高強度耐候鋼及其在橋梁中的應用與前景

鄭凱鋒， 張 宇， 衡俊霖， 王亞偉

(西南交通大學 土木工程學院， 成都 610031)

土木結構的發(fā)展很大程度上依賴于材料的發(fā)展，鋼材的出現(xiàn)促進了橋梁跨越能力增長；鋼橋的廣泛應用，帶來了新的橋梁設計理念. 鋼材有著高強輕質(zhì)、材質(zhì)均勻、韌性和延性好等特性，是理想的土木工程材料. 鋼橋具有跨越能力強、施工方便快捷等優(yōu)點，但鋼橋同時也存在局限，其耐腐蝕性能和耐火性較差.

不僅在橋梁領域，在船舶、航空、海洋工程等領域，金屬材料腐蝕問題也是亟待解決；據(jù)工業(yè)發(fā)達國家統(tǒng)計，每年由于鋼結構腐蝕造成的經(jīng)濟損失，占GDP的2%～4%，全世界鋼結構腐蝕造成的經(jīng)濟損失達數(shù)萬億美元. 在所有腐蝕造成的損失中，大氣腐蝕造成的損失約占50%. 耐大氣腐蝕鋼(也稱為耐候鋼)的出現(xiàn)，很大程度上解決了鋼材的腐蝕問題. 研究表明，基于快速建造、全壽命周期成本和環(huán)境保護的考慮，將耐候鋼用于橋梁建設可以得到很大的收益[1]. 在耐候鋼的優(yōu)勢基礎上，提高其強度，可以進一步節(jié)省建設期間成本，免涂裝耐候鋼橋梁的特點如圖1所示.

圖1 免涂裝耐候鋼橋梁的特點

國外耐候鋼橋梁在長時間使用過程中，得到了較為廣泛的應用，并且針對耐候鋼腐蝕評估有較為深入的研究，有較完善的耐候鋼橋梁的設計指南或者規(guī)范[2-6]. 中國耐候鋼橋梁起步較晚，發(fā)展較為緩慢，缺乏相關規(guī)范，近年中國學者也開始針對耐候鋼及耐候鋼橋梁進行了相關研究[7-10].

本文對于高強度耐候鋼抗腐蝕性能、焊接性能和腐蝕疲勞性能進行綜述，并進行了相應的分析評估；回顧國內(nèi)外耐候鋼橋梁的應用；針對中國高強度耐候鋼開展了一定規(guī)模疲勞試驗研究. 本文可為高強度耐候鋼抗腐蝕性能、焊接性能和腐蝕疲勞性能的研究提供參考，并對今后的研究前景進行了展望.

1 耐候鋼技術的發(fā)展

1.1 國外耐候鋼的發(fā)展

20世紀初，美國、德國、英國和日本等國開始著手對耐候鋼進行研究，研究中發(fā)現(xiàn)，銅元素可以改善鋼材在大氣中的抗腐蝕性能.

1916年，美國試驗和材料協(xié)會(ASTM)開始了大氣腐蝕相關研究. 20世紀30年代，美國鋼鐵公司(U.S. Steel)成功地研制出高強度耐腐蝕含銅低合金鋼(Cor-ten鋼)，但是價格非常昂貴. 1934年到1958年，經(jīng)過3次大規(guī)模試驗和研究，基本奠定了低合金耐候鋼的理論基礎[11-13]. 19世紀50年代，美國研制出更為經(jīng)濟的耐候鋼(A588)，其最小屈服強度均為350 MPa，成為了高強度耐候鋼的標志，隨后屈服強度提高到了690 MPa. 美國常用的耐候鋼系列包括：A242系列、A588系列、A606系列和A871系列.

1981年至1993年，日本橋梁建設協(xié)會和鋼材聯(lián)合會在日本41個地方進行了暴露試驗，在耐候鋼抗鹽腐蝕方面積累了大量成果. 近年，日本鋼鐵制造公司研發(fā)的Ni系列的耐候鋼，可在濱海區(qū)域使用，開始逐步打破耐候鋼橋原來的使用限制. 日本常用的耐候鋼系列包括：SPA系列和JIS SMA系列.

在英國，耐候鋼出現(xiàn)也很早，在BS EN 10155中對耐候鋼有一般規(guī)定. 在英國橋梁工程中，S355J2G1W是最為常用的耐候鋼[1]，其力學性能與BS EN 10025中規(guī)定的S355類似.

