朱勁松，工學博士。天津大學橋梁與隧道學科負責人，教授，博士生導師。曾獲項海帆杰出橋梁青年獎及天津市科技進步一等獎（排名第一）等，兼任國際全壽命土木工程協會會員，橋梁維護與安全國際聯合會會員，中國土木工程學會橋梁與結構工程分會、中國土木工程學會計算機應用分會、中國公路學會橋梁與結構工程分會及中國復合材料學會土木工程復合材料分會理事及《中國公路學報》編委等。長期致力于大跨度復雜橋梁結構分析控制、橋梁損傷識別、健康監測及長期性能預測、評價與提升等方面的研究。

0 引言

腐蝕是影響鋼橋耐久性的主要因素之一。調查顯示，許多近15年間修建的橋梁，特別是處于氯離子腐蝕環境中的鋼橋，已經出現了不同程度的耐久性損傷問題。為維持橋梁的使用功能往往需要在全壽命周期內進行反復涂裝，然而涂裝成本較高并且會釋放揮發性有機物，污染環境，另外涂裝有時需要中斷交通，阻礙了車輛正常行駛。這反映出目前傳統橋梁用鋼已經不能很好的滿足橋梁結構全壽命周期內的耐久性要求，同時鋼橋腐蝕消耗了大量資源，不符合我國綠色發展的理念，這就迫切需要開展高性能耐候橋梁用鋼的研發和應用研究。高性能耐候鋼是一種集優越力學性能、高耐蝕性、便于加工制造和較高性價比于一體的橋梁結構用鋼。裸裝使用是耐候鋼最突出的優點，也是最常用的使用方法，可以最大程度發揮耐候鋼的優勢。一般經過3~10年后，耐候鋼表面形成一層致密的銹層，銹層能夠阻礙氧氣和侵蝕離子與基體接觸，以達到保護基體的目的。2016年7月13日交通運輸部發布的《關于推進公路鋼結構橋梁建設的指導意見》中明確指出：環境條件適合的橋梁結構推廣使用耐候鋼，能夠提高結構抵抗自然環境腐蝕的能力，降低養護成本。

隨著人們對耐候鋼耐蝕機理和力學性能認識的逐漸深入，耐候鋼橋以其優越的耐久性能已經開始引起橋梁設計者的重視和廣泛關注，但是到目前為止我國關于耐候鋼橋設計理論和設計方法的研究工作仍然十分匱乏，工程實例較少，國內只有少數橋梁采用耐候鋼材建造，并且大部分涂裝使用，未能充分發揮耐候鋼的優勢。為了給橋梁用耐候鋼的研究和耐候鋼橋設計提供參考和依據，本文介紹了筆者課題組在耐候鋼腐蝕機理與腐蝕后力學性能退化等方面的初步研究成果，并對耐候鋼橋設計相關方法、規范與應用進行了評述。

1 耐候鋼腐蝕行為研究

1.1 環境因素單獨作用

在對耐候鋼耐大氣腐蝕性能進行研究時，國內外學者基于對大氣中污染因素的主觀評估，通常將外界大氣定性的分為鄉村大氣（田園大氣）、城市大氣、工業大氣和海洋大氣4類。總的來說，對傳統耐候鋼在不同大氣環境中腐蝕性能的研究已經比較充分，但是隨著材料科學的不斷發展，更多適用于不同腐蝕大氣環境的新型高性能耐候鋼正在被逐步研發出來，在應用于實際工程之前，仍需對它們的耐蝕性進行深入全面的研究。目前常用的研究方法主要是對耐候鋼進行室外暴露試驗和室內加速腐蝕試驗，但是兩種方法各有利弊。室外暴露試驗能夠真實反映耐候鋼的大氣腐蝕性能，但是試驗周期較長，目前已有的腐蝕數據主要是基于10年左右的大氣暴露試驗得到的，而20年以上的試驗數據在已有文獻中極其少見；室內加速腐蝕試驗能夠在短時間內獲得耐候鋼的腐蝕性能，但是室內模擬腐蝕的關鍵環境參數與外界大氣環境之間的相關性、加速腐蝕時間與實際腐蝕時間之間的等效關系尚需進行深入研究。另外，以往的耐候鋼大氣腐蝕模型主要是通過對長期腐蝕數據進行擬合得到，模型的建立主要依據經驗公式。但是由于獲得的腐蝕數據是不連續、非原位檢測的結果，建立的腐蝕模型無法動態、連續描述材料表面隨時間的變化過程。對耐候鋼大氣腐蝕連續變化過程的研究，一方面可通過加強動態、原位檢測技術的研究，另一方面則可以通過建立大氣腐蝕過程的理論模型，利用計算機仿真實現連續腐蝕變化過程的模擬，例如采用元胞自動機方法，但模型中各系數的確立和仿真模擬結果驗證仍需結合實驗室和現場試驗數據。

