【钢构知识】英国耐候钢钢桥技术之二

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来源：说桥（shuoshuoqiao)

耐候钢是一种高强度低合金钢，最初由美国钢铁公司在20世纪30年代开发，用于抵抗其矿车的腐蚀和磨损。它的商标名为Cor-ten，最初用于建造于1964年开业的伊利诺伊州莫林的约翰迪尔世界总部大楼。从那时起，耐候钢的使用已遍布全球，在欧洲也有使用。作为“具有改善的耐大气腐蚀性的结构钢”，是一种非专利产品。

在合适的环境中，耐候钢会形成粘附的保护性锈蚀“锈绿”，从而抑制进一步的腐蚀。腐蚀速率非常低，未上漆的耐候钢制成的桥梁可以实现120年的设计寿命，只需要进行日常维护。因此，在适当环境中的详细耐候钢桥提供了有吸引力的、非常低维护的经济解决方案。

此文为英国耐候钢钢桥技术的续编。

耐候钢结构的排水

应详细考虑耐候钢钢桥，以确保钢结构的所有部分都能干燥。细节应该是为了避免水分和碎屑滞留，并确保足够的通风，应遵守以下良好做法：

* 焊缝细节打磨后可能导致不利于排水（留下水的陷阱）

* 在腹板加劲肋连接底板的角落处提供50mm半径的排水孔

* 如果加劲肋没有连接到底板，它们应该缩短（参见GN 2.05）

* 避免采用过于密集的梁，以帮助通风

* 避免重叠板、开口和裂缝，这些都可以通过毛细管作用吸收水分

* 在中承式铁路桥上，要采用混凝土包封至道渣底面，避免接触连续潮湿的道渣，并在腹板的顶面混凝土包封之上预留。

* 确保箱梁的腹板在底板下方延伸20mm，便于沿着腹板向下流动的水滴落，不会沿着底板延伸。

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对于钢梁顶部混凝土板的常见布置，应考虑提供宽阔的悬臂，具有良好的滴水细节，以防止梁受到风吹雨淋。此外，大梁上方桥面板的任何出口管应为非金属的，并且长度足够，以避免含盐水不会喷溅到钢结构表面上。

径流

最初几年，随着“绿锈”的发展，钢结构的径流将包含腐蚀产物，这些会污染下部结构和铺路砖。在腐蚀速率最高的最初几个月，风险最高。随着腐蚀速率的降低，生锈染色的风险也会降低，因此，在径流中腐蚀产物较少。

通过在梁的底板上提供滴水细节（诱导水从钢结构上滴落而不是沿其表面流动的构造细节），并确保支座处下部结构排水系统的干燥，可以避免这种潜在的问题。关键是管理排水，使得径流不会直接流过混凝土表面。

虽然有好的构造细节，耐候钢钢桥上不应发生锈蚀，但值得注意的是混凝土、石头和无釉砖难以清洁。因此，建议易受到污染的子结构采用可清洗的有机涂层密封；如果发生锈蚀污染，也便于采用商业产品进行清理。

过去人们一直担心在径流中的腐蚀产物污染周围植被、植物和水道的可能性。然而，由于腐蚀产物的性质，这不太可能发生。耐候钢主要是铁，其在潮湿的条件下溶解形成亚铁离子，然后将其氧化形成一系列的氢氧化铁和三氧化二铁。这些化合物具有短暂性质，并演变成更稳定的化合物，例如水合氧化铁。耐候钢中的少量合金元素有助于形成保护性化合物，例如，铜可以形成不溶性的羟基硫酸铜，它们在锈层中沉淀。镍也形成类似的化合物。

在最靠近基材的锈层中发现了铬和磷等其他元素，但它们无法自由地污染径流；因此，径流对周围的植被、植物或水道等没有不利影响。

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箱梁

箱梁很难密封，即使在连续焊接时也是如此。因此，如果不能保证密封，则存在水分进入的风险，存在由于积水而产生加速腐蚀的可能性。因此，许多设计师认为会发生一些外部环境水分的进入，并设计钢结构构造细节以允许自由排水。这一观点得到了欧标英国国家附件EN 1993-2的赞同。