1.2 中國耐候鋼的發(fā)展

中國由于歷史原因耐候鋼發(fā)展較晚，1960年左右，開展了國內(nèi)首次耐候鋼的研究工作. 1965年，中國首次試制出耐候鋼09MnCuPTi；1983年起，國家科委和自然基金委員會組織開展了長達20 a的數(shù)據(jù)累計工作. 中國還開發(fā)出了新的鋼種，如:08CuPVRE系列、09CuPTi系列、09MnNb等[14-16]. 中國“七五”和“八五”期間還進行了配套焊材研制、焊接性研究等基礎科研工作，均取得了很大成果[17].

近年來中國鋼鐵行業(yè)發(fā)展迅速，高強度耐候鋼也有較大發(fā)展，新型高強度耐候鋼相繼出現(xiàn). 目前，中國常用的耐候鋼09CuPCrNi，屈服強度不小于345 MPa，抗拉強度不小于480 MPa，伸長率不小于22%，抗腐蝕性能為普通碳鋼的2～8倍，在貨車結構上的使用已有較長歷史. 隨著中國煉鋼技術發(fā)展，屈服強度600 MPa以上的鋼材已經(jīng)在煉鋼廠中得到. 在獲得進步的同時，中國耐候鋼與國外發(fā)達國家相比沖擊韌性和焊接性能的穩(wěn)定性較差；高強度耐候鋼在中國橋梁領域應用較少，相關研究不足，還需要研究和解決其抗腐蝕性能、焊接性能和腐蝕疲勞性能等問題.

1.3 高強度耐候鋼

根據(jù)用于不同類型結構，耐候鋼可以分為高耐候鋼和焊接耐候鋼，分別在耐候性能和焊接性能上有差別[18].

ASTM規(guī)范推薦一種通過化學元素求得耐腐蝕性指數(shù)的評估方法[19]. 在日本，耐候鋼適用性判斷指標為第一年的腐蝕損失小于0.3 mm[20]. ASTM規(guī)范規(guī)定耐候鋼的耐腐蝕性指數(shù)為6.0或更高[21]. 《碳素結構鋼》(GB/T 700—2006)規(guī)定結構鋼最高屈服強度為275 MPa[22]；《低合金高強度結構鋼》(GB/T 1591—2018)規(guī)定結構鋼最低屈服強度為345 MPa[23]；ASTM規(guī)范中規(guī)定高強度低合金結構鋼的最低屈服強度為350 MPa. 目前在中國鋼橋設計中基本采用Q345及以上結構鋼，針對結構鋼，建議對于高強度的規(guī)定適當提高. 因此，可以將高強度耐候鋼定義為：1) 耐腐蝕性指數(shù)為6.0或更高；2) 屈服強度高于400 MPa.

高強度耐候鋼同時具有良好的抗腐蝕性能和力學性能，是很好的結構用鋼. 與高強度結構鋼比較，高強度耐候鋼在普通大氣環(huán)境下具有更高抗銹蝕能力；與普通碳素鋼或普通耐候鋼相比，高強度耐候鋼可以大量節(jié)省鋼材用量. 在使用中，如果采用免涂裝設計，能夠提高建造速度、縮短施工工期、有益于環(huán)保和節(jié)約全壽命周期成本.

1.4 高性能鋼

高性能鋼(high performance steel)，是高強度耐候鋼的一種；在高強度耐候鋼強度和延性特性的基礎上，對焊接性能、拉伸力學性能和抗腐蝕性能作了更高要求[24-25]. 美國常用的高性能鋼為HPS 50W、HPS 70W、HPS 100W. 文獻[26-27]針對中國高性能鋼HPS 485W及其工字梁進行了力學性能，結果表明，高性能鋼具有良好的力學性能.

ASTM對耐候鋼和高性能鋼化學元素進行了要求[21]；中國《耐候結構鋼》和《橋梁用結構鋼》規(guī)范對高強度耐候鋼的元素進行了要求[18,28]. 根據(jù)耐腐蝕性指數(shù)計算公式，計算了美國50W(A類和B類)、HPS 50W、HPS 70W、HPS 100W、Q500NH、Q550NH、Q500qNH、Q550qNH幾種鋼材耐腐蝕性指數(shù)[29]見表1.