筆者課題組以鞍鋼研發的普通耐候鋼Q420qNH和適用于海洋大氣的耐候鋼Q420qNHY為研究對象，提出了一種基于三維元胞自動機的耐候鋼大氣腐蝕過程的數值方法，模擬過程包含了基于Fick第二定律的擴散過程以及基于法拉第定律的電化學反應過程，并且通過引入概率考慮了腐蝕過程的隨機性和外界環境參數的不確定性。為了簡化模擬過程，根據三維元胞自動機系統的特點針對復雜的鋼材大氣腐蝕過程做了幾點基本假設，在此基礎上根據鋼材腐蝕所發生的化學反應方程式Fe + 1/2O2 + H2O → Fe（OH）2建立化學反應規則，根據氧氣在電解液膜層中的擴散規律建立擴散規則，最后通過編制Matlab程序實現了鋼材在大氣中腐蝕過程的模擬。采用該方法對典型大氣環境中耐候鋼的腐蝕行為進行了模擬，獲得了耐候鋼腐蝕動力學曲線、腐蝕形貌和蝕坑分布特征，模擬結果符合鋼材在大氣環境中的基本電化學腐蝕規律，最后通過與大氣中耐候鋼實際腐蝕數據進行對比，驗證了模型的正確性和可靠性，該方法能夠準確再現耐候鋼的大氣腐蝕過程。

同時開展了中性鹽霧加速腐蝕試驗及天津濱海地區現場掛片試驗。通過對普通低碳鋼（Q420q）、傳統耐候鋼（Q420qNH）和新型高性能耐候鋼（Q420qNHY）進行中性鹽霧試驗，獲得了3種鋼材的腐蝕動力學曲線和腐蝕速率隨時間的變化關系曲線。得到如下結論：腐蝕初期（18天之前），傳統耐候鋼的厚度損失與普通低碳鋼基本相同，之后，傳統耐候鋼的厚度損失開始逐漸低于普通低碳鋼，此時傳統耐候鋼表現出優于普通低碳鋼的耐蝕性能；在整個腐蝕過程中新型耐候鋼的厚度損失一直保持在較低的水平，表明在模擬海洋大氣環境中與其它2種鋼材相比新型耐候鋼具有更好的耐蝕性；對于普通低碳鋼和傳統耐候鋼，在腐蝕初始階段（4天之前）兩者的腐蝕速率均呈現增大趨勢，之后隨時間開始下降，此時銹層對腐蝕介質的阻礙作用開始顯現出來，并且由于耐候鋼的銹層更加致密，故使得傳統耐候鋼的腐蝕速率下降比普通低碳鋼更快，但是在初始階段傳統耐候鋼的腐蝕速率要高于普通低碳鋼；在整個腐蝕過程中，新型耐候鋼的腐蝕速率從一開始就下降，并且在腐蝕后期維持在一個穩定值，這表明新型耐候鋼的銹層可以在較短時間內形成并起到很好的保護基體的作用。通過綜合比較可知，新型耐候鋼更適用于在海洋大氣環境中應用。

