传统的钢桥需要采用涂装避免钢材受到腐蚀，并且在设计使用周期内需要反复进行涂装，然而这种维护方式成本高且会对环境造成污染。耐候钢依靠自身产生的致密锈层防止基体被外界环境进一步侵蚀，从而达到免涂装的目的，是一种环境友好、经济耐久的防腐方式。在美国、日本等发达国家早在20世纪中期已经成功将耐候钢应用到实际工程中，但我国耐候钢的应用仍处于初级阶段。近几年，随着钢铁冶炼技术的进步和对外交流的增多，耐候钢在桥梁的应用方面取得了一定的成果，并且国内推广耐候钢桥梁的认识逐渐提高。由于我国耐候钢桥建造经验少，耐候钢桥设计施工等方面均参照美国或日本的相关要求，很可能不适应我国的自然环境及建设环境。此外，项目的各个参建方对耐候钢的认识不同，在耐候钢桥梁建造方面存在一定的分歧和误区。

本文首先对国内耐候钢桥梁的建造情况进行总结，结合实例说明耐候钢桥在全寿命周期内采用不同养护方案的经济性。通过对国内近年来研究成果的调研，主要从锈层稳定技术、耐候钢接头腐蚀性能以及耐候钢腐蚀疲劳说明最新的研究进展和存在问题，并且结合国外的设计和养护经验讨论耐候钢设计和养护准则。最后对我国耐候钢桥应用存在的问题进行了思考。

自20世纪60年代，我国开始对耐候钢进行研究，并试制出09MnCuPTi耐候钢，随后制造了我国第一辆耐候钢铁路货车。经过“六五”与“七五”攻关，研制出以09CuPTiRE、09CuPCrNi为代表的耐候钢，且已大规模生产，仍然应用于铁路车辆。耐候钢在桥梁上的研究应用始于20世纪80年代，1986—1989年武钢成功研制出了桥梁用耐候钢NH35q，并在1990年建成了第一座耐候钢桥——京广线武汉巡司河桥(图1)，主梁为三跨钢箱梁，其中一跨采用裸露使用，其余两跨涂面漆。由于南方雨水多、排水考虑不周等原因，在运营中发现免涂装裸露使用一跨出现剥层腐蚀现象，后来直接改为涂装方案，此后近10年桥梁建设者对耐候钢桥敬而远之。从1992—2010年我国耐候钢桥的建造基本处于停滞期。

图1 京广线武汉巡司河桥

政府对钢结构桥梁建造的鼓励、钢厂的冶炼技术进步、桥梁设计者对新技术的渴求等因素综合叠加，使得近5年来耐候钢桥出现井喷式发展。从2010年至今，我国耐候钢桥进入了一个快速发展的时期，表1详细给出我国耐候钢的应用及耐候钢桥的发展情况。2016年我国交通运输部也适时发布了《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》，其中提到了环境条件适合的桥梁结构推广使用耐候钢。

表1 国内耐候钢及耐候钢桥的发展情况

目前我国耐候钢桥建设具有以下特点：

1)桥型结构已经从中小跨径梁式桥发展至大跨度拱桥、悬索桥；

2)单体工程耐候钢用量也从几百吨发展到上万吨；

3)跨度已经从小跨径(28 m)发展至超大跨径(720 m)；

4)耐候性焊材、高强螺栓、紧固件和焊接工艺日益成熟；

5)部分项目开展了较为系统的科研工作，尝试对项目的相关选材、设计、制造和养护提出了应用指南；

6)桥梁工程师对设计和建造耐候钢桥的关注度大幅提升。

全寿命周期的经济性是耐候钢桥被推广的主要原因，由于我国耐候钢桥发展时间较短，尚无足够的样本定量说明耐候钢桥在建设初期及全寿命周期内的经济效益，下面介绍两个统计结果作为参考。怀来县城市道路工程跨官厅水库耐候钢桥采用免涂装方案的经济效益分析如表2所示，可以看出采用免涂装耐候钢主梁，建设初期成本节约12%，采用普通钢材全寿命周期成本是采用免涂装耐候钢的2.2倍。表3比较了我国三座已建成耐候钢箱梁桥的经济效益，若首次使用时都进行涂装，相比采用普通钢材，三座桥梁采用耐候钢建造的初期成本提高约4.7～6.4%，但全寿命周期成本降低22.3～26.3%。若这三座桥均采用锈层稳定化技术进行表面处理，采用免涂装方式，则经济效益更为可观。表2和表3计算经济效益时，未计入耐候钢桥建成初期养护时增加的低压水冲洗工序及全寿命周期内检查评定所需要的费用，对于普通钢材没有考虑再次涂装时产生的环境问题及对桥下交通的影响导致的间接成本，但是综合分析可以看出，耐候钢桥潜在经济效益是巨大的。