表1 兩國規(guī)范中典型鋼材耐腐蝕性指數(shù)

Tab.1 Atmospheric corrosion resistance of some typical steels by the code of two countries

鋼材種類最高耐腐蝕性指數(shù)備注50W(A類)7.8250W(B類)7.38HPS 50W7.68HPS 70W7.68HPS 100W—Cu超限Q500NH8.65Q550NH8.65Q500qNH7.53Q550qNH7.53

計算結果表明，中國耐候鋼耐腐蝕性指數(shù)要高于美國規(guī)范要求，對于元素含量要求存在一定區(qū)別. 對于元素含量：美國高性能鋼和中國橋梁用耐候鋼含碳量均控制在0.11%(質(zhì)量分數(shù))以內(nèi)；中國耐候鋼對于更多元素的含量進行規(guī)定；美國的高性能鋼Cu和Ni元素含量明顯高于其耐候鋼和中國耐候鋼，其中HPS 100W的Cu元素含量已經(jīng)超出了耐腐蝕性指數(shù)計算范圍；中國耐候鋼Cr元素含量高于美國規(guī)范要求；美國的高性能鋼Si元素含量要求低于其耐候鋼和中國耐候鋼Si元素含量.

2 高強度耐候鋼的抗腐蝕性能

2.1 高強度耐候鋼抗腐蝕機理

在潮濕、含氧或是含鹽(Cl-)的環(huán)境中，低碳合金會發(fā)生銹蝕，鋼材表面與水、氧氣和鹽份接觸的程度直接影響銹蝕速率. 鋼材腐蝕(該章中的腐蝕指均勻腐蝕)后，其表面形成一層銹蝕層，阻止鋼材直接與外界接觸，減緩鋼材銹蝕速率，一定時間后銹蝕層脫落，鋼材再次直接與外界環(huán)境接觸，再次發(fā)生上述銹蝕過程，形成鋼材的循環(huán)腐蝕現(xiàn)象，鋼材腐蝕不斷循環(huán)直至破壞. 高強度耐候鋼前期也會有類似的銹蝕現(xiàn)象，但是特殊合金元素在鋼材表面形成一層穩(wěn)定致密的銹蝕層，隔絕鋼材與外界環(huán)境的接觸，阻止其進一步腐蝕，與傳統(tǒng)的碳素鋼相比，極大降低了鋼材銹蝕速率. 根據(jù)腐蝕特點，普通低碳鋼和耐候鋼腐蝕曲線如圖2所示. 對于鋼材的腐蝕問題通常包含均勻腐蝕和坑蝕，分別對材料和結構帶來不同程度的劣化，本章主要針對均勻腐蝕進行論述.

圖2 耐候鋼和碳素鋼腐蝕損失對比

Fig.2 Schematic comparison between the corrosion of weathering and carbon steels

研究表明：耐候鋼表面銹蝕層中的α-FeOOH是最穩(wěn)定和致密的，能夠幫助阻隔外界環(huán)境；γ-FeOOH很不穩(wěn)定，會轉化成Fe3O4；Fe3O4不致密且容易脫落；在耐候鋼表面銹蝕層中α-FeOOH的含量極高；Cu和Cr元素更有利于鋼材表面α-FeOOH的形成[30-32].

2.2 腐蝕環(huán)境

耐候鋼抗腐蝕性能不僅對材料進行研究，還需要對結構所處環(huán)境進行調(diào)查、研究和分級. 目前，對于金屬的腐蝕，ISO 9223根據(jù)第一年的腐蝕速率，分別規(guī)定了多種腐蝕等級及其指標范圍[33-34].

ISO 9223提供了一種估算鋼材第一年腐蝕速率的方法，其誤差為-33%～50%，稱為劑量響應函數(shù)(dose-response function)，表達式為

(1)

fSt=0.15(T-10)，T≤ 10 ℃；

fSt=-0.054(T-10)，T>10 ℃.

其中：rcorr為第一年腐蝕速率，μm/a；T為全年平均溫度，℃；Pd為SO2全年平均沉積率，mg/(m2·d)；RH為全年平均濕度,%；Sd為Cl-全年平均沉積率，mg/(m2·d).

傳統(tǒng)的耐候鋼在大部分環(huán)境中擁有出色的耐腐蝕性能，但是在海洋環(huán)境中(高濃度Cl離子)、消冰鹽作用下、連續(xù)的干-濕交替環(huán)境和大氣污染(SO2)環(huán)境中，免涂裝耐候鋼橋梁的抗腐蝕性能有一定程度上的限制[7].

2.3 環(huán)境與抗腐蝕性能

文獻[35]通過鋼材與09CuPCrNi耐候鋼進行干-濕交替腐蝕對比試驗，指出含碳量在0.03%～0.05%之間時，耐候鋼具有更好的抗鹽(Cl-)腐蝕性. 文獻[36-37]通過長期試驗，推薦了一種評估和預測長期腐蝕的方法. 通過暴露試驗，得到不同時期鋼材腐蝕損失(厚度)，根據(jù)腐蝕厚度來反應材料的腐蝕程度，腐蝕厚度的公式為

Y=A·XB.

