淺談耐候性鋼橋的應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

王為李卓群

摘要：鋼材作為橋梁結(jié)構(gòu)中的一種主要材料，有著悠久的歷史并且在橋梁建設(shè)中發(fā)揮著極其重要的作用。然而銹蝕又是鋼橋的一大弱點(diǎn)，影響著其優(yōu)勢的發(fā)揮。耐候鋼的出現(xiàn)和使用，彌補(bǔ)了鋼材作為橋梁材料的不足，為鋼橋的發(fā)展帶來了新的生機(jī)。

關(guān)鍵詞：耐候性；鋼橋；應(yīng)用；設(shè)計(jì)

Abstract: As a main material in the bridge structure, the steel has a long history and plays an important role in the bridge construction. However, corrosion is a big weakness of steel bridge, and affects the advantages. While the emergence and application of weathering resistant steel make up the shortcomings of the common steel used as a bridge materials, and bring new development for steel bridge.

Keywords: weathering resistance; steel bridge; application; design

中圖分類號: U448.36 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：

耐候鋼于1 9 6 4年在美國首次應(yīng)用到公路橋上，現(xiàn)已經(jīng)在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家中得到了很大的發(fā)展。本文通過介紹耐候鋼材的由來和國外的應(yīng)用狀況、以及耐候性鋼橋設(shè)計(jì)上需要注意的要點(diǎn)，希望作為新型鋼材的耐候鋼可以促進(jìn)我國公路鋼橋的進(jìn)一步發(fā)展，為解決城市日益擁堵的交通狀況發(fā)揮其重要的作用。

1、耐候性鋼材的由來

近年來，鋼橋與混凝土橋，特別是與預(yù)應(yīng)力混凝土橋相比較，采用的越來越少。其主要原因之一就是鋼的銹蝕問題。銹蝕，不僅給結(jié)構(gòu)物帶來損害， 也給工務(wù)部門增加了繁重的管理、 維護(hù)負(fù)擔(dān)，同時(shí)周期性的再涂裝也耗費(fèi)了大量的人力和資金。但是鋼橋畢竟還是有混凝土橋無法替代的優(yōu)點(diǎn) ：（1）構(gòu)造輕，下部工負(fù)擔(dān)小。（2）跨度大，材質(zhì)均勻，潛在安全性高。（3）而且由于是組立構(gòu)造，在工廠制作，可靠性和品質(zhì)比較高（4）維修，補(bǔ)修比較容易 （5）架設(shè)簡便、現(xiàn)場施工工期短 等等。要使鋼橋有所發(fā)展，必須解決銹蝕問題。人們曾在涂漆的耐久性上動(dòng)腦筋，使漆的使用期限大大地延長。即便是這樣再涂漆仍無法回避，涂裝費(fèi)仍舊很可觀，而且無法從根本上消除隱患。因而人們就設(shè)想從材質(zhì)上下功夫，開發(fā)出一種不銹蝕的而且一次性造價(jià)不宜太高的橋梁用的鋼種，即耐候性鋼材。這里簡單的介紹下術(shù)語的定義：（1）耐候性：在大氣中耐腐蝕的性能。（2）無涂裝使用：不為以后的防銹而進(jìn)行防銹處理，在附著黑皮狀態(tài)下或除去黑皮狀態(tài)下裸使用 （3）無涂裝耐候性橋梁：基本不使用涂裝的耐候性鋼材制作的橋梁（4）安定銹層：在良好環(huán)境條件下的耐候性鋼材的銹，由紅褐色變?yōu)楹稚?、暗褐色，腐蝕速度也依次變緩 。由此在鋼材表面形成致密的附著性好的銹層．將這樣的銹層叫作安定銹層。新鋼種的出現(xiàn)，不僅要講實(shí)用性，還要講經(jīng)濟(jì)效益。如果沒有其實(shí)用價(jià)值，也就失去了推廣的前提。設(shè)計(jì)橋梁時(shí)，不僅要考慮初期建設(shè)費(fèi)用 ，而且還要考慮遠(yuǎn)期改建、拓寬 、養(yǎng)護(hù)等費(fèi)用，甚至還考慮解體后的廢物處理費(fèi)用， 即確保整個(gè)使用期的費(fèi)用最低為設(shè)計(jì)原則 。耐候鋼由于冶煉工序的增加，材質(zhì)的一次性投資略高于同等級普通低合金鋼， 但從橋梁成品角度看，由于在工廠和現(xiàn)場減少了部件的表面處理和涂料，所以無論是近期還是遠(yuǎn)期都是具有一定經(jīng)濟(jì)效益的。美國的耐候鋼與普通鋼每噸使用量的造價(jià)比較，采用等級50的鋼材。耐候鋼比普通鋼的制造價(jià)格高約5% ，但是普通鋼的涂漆防護(hù)費(fèi)用卻是兩者間制造差價(jià)3倍 ?？紤]到使用期間的重新油漆費(fèi)用比初期油漆費(fèi)用要高，因此，一般認(rèn)為從整個(gè)使用期間的費(fèi)用來衡量，耐候鋼橋的費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通鋼橋的費(fèi)用 。同時(shí)日本建設(shè)省土木研究所推算的耐候鋼橋與普通鋼橋的費(fèi)用指數(shù) ，得出使用60年后的普通鋼橋的費(fèi)用為耐候鋼橋的約1.5倍 ，100年后為2倍以上，從整個(gè)使用期間的費(fèi)用來看耐候鋼橋顯示出較好的經(jīng)濟(jì)效果 。