表2 免涂装使用耐候钢桥经济效益比较

注：全寿命周期内需涂装4次。

表3 涂装使用耐候钢桥经济效益比较

国内外对耐候钢的腐蚀机理认识比较统一，水蒸气在钢的表面形成水膜，如果不考虑大气中二氧化硫和盐离子的影响，钢的腐蚀主要以水膜下的电化学腐蚀为主，此时气态氧溶入水中，和Fe构成原电池，形成了钢的电化学腐蚀。Fe基体首先被腐蚀成Fe2+，生成FeO和Fe(OH)2，然后继续腐蚀成Fe3+，生成γ-Fe2O3、Fe3O4，最终形成稳定的腐蚀产物γ-FeOOH和α-FeOOH 。从目前实际工程总结的经验看，耐候钢应在干湿交替，通风良好的环境中应用，避免积水、积灰的构造，避免在Cl-离子含量高的环境中应用，比如湿度较大的海岸区域，采用除冰盐频繁的高寒地区。目前研究耐候钢腐蚀的常用方法分别为室内加速腐蚀试验和室外挂片暴露试验。室内加速试验可以短期内研究耐候钢的腐蚀变化，是大多数科研单位采用的验证对比方式，但不能得到实际的腐蚀量与腐蚀时间的确切关系。2015年我国各大钢厂和科研单位成立了耐蚀钢产业技术创新战略联盟，计划建立高性能耐候钢种基础腐蚀数据库，选择国内10个左右典型的气候类型，对10个成分系列的钢种进行为期15年的挂片暴晒试验，这个数据库的建立将对我国耐候钢的应用起到基石的作用。对近年来耐候钢的研究成果进行调研后发现，我国在桥梁应用中主要聚焦在耐候钢锈层稳定技术、耐候钢接头腐蚀性能、耐候钢腐蚀疲劳研究三个方面。

裸露使用虽然是耐候钢独特的使用方式，但其在自然环境中完成锈层的稳定化过程需要相当长的时间，而且在形成稳定化锈层之前常常出现锈液流挂与飞散的现象。针对这一问题，一方面人们不断研制新钢种，缩短或加速耐候钢的稳定化过程，改善其外观，提高其耐蚀性；另一方面，研究与开发出耐候钢表面快速形成稳定锈层的处理技术，即在一开始就对构件表面进行处理，以缩短耐候钢稳定化锈层的形成过程，既可避免耐候钢使用初期黄色锈液流挂的现象，同时又能形成稳定锈层。耐候钢锈层稳定技术由日本在20世纪60年代提出，通过表面化学处理，耐候钢表面会形成一层可以透气透水的膜，腐蚀过程在该膜下面进行并形成稳定锈层，代表技术有化学转化膜处理、氧化物涂膜处理、磷酸盐底漆处理等。稳定锈层主要是α-FeOOH组成，因此锈层中累积大量的α-FeOOH是技术的关键，另外有些合金元素及其化合物容易在锈层裂纹和缺陷处富集析出，阻止外界腐蚀离子对钢材基体的侵蚀。从这两点出发，是锈层稳定化技术的主要研究思路。

国内建成的多座耐候钢桥使用了锈层稳定技术，比如在福州洪塘大桥拓宽改建工程中的引桥钢箱梁表面，采用锈层稳定化处理措施进行了处理。通过试验证明，经过锈层稳定化处理的钢材，其腐蚀率会降低约50%。国内研究人员开发了一种Zn-Ca系磷化化学转化膜-丙烯酸树脂/SiO2的复合膜处理技术，能较好促进耐候钢表面锈层的稳定化。为了景观考虑，目前国内锈层稳定化处理后可以将钢板的颜色稳定在几个指定的颜色，如图2所示。该方法可以快速实现锈层稳定，既能保证耐候钢的外观效果，又能使耐候钢在室外自然腐蚀过程中锈层颜色稳定均匀，不出现黄色锈液流挂现象。由于该方法使用的是化学药剂，对环境的影响程度尚待进一步评估。

图2 锈层稳定化处理

2.2.1焊接连接

由于耐候钢中具有少量的合金元素，为了保证焊接处的连接可靠，选用焊材时不仅要考虑焊接材料与母材的匹配程度，还要考虑焊缝金属具有耐候性。在焊接过程中，应考虑合理的焊接参数、焊接工艺、焊接细节等。研究人员研究了不同耐候指数的焊接材料对焊接接头耐腐蚀性能的影响，建议采用与母材耐候指数相近的焊接材料，此时形成的锈层中会存在大量的Cr元素，有利于焊接接头与母材发生均匀腐蚀。另外有研究人员采用盐雾腐蚀研究SMA490BW耐候钢的焊接接头的腐蚀行为，焊接工艺分别为双丝自动焊、单丝自动焊和单丝手工焊。通过分析耐候钢接头的微观组织和锈层产物等，焊缝耐腐蚀性最好的是双丝自动焊，最差为单丝手工焊。这可能是因为手工单丝焊热输入相对较大，焊接接头的晶粒尺寸较大，渗碳体过多，耐腐蚀性相对较差。2014年我国中铁宝桥集团依托大连16号桥开展了耐候桥梁钢Q345qENH和Q420qENH应用性研究，并主编《耐候钢桥梁的焊接施工指南》，其中对焊接参数、工艺、焊接细节均有较详细说明，该指南对国内耐候钢桥的焊接具有一定指导意义。