(2)

其中：Y為腐蝕厚度，mm；X為暴露時間，a；A為腐蝕環(huán)境系數(shù)(指第一年腐蝕損失)；B為保護層系數(shù).

根據(jù)ISO 9223/9224規(guī)定[34,38]，采用指數(shù)-線性模型，利用第一年腐蝕損失量進行腐蝕評估，計算公式為

D=rcorrtb,t≤20;

(3)

D=rcorr[20b+20b-1b(t-20)],t>20.

(4)

其中：D為腐蝕厚度，mm；rcorr為第一年腐蝕速率，μm/a；t為暴露的時間，a；b為材料的環(huán)境系數(shù)(根據(jù)鋼材元素含量和腐蝕環(huán)境修正).

文獻[39]針對船體結構Q235鋼的研究表明，高應力狀態(tài)會加劇焊接接頭的腐蝕. 針對不同腐蝕環(huán)境等級和應力狀態(tài)，積累大量長期的暴露試驗數(shù)據(jù)(各種高強度耐候鋼)，同時加速腐蝕試驗也是對腐蝕性能研究的重要手段. 根據(jù)式(1)～(4)得到較為保守的腐蝕模型，對現(xiàn)行橋梁設計規(guī)范進行補充. 例如，規(guī)定設計基準期內(nèi)，設置容許腐蝕厚度限制或者根據(jù)相應環(huán)境的耐候鋼腐蝕上限進行加厚設計.

3 高強度耐候鋼的焊接性能

3.1 高強度耐候鋼的焊接

焊接連接擁有減輕結構自重、密封性能好等優(yōu)點，成為橋梁建設中不可或缺的加工工藝方法. 但是，焊接具有諸多優(yōu)點的同時，也存在一定不足. 焊接對母材金相有影響，導致力學和疲勞性能改變；焊接會對鋼材產(chǎn)生新的初始損傷；焊接熱量導致殘余應力，特別是復雜的焊接結構，嚴重影響結構初始內(nèi)力分布. 高強度耐候鋼要應用于橋梁工程，必須解決焊接性能和質(zhì)量問題.

高強度耐候鋼焊接過程中需要關注以下3點：1)避免冷裂紋的產(chǎn)生；2) 避免由于雜質(zhì)偏析引起的熱裂問題；3) 避免大線能量焊接(如埋弧焊)，防止焊縫的脆化問題[40].

用于判斷焊接性能的指標一般包含以下幾方面：1) 化學成分.根據(jù)不同元素的影響，通過化學成分可以大致判定鋼材的焊接性能，鋼材含碳量可以大致評價鋼材焊接性. 2) 力學性能.檢驗力學性能最為常見的方法有拉伸試驗和沖擊試驗. 對于焊接接頭，一般要求焊材強度要高于母材強度，耐候鋼沖擊試驗要求-40 ℃時沖擊功大于27 J. 3) 金相組織.利用光學或電子顯微鏡，觀察分析焊縫結晶形態(tài)和焊接熱影響區(qū)的組織分布特點以及微觀缺陷.

3.2 高強度耐候鋼的焊接性能研究

焊材選擇、焊接工藝和焊縫力學性能是焊縫質(zhì)量關鍵的控制因素. 但是國內(nèi)針對橋梁用耐候鋼焊接性能研究相對較少，仍然需要大量研究.

文獻[41]對SMA51(耐候鋼)與SWS400(普通碳素鋼)焊接接頭抗腐蝕和力學性能進行研究，結果表明，兩種鋼的焊接接頭均不能有效防止Cl-的腐蝕，提高Cu、Cr和Ni元素含量，降低C元素含量有利于焊縫的抗腐蝕能力.

針對高強度耐候鋼焊縫疲勞性能，文獻[42]對腐蝕后不同形式的JIS SMA50耐候鋼和SM50結構鋼焊縫進行試驗，試驗表明，腐蝕2～4 a未對焊接試件疲勞壽命造成影響，疲勞裂紋萌生的壽命可通過增大焊趾角度實現(xiàn). 文獻[43]結合試驗針對KT 315 Si耐候鋼焊接結構進行斷裂力學研究，得到了耐候鋼焊接接頭疲勞裂紋擴展門檻值.