只要箱内产生的任何水份都能有效地排出结构，在箱梁内部形成“清洁”冷凝水不太可能对耐候钢的腐蚀产生显着影响（无论外部环境是C3，C4还是C5）。

希望结构具备吐纳并允许空气流干燥湿润或潮湿的表面的能力。同样重要的还有内部横隔板和加劲肋等细节构造，要在最低点能立即排出积水。开口应足够大，以免堵塞，但不允许设很大的通风孔，以避免吸入外部大气。建议使用不腐蚀材料的排水管，来确保任何含有腐蚀产物的水从外表面移开，特别是那些容易被污染的吸收性材料如混凝土。还建议使用格栅或网格来防止鸟类和啮齿动物进入结构的内部腔室。

与其他材料之间的接触

钢和混凝土之间的界面应使用适当的密封剂密封，以防止水分进入。例子如：顶部翼缘板的边缘、整体式桥梁伸入桥台端墙的梁段。如果有足够深度的混凝土保护层以满足所需的耐久性，则不必对混凝土包裹的钢构件进行涂漆。

Interfaces_Concrete密封胶和滴水细节在整体式桥梁桥台

与电镀异种金属部件的连接，例如镀锌螺栓，应予以避免，否则存在加速局部腐蚀的风险。发生双金属腐蚀条件是：两种不同的金属需要彼此直接电接触，两者之间有电解质。影响双金属腐蚀的因素是电解质的性质和导电性、阳极和阴极金属的相对表面积以及电池中的相应位置。

对于大多数耐候钢桥，就这种效应而言，唯一需要考虑的领域是钢梁与结构支座之间的连接。

对于在普通结构钢支座上耐候钢钢梁的情况，两种金属的反应性之间没有显着差异，并且由于普通结构钢支座已经涂漆，不与电解质接触，因此不太可能发生双金属腐蚀。

对于在不锈钢支座上耐候钢钢梁的情况，两种金属的反应性之间存在显着差异，并且由于两种金属都未涂覆，因此有可能与电解质接触。然而，与小型不锈钢支座相比，耐候钢的表面积（其将优先腐蚀不锈钢）是巨大的。此外，支座通常是遮蔽的，因此很少存在电解质。因此，双金属腐蚀的水平不太可能非常显著。

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但是，建议密封不锈钢支座和耐候钢锥形支座板之间的界面，这会降低局部双金属腐蚀的水平。密封剂消除了与裂缝相关的加速腐蚀的风险，并有效地断开了电路，降低了双金属腐蚀水平。如果电路完整，水膜必须从支座延伸到密封剂的表面上并延伸到锥形板上。

与人的接触

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在锈蚀成的早期阶段，如果公众依靠或刷过钢结构，则存在腐蚀产物可能污染衣服的风险。随着锈蚀时间的推移，这种风险将会降低，但它始终存在。腐蚀产物污染衣物的可能性取决于“绿锈”的性质。粘附的细粒“锈绿”不太可能污染衣物，而粗的铁锈颗粒更容易剥落。值得注意的是，耐候钢的表面纹理与粗砂纸的表面纹理之间可能存在相似之处。因此，存在接触也可能对衣物造成磨损的风险。

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因此，需要仔细设计扶手或其他障碍物的构造细节，以尽量减少公共和耐候钢之间接触的风险；可采用木扶手或涂漆钢扶手或镀锌钢扶手。请注意，为了避免双金属腐蚀，金属扶手必须与耐候钢隔离。

然而，有些情况下，暴露的耐候钢表面与公众必须接触，这需要在耐候钢表面进行“抛光”，例如，人们喜欢坐在’北方天使’的脚下。

制造与安装问题

焊接连接

所有接头，包括角焊缝，都应连续焊接，以避免水分和腐蚀陷阱，如裂缝。结构耐候钢的焊接类似于传统结构钢的焊接，但耐候钢通常具有较高的碳当量值（CEV），在根据EN 1011-2 研究焊接工艺规范时需要考虑这一点。

