性能良好。

圖26  文獻^[43]中涂層老化24個月后與涂裝前光澤對比測試數據

圖27  文獻^[45]中波形鋼腹板表面涂層磨蝕率分布云圖

趙富康^[46]通過ANSYS模擬鋼混組合梁防腐涂層在汽車活載等疲勞應力作用下表面漆層的變化，得出改變防腐質量的影響因素主要有溫度循環次數、溫變荷載和靜應力有關，不同工況的面漆、中間漆和底漆涂層附著力隨溫度循環次數的增大呈減小趨勢；靜應力和溫變荷載對鋼-混組合梁面漆涂層的劣化影響較大，無靜載作用下的面漆涂層僅在溫度循環下的附著力減少了近30%，0.7倍屈服荷載下中間漆附著力較無靜載條件下降低一半左右。將鋼混組合梁簡化設計實驗試件，在環境模擬試驗箱中模擬靜載作用下由于環境溫差導致的涂層的劣化過程，總結了影響涂層附著力的因素主要為靜載大小和溫度循環次數，提出了一個可以預測鋼混組合梁涂層使用壽命的公式。通過推導的涂層剩余壽命預測公式，可預測鋼-混組合梁涂層在實際靜荷載與溫變疲勞耦合作用下的使用壽命及力學性能。

Anseob Shin等^[47]研究了有機涂層在暴露于直接熱源后的降解情況，包括涂層的外觀、表面形貌、有機結構、機械性能、熱特性和阻抗。材料色差(DE)在300℃時迅速增加，在400℃時，光澤值迅速下降，在300℃時，部分區域發生樹脂溶脹和表面變形，導致表面形貌發生變化。在400℃聚合物炭化引發后，氟面漆被除去。在400℃以上，涂層的破壞程度迅速增加，說明與熱源直接接觸會導致樹脂熔化，從而在加熱的早期發生表面變形。有機成分分析也證實了300°c以上涂層的降解行為。對比TGA和DTG曲線，發現涂層的黃變和碳化分別是在280℃和388℃時檢測到的第一次和第二次質量變化引起的。黃變和炭化與硬度和彈性模量的增加同時發生，這是由于低分子量物質(如增塑劑和溶劑)的減少導致聚合物流動性降低，從而增加了模量和硬度。電路模型的等效電路和阻抗特性的變化表明在400℃開始的降解導致涂層材料失去了其屏障性能。

圖28  文獻^[47]中對涂層加熱后的熱成像和高清形貌變化

唐壽洋^[48]利用理論分析和數值模擬的方法，對不同防腐維護策略作用下，鋼橋全壽命周期成本和結構可靠性進行了深入分析。首先，基于等體積原理，通過將局部區域涂層鋼材腐蝕量等效為鋼構件表面平均腐蝕深度，提出涂層降解與鋼材腐蝕同步發生的涂層鋼材腐蝕分析模型。利用MATLAB有限元工作平臺，基于設計驗算點法，編寫結構可靠指標分析程序。在四種防腐維護策略作用下，分析波形腹板鋼箱-混凝土組合簡支箱梁和波形腹板鋼箱-混凝土組合連續箱梁的結構可靠性，發現當涂層降解率達到10%時，進行一次局部修補涂裝維護，對涂層鋼橋結構可靠性最有利。基于這種維護策略建立鋼橋全壽命周期成本分析模型，隨車流量增加成本也會增加，每次進行局部修補涂裝對涂層鋼橋運營服役期成本現值最有利，全壽命周期成本現值增加最少。對比分析涂層鋼橋全壽命周期成本現值和A1010免涂裝耐候鋼橋全壽命周期成本現值。由于A1010免涂裝耐候鋼橋在營運過程中很少進行防腐維護，其全壽命周期成本現值主要由建設投資期成本現值組成，后期維護成本低，考慮物料價格和人工價格變化因素，耐候鋼全壽命的資金投入或許比傳統鋼材更加經濟。