1.2 環境與荷載耦合作用

耐候鋼在環境與荷載耦合作用下的腐蝕機理主要包括兩個方面：一個是荷載對電化學過程的促進作用，即力學-化學耦合效應，這屬于腐蝕科學研究的范疇，在此不再贅述；另一方面是荷載對耐候鋼銹層形成過程的影響，涉及銹層在荷載作用下與基體的結合性能和開裂應力大小，這與耐候鋼橋設計和結構耐久性密切相關。例如橋梁結構在服役過程中，不僅要承受恒載作用，還要承受車輛產生的動荷載作用，如果耐候鋼表面保護銹層與基體結合性能不好，銹層在外界荷載作用下容易破裂甚至脫落，從而使耐候鋼再次腐蝕，依此循環下去，將會嚴重影響橋梁耐久性能，縮短使用壽命。因此，在實際使用過程中，耐候鋼的耐蝕性能與銹層自身力學性能以及外界荷載關系密切。

鋼材表面的銹層厚度并不均勻，與鋼基體的彈性模量存在差異。由于變形能力不同，在荷載作用下銹層容易發生脆性斷裂，或是在銹層和鋼基體的界面處易產生剝離；并且由于銹層厚度的不均勻性，裂縫一般在局部范圍內隨機分布。銹層的開裂為氧氣的擴散提供了通道，減弱了其對基體的保護能力，這將導致鋼材進一步銹蝕，并且容易使鋼材發生局部腐蝕。如果施加于鋼材的荷載頻率較高，銹層將不會對鋼材提供有效的保護作用，耐候鋼的腐蝕性能與普通低碳鋼沒有區別。根據Scully的研究，在高頻動載作用下，耐候鋼的腐蝕動力學曲線近似為直線。

已有針對彈性范圍內不同恒載作用下耐候鋼在3.5%NaCl溶液中腐蝕行為的研究表明，在外荷載作用下耐候鋼生成的銹層降低了對Cl—阻抗作用，分析發現隨著外加荷載的增大，形成銹層的平均孔隙直徑越大，從而提高了陰離子的選擇性，加快了金屬的溶解速度。圖中給出了加速腐蝕45天后不同恒載（0、0.6σs、0.7σs、0.9σs）作用下銹層截面形貌，其中σs為屈服強度。可見，隨著外加恒載的增加，耐候鋼表面形成的銹層與基體的結合性能變得越來越差，甚至出現了銹層剝離的趨勢。同時，隨著外界荷載和腐蝕時間的增加，耐候鋼的力學性能也出現了明顯退化，這表明外加荷載促進了鋼材的腐蝕過程，從而加速了力學性能的退化過程。

目前國內外對環境與荷載耦合作用下耐候鋼腐蝕機理的研究還不夠深入，研究結果只能定性的評估荷載對腐蝕環境中耐候鋼腐蝕行為的影響，試驗周期較短，所得試驗數據尚無法對100年壽命周期內橋梁結構的耐久性設計提供有效的借鑒和參考。尤其是在橋梁特有的荷載情況下（疲勞荷載、沖擊荷載、超重車輛通過時橋梁產生較大撓曲變形等）耐候鋼保護銹層與基體結合性能方面尚缺乏系統深入的基礎理論研究。基于此，當前應加強該部分的研究工作，結合橋梁實際服役工況，系統全面的研究環境與荷載耦合作用下耐候鋼的腐蝕行為，量化腐蝕損失，為接下來耐候鋼橋在我國大范圍應用提供技術支撐。

為研究近海大氣中耐候鋼橋服役時形成的銹層在荷載作用下的開裂行為，筆者課題組采用銹層穩定處理技術使得暴露于大氣中的兩種耐候鋼試件（Q420qNH和Q420qNHY）在短時間內形成了穩定銹層，觀測了銹層形貌，測試了不同鋼材銹層與基體的結合性能；通過對形成穩定銹層的試件進行單調拉伸試驗分析研究了銹層開裂應力和應變，試驗過程中采用DIC（數字圖像相關）技術觀測得到了試件腐蝕段銹層的應變場。結果表明，當接近屈服時耐候鋼試件表面銹層開始出現微觀裂紋，隨著荷載增加裂紋逐步擴展，超過屈服荷載后裂紋擴展迅速，銹層開始剝落。同時通過對預腐蝕的Q420qNH耐候鋼試件施加疲勞荷載（σmin/σmax=0.1，σmax≤0.9fy），研究了疲勞應力作用下耐候鋼表面保護銹層的穩定性。微觀觀測表明，整個加載過程試件的表面銹層一直保持完整，只有疲勞裂紋產生或明顯擴展時，才觀察到銹層的開裂和剝落，但此時試件已近乎失效，可以認為在試件斷裂失效前，銹層具有良好的穩定性。