BS EN 1090-2 对钢结构的执行要求是耐候钢焊接应使用“匹配”消耗品（见下表）。与焊条相关的术语“匹配”有点误导。实际上，它意味着焊条形成的焊缝与母材相似的方式耐候。

焊材匹配方案表

Process	No.	Option 1	Option 2	Option 3
Manual Metal Arc (MMA)	111	≥ 0.4% Cu + other alloy elements	2.5% Ni	1% Cr, 0.5% Mo
Manual Active Gas (MAG)	135		2.5% Ni
Submerged Arc Welding (SAW)	121, 122		2% Ni

然而，在实践中已经表明，在某些情况下最好避免使用匹配焊条，因为所得到的焊接金属变得富含铜，并且如果焊接也受到限制，这可能导致困难。对于以下情况，应使用C-Mn耗材，因为耐候钢合金元素足够释放到焊池中以提供所需的耐腐蚀性：

使用SAW（121至125）和MAG（135和136）工艺，单道角焊接焊脚长度可达8 mm
对接焊缝采用每侧一次成形
平头对接焊缝采用SAW（121至125）的“穿通”（punch-through）技术
注意，对于熔透8 mm焊脚角焊缝提供与普通10 mm角焊缝相当的强度。
前两种情况见公路工程规范第1805.5节。

对于多道角焊缝和对接焊缝，焊缝的主体可以使用C-Mn焊条制成，用“匹配”焊条盖面，但重要的是任何暴露的翼缘也应该用“匹配”焊条盖住。

然而，使用半自动SAW工艺和“匹配”焊条的多道对接焊缝给出了令人满意的结果。这种焊接通常用于腹板和翼缘板中的预装配对接，因此不受限制。这种对接板通常随后在焊接后切割成它们的最终形状，因此在整个焊缝厚度上具有完全耐候性是有用的。

剪力钉

接剪力钉并无耐候钢材质的，并且实际上不需要具有“耐候”特性，因为它们完全包裹在混凝土中。因此，传统的剪力钉可用于复合耐候钢板梁，并且使用与传统结构钢板梁相同的拉弧焊接工艺。然而，耐候钢通常具有较高的CEV，这在研究焊接工艺规程时需要考虑，并且可能导致需要在耐候钢板梁的顶部翼缘板上额外预热，特别是对于提供高散热性能的厚翼缘板。

螺栓连接

所有螺栓连接都应使用符合ASTM F3125，A325级，3级或等效标准的耐候等级高强螺栓、螺母和垫圈。应该使用“部分旋转法”拧紧它们。螺栓不适用于扭矩方法，BS EN 1090-2 禁止使用直接张力指示器（负载指示垫圈，DTI法），因为会产生裂缝，成为腐蚀陷阱。

喷砂清理至Sa2，符合最低标准BS EN ISO 8501-1 ，并应在制造后和现场交付之前进行，以协助形成均匀的锈蚀。应避免使用油漆、蜡或蜡笔等在制造和安装过程中标记钢结构，因为这些难以清除，并会干扰耐候过程。注意，水基涂料可用于标记，因为它在喷砂清理期间易于除去。

安装

现场应小心存放和处理钢结构，以确保不会损坏发展中的铁锈。虽然“锈绿“将重新形成，但在此之前它将显得不均匀。此外，应避免从桥面板混凝土操作中进行灌浆，因为它们会对钢结构产生不利影响，并且可能需要在现场安装后进行最后的喷砂清理。在施工期间，应保护桥墩和桥台免受锈蚀，因为“铜锈”是通过将它们包裹在保护膜中形成的，直到进行最后的施工检查。

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注解：部分旋转法

部分旋转法是高强螺栓施拧的一种方法，类似于组合方法，更大程度上依赖于旋转而更少依赖于扭矩。因为它主要依靠旋转来实现特定应变，并因此实现预加载，所以该方法不适用K1或K2类组件。 “公路工程规范”中规定的方法已经针对尺寸为M24和M30的8.8级螺栓进行了验证。通过部分转弯方法收紧包括两个步骤： 1.使用扭矩扳手进行第一次拧紧步骤。扳手根据下表设定扭矩值。在开始第二步之前，必须在一个连接中完成所有螺栓的第一步。