Q450NR1高強度耐候鋼在中國鐵路車輛上已應用多年，其研究成果相對較多. 文獻[44]對進口和國產(chǎn)焊材的力學性能、抗裂性能和焊縫金相組織進行對比，通過試驗驗證，兩種焊材都能保證該耐候鋼的性能. 其他研究針對不同性能，通過試驗對耐候鋼焊材匹配進行研究[45-47]. 研究表明，焊材的匹配是綜合因素，不僅考慮材料元素含量、力學性能和疲勞性能，還要考慮焊接構件使用需要.

焊接工藝是影響焊縫質(zhì)量的重要因素，文獻[48]對焊接工藝進行了研究，試驗表明，線能量對強度影響不大，線能量增加會相應增加接頭沖擊韌性，焊道間溫度差增加會降低接頭沖擊韌性. 文獻[49]針對Q450NQR1耐候鋼焊接接頭疲勞性能進行研究，試驗結果表明焊接加工精度對焊縫接頭疲勞性能影響很大.

3.3 高強度耐候鋼的焊接要求

高強度耐候鋼橋梁存在大量的焊接連接，焊縫質(zhì)量關系著橋梁的質(zhì)量與安全，連接質(zhì)量差和焊縫腐蝕導致高強度耐候鋼性能受限. 為保證高強度耐候鋼優(yōu)良性能得以發(fā)揮，必須在加工過程中考慮以下幾方面問題：1) 高強度耐候鋼焊材化學元素需要與母材化學成分相匹配，尤其是不同母材的連接，且盡量選用堿性低氫焊材. 2) 焊材自身的抗腐蝕性能需要考慮. 3) 高強度耐候鋼的焊接工藝也控制著工程質(zhì)量，先進的焊接工藝需要引入和普及.

在優(yōu)質(zhì)匹配焊材的基礎上，焊接工藝對于焊接質(zhì)量起著關鍵作用. 文獻[50]研究熱輸入對3Cr耐候鋼MAG焊縫性能的影響，并提出了較為合理的熱輸入值. 文獻[51]針對SMA490BW耐候鋼焊接過程中焊后降溫進行了研究，并提出了針對該耐候鋼焊接的熱處理和焊接指南. 焊接過程中，使用適當?shù)谋Ｗo氣體和焊材，嚴格控制焊接能量、焊道設計、焊接次序和焊縫形狀，配合焊前預熱和焊后消應工序，可以保證耐候鋼焊縫質(zhì)量.

除了從焊材和焊接工藝出發(fā)，新技術也該被用于提高焊縫疲勞性能. 文獻[52]通過試驗表明，采用高頻機械噴丸處理耐候鋼焊接接頭后，其疲勞強度能夠提高85%. 另外有研究表明，采用超聲沖擊能夠對高耐候鋼對接接頭和十字接頭分別提高87.9%和32.13%的疲勞強度[53-54]. 文獻[55]針對激光復合焊能量配比進行研究，基于中厚SMA490BW耐候鋼板焊接試驗，提出了相對合理的能量配比系數(shù). 在結構關鍵部位適當采取新技術提高焊縫質(zhì)量和性能，更有助于高強度耐候鋼性能的發(fā)揮.

耐候鋼的焊接質(zhì)量控制是一個綜合過程，在傳統(tǒng)技術規(guī)范化的基礎上還需要新技術和新工藝的引入，用以提高其焊接質(zhì)量，如圖3所示.

圖3 耐候鋼焊接質(zhì)量提高方法

Fig.3 Methods of improving weld quality of weathering steel

4 高強度耐候鋼的腐蝕疲勞性能

4.1 高強度耐候鋼的腐蝕疲勞

鋼材的疲勞性能，特別是腐蝕因素作用下的疲勞性能成為一個新問題. 橋梁均處于不同程度的腐蝕環(huán)境中，高強度耐候鋼(免涂裝)的腐蝕疲勞性能需要被研究. 對于腐蝕問題，在于環(huán)境與鋼材表面接觸反應，高強度耐候鋼表面形成致密的銹蝕層阻隔了該反應. 但是，在循環(huán)應力作用下，銹蝕層會發(fā)生破裂，導致坑蝕. 對于疲勞問題，疲勞來源于初始缺陷，循環(huán)應力(必須有拉應力)作用下，微裂紋擴張導致截面不斷削弱，腐蝕部位的整體應力水平隨著腐蝕厚度的增加而增加，減小材料疲勞壽命；此外，蝕坑部位應力集中系數(shù)一般為1.5左右，甚至更高，導致疲勞壽命縮短. 在腐蝕和疲勞荷載共同作用下，特別是在坑蝕作用下，材料的疲勞強度被持續(xù)和快速削弱.