最后在質量分數3.5%的NaCl溶液中對不同程度拉應力作用后以及疲勞斷裂后的腐蝕試件進行了電化學測試，結果表明，隨著外加荷載的增加，兩種耐候鋼呈現出逐漸加速的腐蝕過程。但是，拉應力對Q420qNH和Q420qNHY腐蝕過程的影響程度不同。疲勞應力（σmin/σmax=0.1，σmax≤0.9fy）對銹蝕耐候鋼（Q420qNH）斷后試件的電化學響應沒有明顯影響，即驗證了疲勞荷載未對試件表面銹層產生明顯的損傷，銹層仍然能夠對基體起到良好的保護作用。

2 耐候鋼力學性能研究

目前國內鋼鐵企業已經具備生產不同強度等級能夠適用于不同大氣環境的高性能耐候橋梁用鋼的能力，并且與之配套的耐候焊接材料和高強度耐候螺栓也正在逐步實現國產化，這為我國耐候鋼橋的建設提供了材料基礎。在高性能耐候鋼不斷被各國鋼鐵企業研發的同時，國內外研究人員開展了高性能耐候鋼力學性能的基礎性研究，并取得了一些進展。然而對于耐候鋼，在應用時一般裸裝使用，如果使用不當也會引起較為嚴重的腐蝕，導致力學性能退化，因此應對其長期性能給予關注，尤其在應力腐蝕、腐蝕疲勞以及腐蝕后力學性能退化方面給予重點研究。

筆者課題組通過對3種鋼材（Q420q、Q420qNH和Q420qNHY）進行靜力拉伸試驗發現，由于合金元素含量不同，3種鋼材的力學性能存在明顯差異。其中Q420q的屈服強度和抗拉強度較低，含有明顯的屈服平臺，斷后伸長率為31%，具有較好的延性；Q420qNH的屈服強度和抗拉強度較高，但屈服段很短，斷后伸長率為23%，延性較差；而Q420qNHY的屈服強度和抗拉強度均介于前兩者之間，但沒有明顯的屈服段，伸長率與Q420qNH類似，彈性模量要稍小于Q420q和Q420qNH。鋼材力學性能和腐蝕性能的差異將會顯著影響橋梁的使用性能和服役壽命，應在橋梁設計時加以考慮。同時開展了海洋大氣中耐候鋼力學性能退化規律研究，采用DIC方法觀測腐蝕試件在受力過程中的應變場，分析了點蝕損傷對鋼材力學性能的影響。研究結果表明，兩種耐候鋼Q420qNH和Q420qNHY表現出類似的力學性能退化規律，并且在腐蝕程度相同時展現出優于普通低碳鋼Q420q的力學性能，但是通過對斷后伸長率退化規律的研究推斷出耐候鋼Q420qNH不適用于在海洋大氣中應用。另外通過對由DIC方法獲得的腐蝕試件表面應變場的分析可知，局部腐蝕能夠加速斷裂截面處應變的發展。

3國內外耐候鋼橋應用現狀

3.1 耐候鋼橋應用現狀

在國際上耐候鋼正逐漸被當作一種普通鋼種來廣泛使用，并且一般裸裝應用。雖然耐候橋梁鋼在我國已經有所應用，但規?；瘧玫倪M程緩慢，相比于發達國家滯后近50年。而目前我國冶金及鋼橋制造水平已達到世界先進水平，具備了推廣免涂裝耐候鋼橋的條件。當前在建的川藏鐵路拉林段藏木特大橋和河北官廳水庫特大橋均擬采用裸裝的耐候橋梁鋼，這兩座大橋的成功建造，將為今后我國公路、鐵路免涂裝耐候鋼橋的建設起到示范作用。