部分旋转法初始扭矩要求

名义尺寸（mm）

螺旋扭矩要求

± 10% (Nm)

270

460

第二个最终拧紧步骤，其中将指定的部分旋转应用到螺栓组件。在第一步之后，永久地标记螺母相对于螺栓螺纹的位置，从而可以容易地确定螺母在该第二步骤中相对于螺纹的最终旋转量。第二步是根据下面给出的值。

待连接部件的总标称厚度“t”（包括所有封隔器和垫圈）		在拧紧的第二阶段期间应采用的旋转量
角度		旋转量
t ≤ 160 mm	180		½

部分旋转法的主要优点是它是一种应变控制方法，因此几乎完全独立于螺母和螺栓组件的摩擦和扭矩特性。部分转弯方法引起一个特定的应变（与零件旋转量和螺距相关），该应变远远超过弹性极限，并使螺栓进入荷载伸长率曲线相对平坦的区域，从而导致螺栓的预加载荷仅有微小的变化（误差）。

这种一致性为钢结构承包商和客户提供以下好处：

可预测性：预应力总是超过规定的最小值

可靠性：易于控制和现场监督

经济性：现场无校准，减少返工风险，降低成本

多功能性：适用于非合金钢和耐候钢桥

检查

使用螺栓的成本的很大一部分与检查有关。这是有效使用高强螺栓的关键，因此应严格按照BS EN 1090-2 的要求进行，或者根据公路工程规范的规定采用部分旋转法。

涂装

英国有一些案例，因美学原因，部分耐候钢钢桥外梁的外表面已被涂漆。然而，美学论证是主观的，并且对耐候钢进行涂漆会增加结构的成本和未来的维护要求。在某些情况下，外表面的涂漆对于允许在大气环境中使用耐候钢是必不可少的，否则会妨碍材料的使用，如海洋环境中箱梁的外表面。

在需要涂漆耐候钢的地方，应使用与普通结构钢相似的油漆涂料和类似的表面处理。新型耐候钢上涂料的预期寿命至少相当于普通结构钢上相同涂料的寿命，甚至可以认为寿命会更长，因为耐候钢将抵抗受损油漆区域下的任何缓慢进行的腐蚀。

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检查、监控和维护

所有桥梁都需要例行检查，监控和不定期维护，以确保满意的性能。在这方面，耐候钢钢桥也不例外。但是，重要的是要尽早识别这些桥梁偶尔易发的任何具体问题，以便采取适当的补救措施。

桥梁检查

耐候钢钢桥的视觉检查应由经验丰富的检查员至少每两年进行一次。 “绿锈”的表面状况是性能的良好指标。附着的细粒铁锈“绿锈”表明腐蚀以可接受的速率进行，而粗糙的层状锈层和剥落表明不可接受的耐候钢性能。在视觉检查中需要寻找潜在问题的其他迹象，需要调查的领域包括：

伸缩缝泄漏
积累污垢或碎屑
由于植被过度生长，表面会留下水分
排水系统故障
混凝土/钢界面密封胶的劣化
螺栓连接处的腐蚀产物过多
如果目视检查发现任何严重问题，应追查原因并尽快纠正问题。

监测钢板厚度

耐候钢钢桥的腐蚀速率应每6年监测一次，通过测量结构上特定临界点的剩余钢材厚度。这些点应在竣工图纸或桥梁维护手册中定义。还应记录在施工期结束时进行的原始测量厚度。

如果在18年的时间之后，结构寿命期间的截面损失超过原始预留量，则可能需要采取补救措施。建议采用18年这一年限，因为最初腐蚀速率很高，“绿锈”形成，然后减慢到更具特征的速度。

应使用专业的便携式超声波设备进行钢材厚度测量，该设备不会损坏保护性锈蚀“绿锈”。典型的仪器具有体积小、重量轻、电池供电并具有数字显示器（例如Cygnus 2仪器）等特点。这些仪器需要使用耦合剂材料，将来自探头的信号通过绿锈传递到钢中；水性的或易于除去的材料，例如壁纸膏或甘油，可以有效地做到这一点。这种仪器精确到+/- 0.1毫米。