在英國，早年考慮到腐蝕蝕坑造成的疲勞強度下降，禁止耐候鋼用于鐵路[56]. 美國免涂裝耐候鋼橋梁設計指南中規(guī)定，根據(jù)ISO 9223中環(huán)境腐蝕等級要求，對免涂裝耐候鋼橋梁設計中各疲勞細節(jié)等級對應的門檻值進行折減[57]. 但是，相應指南和規(guī)范對于腐蝕疲勞作用的考慮均建立在解釋試驗結果基礎上，還未從機理上對其進行描述或解釋. 高強度耐候鋼的腐蝕疲勞是一個復雜的過程，同時包含疲勞和腐蝕因素，對于高強度裝耐候鋼在橋梁結構上的應用，還需要大量腐蝕疲勞研究.

4.2 腐蝕疲勞的相關研究

目前，國內(nèi)土木工程領域，鋼材的腐蝕疲勞相關研究較少. 但在航空、船舶和車輛等領域，腐蝕條件下材料疲勞性能的研究較多，對材料的腐蝕疲勞研究較為深入. 對于高強度耐候鋼腐蝕疲勞性能，其他領域金屬材料的腐蝕疲勞研究成果可以借鑒，并用于橋梁工程領域.

文獻[58]通過試驗對比AASHTO規(guī)范中各疲勞細節(jié)在腐蝕前后的疲勞性能，結果表明：腐蝕作用使鋼材表面變粗糙度；局部應力提高導致耐候鋼疲勞壽命降低；腐蝕作用對疲勞等級越高的細節(jié)削弱越大.

文獻[59]對Atmofix 52耐候鋼進行疲勞試驗，材料選取已使用20 a的信號塔耐候鋼，試驗表明，腐蝕后的耐候鋼疲勞強度降低，疲勞裂紋萌生于母材表面的蝕坑處，與銹蝕層無關.

文獻[60]針對FV520B鋼進行腐蝕過程中的疲勞試驗，試驗結果表明，水霧和鹽霧作用下鋼材的疲勞強度降低，并且受溫度影響較大. 文獻[61]針對R5鋼進行了未腐蝕、腐蝕后和腐蝕過程中的疲勞試驗，結果表明，腐蝕過程中和腐蝕后的鋼材疲勞強度均降低. 其他研究同樣表明，坑蝕對于材料疲勞性能影響較大，而且鋼材的疲勞強度隨腐蝕程度變化有不同程度的降低[9,56,62-63].

疲勞斷裂作為引起橋梁失效的重要因素，腐蝕(坑蝕)會降低材料的疲勞性能，并且降低的程度受到應力狀態(tài)、腐蝕環(huán)境、材料特性等因素的影響；同時，高應力狀態(tài)同樣會加劇腐蝕速率. 腐蝕和疲勞的耦合作用如圖4所示.

圖4 腐蝕和疲勞耦合作用

4.3 高強度耐候鋼的腐蝕疲勞評估

疲勞試驗是針對高強度耐候鋼腐蝕疲勞評估較為可靠的方法，可以較為直接地得到腐蝕對疲勞強度的削減. 文獻[64]通過對未腐蝕和腐蝕后的A588鋼梁進行疲勞試驗，結果表明，腐蝕導致原鋼梁疲勞細節(jié)等級降低. 根據(jù)大量疲勞試驗，耐候鋼使用指南提出C3和C4腐蝕等級中各疲勞細節(jié)疲勞門檻值的折減百分比[57].

均勻腐蝕導致鋼材截面整體應力水平提高，持續(xù)導致其疲勞壽命有削減. 文獻[65]對于列車車體結構，建立均勻腐蝕速率函數(shù)，通過分析和試驗得到其應力隨時間的變化曲線，根據(jù)Miner準則評估列車車體結構的疲勞壽命. 文獻[66]采用Smith-Watson-Topper應變壽命方法用于腐蝕鋼梁的疲勞壽命評估，結合Albrecht的試驗數(shù)據(jù)和分析表明，只考慮均勻腐蝕作用是不完善的，并推薦了一種考慮腐蝕和各種最大應力的壽命評估方法. 文獻[67]通過假設橋梁構件存在初始缺陷，考慮全截面以相同速率均勻腐蝕，結合車輛荷載譜進行橋梁剩余壽命評估.