2.2.2螺栓连接

耐候钢桥的栓接连接接头除了要保证传力明确、安全、耐久等要求，应重点考虑栓接接头的耐腐蚀性。对耐候钢桥的大量调查发现，螺栓孔处常常出现较为严重的缝隙腐蚀，在使用栓接时应当尤为注意。目前国内燕山大学、中铁山桥集团有限公司、南京钢铁股份有限公司等单位都开发了耐候性高强螺栓。中国铁道科学院与中铁山桥合作，采用喷砂和钢丝刷结合的处理工艺对耐候钢栓接的接头进行表面处理，通过试验证明可以达到连接要求，但喷砂后的表面抗滑移系数会随着时间明显下降。最后通过疲劳试验证明其疲劳强度等级满足相关规范设计要求，但是该试验锈蚀时间较短，构件数量较少，还需要进一步通过工程实践检验。耐候钢桥梁的螺栓连接部分，虽然采用了耐候高强螺栓，但是该位置的拼接板、节点板均采取了与非耐候钢桥相同的防腐措施。对于耐候高强螺栓的使用方式，也需要进一步研究探索更好的处置措施。

国内耐候钢桥的腐蚀疲劳目前的研究成果较少，并且试件多采用板材进行研究，涉及到具体构造的较少。耐候钢腐蚀后结构表面会形成蚀坑，从而在该微小缺陷位置产生应力集中，成为疲劳裂纹的萌生位置。因此，JTG D60—2015《公路钢结构桥梁设计规范》中对于母材采用耐候钢时，疲劳等级应降低一个级别。通过国外的研究资料表明，疲劳寿命会随着腐蚀时间增加而显著下降，而且结构受到遮蔽的耐候钢由于缺少雨水冲刷和阳光照射，影响保护层的形成，腐蚀率反而高于直接暴露的结构。由于我国腐蚀环境、材料性质以及构造均有不同，腐蚀对耐候钢疲劳寿命的影响也不同，因此国外耐候钢腐蚀疲劳的试验结果很可能不适用于实际工程。而国内目前现有的耐候钢腐蚀疲劳试验均存在试件腐蚀时间较短，试件数量偏少的问题。长安大学王春生等对HPS485 W高性能钢材的疲劳裂纹扩展速率进行了试验研究，通过与传统的桥梁钢14MnNb进行对比发现，该高性能钢具有更好的抗疲劳裂纹扩展能力。天津大学宗亮等对WNQ570桥梁钢和其对接焊缝进行了疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹扩展门槛值测定，其中对接焊缝疲劳裂纹扩展速率高于母材，该型号的钢材具有良好的抗疲劳裂纹扩展性能。

大量的研究成果急需转化为指导设计的意见，但我国目前仍没有相关耐候钢设计指南。国外对高性能钢材进行了深入的试验研究，并发布了相应的设计准则，美国、日本及英国在近几十年的研究中，对本国适宜建造耐候钢桥的区域进行了划分，针对不同区域对耐候钢桥材料也做出了相应的要求。表4为各国规范中建议的耐候钢桥适宜建造区域环境指标限制值。

表4 各国规范有关耐候钢桥使用影响因素限值规定

我国绝大部分区域气候条件良好具备耐候钢桥使用条件，但也存在海洋气候、高湿、高寒区域，这些区域耐候钢桥的环境适应性应做深入系统的研究。国外规范中对耐候钢所适用的桥型并无明确规定，从国外已建成桥型来看包含了所有常见桥型。从主梁结构形式来看，主要是以钢板梁、桁架梁、小型钢箱梁居多，对于大型扁平钢箱梁应用则较少。从后期维护角度考虑，耐候钢桥的杆件截面更适合采用开口截面或者断面形式比较简单的闭口截面。耐候钢的细节设计至关重要，原则上需要避免积水构造，这与普通的钢结构可能有所出入。

耐候钢免涂装不等于不维护，恰恰相反，为了使耐候钢尽早形成稳定锈层，耐候钢桥建成初期更需要定期检查和维护。国外已经有比较成熟的耐候钢桥维护方法可借鉴，图3为日本耐候钢桥后期养护管理流程，介绍了耐候钢桥的后期维护管理办法，确保桥梁生命周期内实现其功能。日本规范中对耐候钢的检查部位，检查时间都有明确的规定，同时指出了耐候钢桥检查的目的就是把握锈层腐蚀状况，预测结构性能。目前常采用的耐候钢桥锈层状态检测方法主要有目测检查法、胶带粘附试验法、氯化物测试和超声波测试。为了使耐候钢桥形成稳定锈层，需要定期通过低压水对耐候钢桥表面浮灰和堆积在结构角落的锈渣进行清理。规定重点检查的情况有：桥面板损伤引起漏水对主桁架、腹杆及横桁架的腐蚀，排水口淤泥堆积，伸缩缝漏水，端横梁的腐蚀程度，工字梁下翼缘以上10 cm范围的腐蚀程度和耐候高强螺栓连接处构造进行检查。我国耐候钢桥在养护管理中可以充分吸收这些经验，保证耐候钢桥形成良好稳定的锈层，充分发挥耐候钢桥的优点。

图3 耐候钢桥养护流程