葉明坤等^[49]經過對比與優選，綜合對比了針對自錨式懸索橋錨固系統腐蝕維護的幾個方案，包括油漆防腐、金屬噴涂防腐、鋼結構氧化聚合型包覆防腐蝕。結果認為采用鋼結構氧化聚合型包覆防腐蝕技術作為錨固部件的腐蝕維護，可達到有銹除銹，無銹防銹的作用與目的。氧化聚合型包覆主要由防蝕膏、防蝕帶及外防護劑三層配套體系組成；防蝕膏有鐵銹轉化因子，可將鐵銹轉化為性能穩定結構致密的螯合物，螯合物本身就是腐蝕保護層；因此可帶銹施工。防蝕帶是在柔軟織物浸積特殊調制防蝕材，具有良好的隔離與屏蔽功能，并具備400N/m的粘接力，施工后，粘貼在金屬結構表面的一側，永久保持為非固化、柔軟的彈性狀態，從而達到最佳的隔離封閉效果。該技術具有成熟技術、防腐效果顯著，耐候性、耐老化性能突出，防腐壽命長；表面處理要求低，可帶銹施工；附著性和柔韌性好，位移追隨性、拉伸性能好，振動不開裂不脫落；綠色環保，無味無毒無污染；施工便捷，后期需要維護少等優點。

隨著我國鋼結構橋梁建設尤其是一些大跨度、超大跨度橋梁工程的推進，橋梁高質量建造、長壽命服役以及全生命周期成本越來越受到重視，其中鋼橋腐蝕與防腐技術也受到了更多的關注。結合本文介紹的各方面，進展和展望如下：

（1）鋼橋腐蝕損傷機理方面，鋼材腐蝕的理論基礎已經較為完善，規范中對于不同腐蝕環境的設計要求也有明確的規定。隨著橋梁服役環境日益復雜，對于高寒、高鹽地區以及濕熱地區鋼橋腐蝕行為，以及纜索、錨室等內外環境差異顯著的結構，需要針對其腐蝕環境、腐蝕作用開展進一步研究；另外高強橋梁鋼、超高強纜索鋼絲等材料在現代橋梁中應用日益增多，其腐蝕損傷機理與一般橋梁鋼材差異如何尚待進一步厘清；橋梁腐蝕往往與應力狀態及其他環境作用相耦合，對于多種環境條件、環境-荷載耦合作用以及異種鋼材配合下的腐蝕損傷機理有待進一步明確。

（2）關于腐蝕檢測技術方面，目前研究熱點是基于圖像處理的表面銹蝕檢測和基于電磁原理的內部腐蝕檢測。圖像處理技術方面，得益于計算機技術和人工智能的發展，圖像處理的效率和精度都在迅速提高，對于非暴露區域的圖像獲取是該技術應用的難點。電磁檢測技術對于鋼結構內部的損傷檢測具有一定的精度，并在實際的工程結構中開展了實驗性的應用，其檢測精度有待進一步提高。大型鋼橋中越來越多設置環境調控裝置以防范、控制腐蝕發展，其中腐蝕速率監測為環境調控裝置的有效運行提供前置參數，目前亟需發展高精度實時腐蝕監測技術。

（3）耐蝕材料方面，耐候鋼和高性能鋼材的使用，仍是近期的熱點研究方向。針對耐候鋼性能提升和能適應不同環境的耐候鋼的開發是近年的研究趨勢。通過對鋼材中添加金屬元素含量的改良，逐步提高耐候鋼的防腐性能指標。試驗也證明耐候鋼的性能要高于傳統鋼材，目前也有關于耐候鋼使用成本的研究，隨著市場價格因素的變化，耐候鋼大范圍應用的可能性也越來越樂觀。

（4）橋梁防腐技術方面，目前研究的熱點集中于新型涂層的開發，各類涂層的區別比較明顯，具有各自不同專長的防腐方面，在性能上與現有涂料對比有提升。對于已經建成的鋼結構橋梁來說，后期維護保養仍以涂層的修補為主，對于新建于環境溫和地區的橋梁來說，以低碳鋼配合防腐涂層仍是最經濟的方案。針對纜索結構和鋼箱、鋼塔、鋼柱等結構，采用除濕系統可有效防止腐蝕，對于長大橋梁結構，如何提高除濕系統的可靠性與耐久性，涉及土木工程、電子電氣、信息技術等多學科交叉研究，有較大的發展與應用前景。