腐蝕作用和疲勞作用之間會相互影響，因此疲勞壽命評估時需要綜合考慮兩種作用. 文獻[68]利用損傷累積理論，同時考慮應力腐蝕損傷和疲勞損傷，提出材料腐蝕疲勞的非線性損傷累積模型.

與前面幾種方法不同，通過研究腐蝕疲勞機理有助于評估腐蝕疲勞壽命. 文獻[69]通過試驗確定坑蝕尺寸與腐蝕時間關系，結合材料斷裂力學原理，當裂紋擴展速率高于坑蝕速率時，腐蝕疲勞裂紋會萌生.

綜上所述，腐蝕疲勞評估的方法包括：1) 通過試驗的方法提出不同腐蝕環(huán)境中耐候鋼疲勞強度折減；2) 考慮均勻腐蝕導致應力幅持續(xù)增加，利用損傷累積理論評估腐蝕疲勞壽命評估；3) 基于損傷累計理論，考慮應力腐蝕和疲勞共同作用的非線性損傷累計模型；4) 基于坑蝕理論和斷裂力學的腐蝕疲勞壽命評估. 因此，不同腐蝕環(huán)境中的疲勞試驗需要開展，得到適用和準確的評估方法，用于免涂裝耐候鋼橋梁疲勞設計.

5 高強度耐候鋼在橋梁中的應用

5.1 國外高強度耐候鋼在橋梁中的應用

在美國，建于1964年的新澤西高速公路的橋梁首次使用耐候鋼，并且采用免涂裝設計. 1977年，當時世界上最大跨度的拱橋—新河谷大橋(New River Gorge Bridge)建成，該橋采用了Cor-ten鋼. 2000年，福特市大橋建成通車，該橋混合采用HPS 70W和Grade 50W鋼，節(jié)省了20%的用鋼量.

1989年，美國聯(lián)邦公路局(FHWA)制定了免涂裝耐候鋼結構設計指南[70]. 截止1993年美國免涂裝耐候鋼橋已經(jīng)達到23 000座以上[31,71]. 目前，美國耐候鋼橋梁大約占全部鋼橋的50%左右. 隨美國基礎建設速度的放慢，美國耐候鋼橋梁的建造速度也受到一定限制，部分美國免涂裝耐候鋼橋梁如圖5所示.

圖5 部分美國免涂裝耐候鋼橋梁照片

Fig.5 Photos of some American uncoated weathering steel bridges

1969年，日本建成其第一座耐候鋼橋；1981年士幌線建成的音更川橋和1983年磐越西線建成的阿賀野川御前橋都使用了耐候鋼. 為耐候鋼橋梁更好的應用，1985年定制了《無涂裝耐候性橋梁設計施工要領》[72]；1997—1998年，制訂了考慮消冰鹽的耐候鋼使用標準[73]. 目前，日本有約20%的橋梁使用了耐候鋼，其中70%采用免涂裝設計，20%采用銹層穩(wěn)定化處理技術. 在過去的十年間，日本75%的耐候鋼用于橋梁建設[74].

在歐洲，德國從1969年開始建造耐候鋼橋梁，英國從1970年開始建造耐候鋼橋梁. 在加拿大，90%的新建鋼橋采用了耐候鋼. 韓國從1992年開始建造耐候鋼橋梁，截至目前已有20多座[31,75].

國外學者研究表明，鋼橋涂裝費用占到建設費用的5%～15%，采用免涂裝耐候鋼橋梁可以節(jié)省涂裝費用[1,76-78].

根據(jù)統(tǒng)計，耐候鋼橋梁已經(jīng)在國外經(jīng)歷了半個多世紀，近20年來部分國家對耐候鋼橋梁的應用也迅速增加，表明耐候鋼橋梁的優(yōu)點已被廣泛接納.

5.2 中國高強度耐候鋼在橋梁中的應用

在中國，1991年建成的京廣鐵路巡司河橋采用了耐候鋼，其中兩跨涂裝使用，一跨免涂裝使用，后來全部涂裝使用[79]. 2013年建成的后丁香大橋是一座真正意義上的免涂裝耐候鋼橋梁. 隨著中國耐候鋼發(fā)展，2013年，中國中鐵山橋在美國建造了阿拉斯加塔納納河鐵路橋，該橋為免涂裝使用[80]. 2016年4月開工修建的普灣十六號跨海大橋采用了耐候鋼. 2016年5月，開工建設的藏木雅江特大橋采用了耐候鋼，其中橋面系為免涂裝使用，拱肋為涂裝使用，也是目前國內(nèi)跨度最大的鐵路鋼管混凝土拱橋，其效果圖和銹層穩(wěn)定化處理如圖6所示.