2、耐候性鋼材的發(fā)展以及國外的應(yīng)用狀況

耐候鋼的研制起源于美國。 1 9 0 0年美國人發(fā)現(xiàn)，在鋼中添加少量的銅，可使鋼材的耐腐蝕性提高，因此給這種鋼取名為耐候性鋼材。從 1 9 1 6年起，美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)以及英國鋼鐵協(xié)會(huì)組織實(shí)施了大規(guī)模的鋼材耐候性露天試驗(yàn)，獲知 Cu、 Cr 、 P等元素對于提高鋼材耐候性最有效 ；Ni 、 Mo、 Al 、 V、 Ti 等元素也有一定的效果。通過上邊術(shù)語的定義我們可以知道，耐候鋼并不是不發(fā)生銹蝕，而是在使用的初期階段與普通鋼一樣生銹， 只是兩者在其后的銹蝕速度不同而已。普通鋼隨著銹蝕的進(jìn)展，銹層膨脹變厚，F(xiàn)e3O4形成并開始產(chǎn)生裂縫 ；隨后銹層發(fā)生剝離，從而進(jìn)一步加劇銹蝕向內(nèi)部進(jìn)展。而耐候鋼在干燥與潮濕的環(huán)境交替變化中，鋼材表面上形成由 C u 、 C r 、P等元素濃縮后的致密且連續(xù)的安定銹層 。1 9 3 3年美國鋼鐵公司正式推出了CORTEN-A的低合金耐候鋼商品。1 9 5 5年日本開始研發(fā)耐候鋼。1 9 6 4年美國首次將耐候鋼應(yīng)用到新澤西高速公路的橋梁上。1 9 6 7 年日本開始使用耐候鋼（知多2號橋）。德國與英國分別是從1 9 6 9年 、1 9 7 0年開始建造耐候鋼橋。之后美國在 1 9 7 7年建成了世界上最大跨度的上承式耐候鋼拱橋 ( NewRi v e rGo r g eBr i d g e )， 1 9 8 3年建成耐候鋼斜拉橋 ( Mis s i s s i p p iRi v e rBr i d g e ) 。隨后耐候鋼在橋梁上得到大規(guī)模的采用。從整個(gè)使用期來衡量，耐候鋼橋的費(fèi)用相對于普通鋼橋的費(fèi)用較低，因此發(fā)展前景很好?，F(xiàn)在美國的耐候鋼橋已經(jīng)占到全部鋼橋的大約50%，日本的耐候鋼橋也占到全部鋼橋的大約10% 。加拿大在新建的鋼橋中有90%是用耐候鋼。

3、耐候性鋼橋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

耐候鋼銹蝕的主要因素有鹽分、硫化物、水分，其中鹽分是促使耐候鋼表面剝離銹蝕的最大因素 ?，F(xiàn)已查明鹽分主要有從海面飄移的以及路面防凍劑散布的兩種情況。另外，大氣濕度 、日照量以及通風(fēng)條件等也影響耐候鋼的銹蝕程度 。耐候鋼橋所處的地形以及環(huán)境較差 、或排水等構(gòu)造措施設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，與普通鋼橋一樣也會(huì)生銹。為此，許多鋼鐵公司為了使耐候鋼能夠在各種條件下應(yīng)用，近年來努力開發(fā)高性能耐候鋼 。經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)大都臨近海岸， 道路橋梁建設(shè)的發(fā)展也很快 。海岸耐候鋼就是為了使耐候鋼能夠在這些地區(qū)使用而被開發(fā)，具有極好的抗銹蝕性能。與以往的耐候鋼比較，海岸耐候鋼原則上不添加元素 Cr ，而添加 Ni 、Mo 、Ti 等元素 ，具體添加比例如何，各鋼鐵公司也不相同。

在規(guī)劃與設(shè)計(jì)耐候鋼橋時(shí) ，必須照顧到對于每個(gè)桿件都易于生成穩(wěn)定的銹層。因此必須充分考慮架橋地點(diǎn)的位置，確保能夠處在通風(fēng)條件好，并且干濕交替變化的環(huán)境中。同時(shí)，前面已經(jīng)敘述到，促使耐候鋼表面剝離銹蝕的最大因素是從海面飄移的以及路面防凍劑散布的鹽分。因此，在設(shè)計(jì)耐候鋼橋時(shí)首要考慮鹽分的影響 ，其他的設(shè)計(jì)方法與普通鋼橋大體相同。