3.2 存在問題及病害

調研結果顯示：國外大多數耐候鋼橋經過精心設計還是比較成功的，耐候鋼橋在整個運營期內整體上是好的。裸裝是耐候鋼應用最突出的優勢，如若耐候鋼橋初期設計合理，后期維護恰當，其優勢是能夠在全壽命周期內得到充分發揮的。然而，由于設計和使用不當，國內外早期建造的耐候鋼橋也出現了一些問題和病害。鑒于此，可根據現場環境和排水設施布置對耐候鋼橋易腐蝕部位局部涂裝。另外耐候鋼裸露使用時初期穩定銹層未形成，易發生銹液流失，污染周圍環境。目前可以采用涂刷耐候鋼生銹液、銹層穩定化涂層以及灑水工藝等加速銹層穩定措施對耐候鋼表面進行預處理，以保證耐候鋼在初期就可以形成穩定銹層，從而避免銹液流失。

4 耐候鋼橋設計理論和方法

4.1 耐候鋼橋設計理論

日本于1985年制定了《無涂裝耐候性橋梁設計施工要領》，并于1993年進行了修訂，其中規定：對于符合本要領的耐候鋼橋，不需要考慮腐蝕層厚；對于不能期待形成穩定銹層的耐候鋼橋，則不應無涂裝地使用。美國聯邦公路局（FHWA）于1989年制定了《無涂裝耐候鋼結構設計指南》；隨后在HPS工程應用及試驗研究的基礎上，發布了基于HPS設計的公路橋梁指導標準《高性能鋼設計指南》；并對公路橋梁設計規范AASHTO做了改進以更加高效地應用高性能鋼。歐洲對高性能鋼進行了大量試驗研究，正致力于建立高性能鋼的設計準則。而目前我國尚未發布與耐候鋼橋設計相關的規程。

耐候鋼的腐蝕速率比普通低碳鋼小的多，但是也存在腐蝕，全壽命周期內鋼材腐蝕損失對結構可靠性可能造成的影響在設計時應該被予以考慮。在對耐候鋼橋進行設計時，通常在由靜力計算求得的構件厚度上增加腐蝕余量作為構件最終的設計尺寸以考慮腐蝕損失的影響，表中給出了德國、英國和瑞典規范中建議的耐候鋼在100年設計壽命期內的腐蝕余量。國內研究人員應在對各類腐蝕環境設定清晰臨界標準的基礎上，加強耐候鋼腐蝕性能的研究工作，積累相關腐蝕數據，掌握服役環境對耐候鋼材的腐蝕性，提出適合我國不同氣候環境的耐候鋼腐蝕余量設計值，并按實際服役環境，選擇涂漆、穩定化處理或直接裸露使用耐候鋼。

規范建議的耐候鋼100年設計壽命周期內的腐蝕余量

4.2 細節設計方法

為了保證耐候鋼能夠充分發揮其耐蝕性，還應根據耐候鋼橋的服役環境，對其鋼梁、連接節點、伸縮縫的細部構造以及排水管道布置進行細節設計，所有的細節處理都應以避免耐候鋼表面積水為目的。下圖分別給出了國外在設計鋼梁和伸縮縫時對細部構造的處理方法。國內設計單位可在借鑒國外耐候鋼橋建設經驗的基礎上，針對不同橋型分別提出相應的細節設計方法，最終形成完整的耐候鋼橋設計規范和建設指南，以指導我國耐候鋼橋的建設。

5 結論與展望

（1）耐候鋼之所以可以裸裝應用主要是因為其表面在自然環境中可以生成穩定致密的保護銹層。而影響耐候鋼銹層穩定化的主要因素有：鹽分、硫化物和水分等。其中鹽分為控制因素，因此免涂裝耐候鋼橋在受空氣鹽分影響較強的海岸區域和有高濕度海風的地區應避免使用，高寒地區路面使用防凍劑和除冰鹽的橋梁亦應慎重采用。以耐候鋼腐蝕速率每年不超過6μm為標準，當大氣中Cl—和SO2濃度分別低于3mg·（m2d）-1和20mg·（m2d）-1或者非海洋大氣環境中大氣腐蝕等級為C2~C3時，可以裸裝應用耐候鋼。另外，耐候鋼也因合金元素含量不同耐候性有差異，是否能裸裝使用與耐候鋼性能及使用環境相關，這方面仍需進一步研究。鑒于試驗獲得的腐蝕數據的非連續性，建議通過建立大氣腐蝕過程的理論模型，利用數值仿真技術動態連續地模擬耐候鋼隨時間的腐蝕過程。