圖6 藏木雅江特大橋

從1991年到現(xiàn)在，據(jù)不完全統(tǒng)計，中國已有的耐候橋梁約20座，并且仍有多座耐候鋼橋梁在規(guī)劃. 中國學者研究表明，免涂裝耐候鋼橋梁可以節(jié)約20%以上的全壽命周期成本[7,81].

根據(jù)統(tǒng)計，中國建成耐候鋼橋梁中，免涂裝耐候鋼橋梁為數(shù)不多. 結果表明，與發(fā)達國家相比，中國高強度耐候鋼橋梁的應用存在較大差距，并且還處于萌芽階段，對于其認識較為薄弱，尚需要大量的研究和實踐完善相應指南和規(guī)范.

5.3 中國高強度耐候鋼的試驗研究

在鋼橋的應用中，由于車輛荷載作用，鋼材的疲勞性能往往起到控制作用. 本文對中國的耐候鋼和高性能鋼開展了一定規(guī)模的疲勞試驗，試驗如圖7所示. 試驗中所用的耐候鋼為Q345NH，是目前中國常用的耐候鋼，最小屈服強度為345 MPa，極限抗拉強度不低于490 MPa，伸長率20%；試驗中所用的高性能鋼為一種新型鋼材，性能與美國HPS 70W類似，拉伸試驗表明，其屈服強度為549 MPa，極限抗拉強度為638 MPa，伸長率26%.

圖7 高性能鋼拉伸和疲勞試驗

該疲勞試驗進行了母材和焊接試件的疲勞試驗，根據(jù)中國《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》[82]，選取其中所規(guī)定的4種疲勞細節(jié)進行疲勞試驗，分別為母材、對接焊接頭和十字焊接頭試件. 其中，Q345NH鋼板厚度為12 mm，高性能鋼鋼板厚度分別為12、24 mm；焊接試件包含手工焊和半自動焊兩種工藝，其中，半自動焊接選用TH550-NQ-II堿性焊絲，手工焊接采用THJ556NiCrCu堿性焊條.

試驗結果表明，中國耐候鋼與高性能鋼都具有較好的疲勞性能，能夠滿足規(guī)范[82]要求，但焊材匹配和焊接工藝對疲勞性能影響較大. 在此基礎上，需要提出腐蝕環(huán)境中免涂裝耐候鋼橋梁的設計方法，才能更好地推廣中國耐候鋼橋梁.

6 結論和展望

1)高強度耐候鋼具有良好的力學性能(屈服強度高于400 MPa)和抗腐蝕性能(耐腐蝕性指數(shù)不低于6.0)，高性能鋼在高強度耐候鋼基礎上對強度、抗腐蝕性能和焊接性能提出更高要求，都是鋼橋建設的理想材料；以上兩種鋼材都具有良好的抗腐蝕性能，從建造到運營節(jié)省了全壽命周期內(nèi)總體投資，因此，免涂裝高強度耐候鋼橋更適宜用于偏遠和經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū).

2) 高強度耐候鋼的腐蝕性能需要通過大量腐蝕試驗進行研究，長期的自然暴露試驗是最為可靠的試驗方法，同時加速腐蝕試驗也是其重要的補充，兩種方法通過腐蝕當量相互換算，可以高效率和準確地獲得腐蝕研究數(shù)據(jù).

3) 試驗表明，高強度耐候鋼焊材匹配和焊接工藝嚴重影響焊縫疲勞性能，用于橋梁建設時，匹配的焊材需要普及，焊接加工工藝需要規(guī)范化；先進的技術可以用于高強度耐候鋼結構關鍵部位，提高其焊接性能，保證結構安全可靠.

4) 腐蝕對高強度耐候鋼疲勞性能有較大削弱，腐蝕疲勞是其用于橋梁需要考慮的關鍵問題之一；通過理論分析和試驗建立適用和準確的腐蝕疲勞評估方法，用于免涂裝耐候鋼橋梁設計.

5) 在此基礎上，為將高強度耐候鋼更好地運用于橋梁結構，今后的研究可以從以下兩個方向開展：高強度耐候鋼在不同腐蝕環(huán)境和應力狀態(tài)下的腐蝕性能研究，完善國內(nèi)各地區(qū)腐蝕環(huán)境分類的統(tǒng)計；高強度耐候鋼及其連接件(不同焊材和焊接工藝)在不同腐蝕條件下的力學性能和疲勞性能.