（2）目前對于耐候鋼腐蝕機理的研究主要局限于自由放置狀態下的試件，而荷載作用會加速耐候鋼的腐蝕，尤其在高頻荷載作用下，銹層脫落將不會對鋼材提供有效的保護作用，應加強腐蝕環境與受力耦合作用下耐候鋼腐蝕行為的研究，特別是關于在橋梁特有的荷載情況下（疲勞荷載、沖擊荷載、超重車輛通過時橋梁產生較大撓曲變形等）耐候鋼銹層與基體結合性能的研究。

（3）裸裝應用的耐候鋼在腐蝕較嚴重時，同樣存在力學性能退化的情況，尤其是在應力腐蝕和腐蝕疲勞狀態下力學性能退化程度更為嚴重，而目前對于腐蝕環境與荷載耦合作用下耐候鋼力學性能退化規律的研究尚不夠深入，且主要局限于傳統的耐候鋼材，關于近幾年研發的高性能耐候橋梁鋼應力腐蝕與腐蝕疲勞性能的研究文獻十分匱乏，這也應成為今后研究的重點。

（4）關于耐候鋼橋的設計方法主要是將腐蝕余量考慮進鋼板厚度中進行設計，由于目前耐候鋼厚度腐蝕損失隨時間的變化規律尚無法準確預測，該設計方法或高估或低估了耐候鋼橋的使用壽命。可以根據耐候鋼梁銹層產生裂隙或者脫落時的截面應力大小，采用混雜設計方法重新設計鋼梁，使得鋼梁截面應力小于銹層開裂應力，防止耐候鋼梁銹層開裂，以達到耐久性設計的目的。另外，細節設計和定期的維修養護是保證耐候鋼充分發揮其耐蝕性的重要手段，設計單位應針對不同橋型和鋼梁截面形式分別提出相應的細節設計方法，簡化耐候鋼構件的設計和裝配，注意防止局部腐蝕和縫隙腐蝕，同時制定出合理的維修養護策略。對于已經發生局部腐蝕的耐候鋼構件，還應對其承載力進行重新評定，及時采取補救措施。

（5）根據目前現有的研究結論可知，在某些腐蝕環境下裸裝耐候鋼的疲勞強度要比涂裝的普通鋼材低，對于中等腐蝕環境中未進行涂裝的耐候鋼橋，建議其鋼材容許應力幅取更低的值，這與美國頒布的《無涂裝耐候鋼結構設計指南》中的建議相同；規范AASHTO LRFD和Eurocode 3中通過降低疲勞細節等級的方式來考慮裸裝耐候鋼橋疲勞強度退化；另外為減小疲勞強度退化，腐蝕嚴重的耐候鋼橋應盡快進行涂裝。

（6）目前國內鋼鐵企業已經具備生產不同強度等級高性能耐候橋梁鋼的能力，但是國內尚未發布與耐候鋼橋有關的設計規程和施工指南，嚴重制約了我國耐候鋼橋的建設和發展，這就需要材料研發、橋梁設計和腐蝕控制領域的專家學者密切合作，致力于建立配套的耐候鋼、耐候焊接材料、耐候高強度螺栓產品及相關的標準和規范。

主要內容見：

（1）《中國公路學報》2019年第5期（點擊下載瀏覽全文）“耐候橋梁鋼腐蝕力學行為研究及其應用進展”。

（2）“3D cellular automata based numerical simulation of atmospheric corrosion process on weathering steel”，Journal of Materials in Civil Engineering ASCE，2018年第11期。

（3）“Corrosionbehavior and mechanical property degradation of weathering steel （WS） in marineatmosphere”，Journalof Materials in Civil Engineering ASCE，已錄用，待發表。

（4）“Rustlayer adhesion capability and corrosion behavior of weathering steel undertension during initial stages of simulated marine atmospheric corrosion”，Construction& Building Materials，審稿中。