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相關(guān)資訊:朱勁松：耐候橋梁鋼腐蝕力學(xué)行為研究及其應(yīng)用進(jìn)展

朱勁松，工學(xué)博士。天津大學(xué)橋梁與隧道學(xué)科負(fù)責(zé)人，教授，博士生導(dǎo)師。曾獲項(xiàng)海帆杰出橋梁青年獎(jiǎng)及天津市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)（）等，兼任國際全壽命土木工程協(xié)會(huì)會(huì)員，橋梁維護(hù)與安全國際聯(lián)合會(huì)會(huì)員，中國土木工程學(xué)會(huì)橋梁與結(jié)構(gòu)工程分會(huì)、中國土木工程學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用分會(huì)、中國公路學(xué)會(huì)橋梁與結(jié)構(gòu)工程分會(huì)及中國復(fù)合材料學(xué)會(huì)土木工程復(fù)合材料分會(huì)理事及《中國公路學(xué)報(bào)》編委等。長期致力于大跨度復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)分析控制、橋梁損傷識(shí)別、健康監(jiān)測(cè)及長期性能預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)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。調(diào)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(huán)境中的鋼橋，已經(jīng)出現(xiàn)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(nèi)進(jìn)行反復(fù)涂裝，然而涂裝成本較高并且會(huì)釋放揮發(fā)性有機(jī)物，污染環(huán)境，另外涂裝有時(shí)需要中斷交通，阻礙了車輛正常行駛。這反映出目前傳統(tǒng)橋梁用鋼已經(jīng)不能很好的滿足橋梁結(jié)構(gòu)全壽命周期內(nèi)的耐久性要求，同時(shí)鋼橋腐蝕消耗了大量資源，不符合我國綠色發(fā)展的理念，這就迫切需要開展高性能耐候橋梁用鋼的研發(fā)和應(yīng)用研究。高性能耐候鋼是一種集優(yōu)越力學(xué)性能、高耐蝕性、便于加工制造和較高性價(jià)比于一體的橋梁結(jié)構(gòu)用鋼。裸裝使用是耐候鋼突出的優(yōu)點(diǎn)，也是常用的使用方法，可以程度發(fā)揮耐候鋼的優(yōu)勢(shì)。一般經(jīng)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(dá)到保護(hù)基體的目的。2016年7月13日交通運(yùn)輸部發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》中明確指出：環(huán)境條件適合的橋梁結(jié)構(gòu)推廣使用耐候鋼，能夠提高結(jié)構(gòu)抵抗自然環(huán)境腐蝕的能力，降低養(yǎng)護(hù)成本。

隨著人們對(duì)耐候鋼耐蝕機(jī)理和力學(xué)性能認(rèn)識(shí)的逐漸深入，耐候鋼橋以其優(yōu)越的耐久性能已經(jīng)開始引起橋梁設(shè)計(jì)者的重視和廣泛關(guān)注，但是到目前為止我國關(guān)于耐候鋼橋設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法的研究工作仍然十分匱乏，工程實(shí)例較少，國內(nèi)只有少數(shù)橋梁采用耐候鋼材建造，并且大部分涂裝使用，未能充分發(fā)揮耐候鋼的優(yōu)勢(shì)。為了給橋梁用耐候鋼的研究和耐候鋼橋設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)，本文介紹了筆者課題組在耐候鋼腐蝕機(jī)理與腐蝕后力學(xué)性能退化等方面的初步研究成果，并對(duì)耐候鋼橋設(shè)計(jì)相關(guān)方法、規(guī)范與應(yīng)用進(jìn)行了評(píng)述。

1 耐候鋼腐蝕行為研究

1.1 環(huán)境因素單獨(dú)作用

在對(duì)耐候鋼耐大氣腐蝕性能進(jìn)行研究時(shí)，國內(nèi)外學(xué)者基于對(duì)大氣中污染因素的主觀評(píng)估，通常將外界大氣定性的分為鄉(xiāng)村大氣（田園大氣）、城市大氣、工業(yè)大氣和海洋大氣4類?？偟膩碚f，對(duì)傳統(tǒng)耐候鋼在不同大氣環(huán)境中腐蝕性能的研究已經(jīng)比較充分，但是隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，更多適用于不同腐蝕大氣環(huán)境的新型高性能耐候鋼正在被逐步研發(fā)出來，在應(yīng)用于實(shí)際工程之前，仍需對(duì)它們的耐蝕性進(jìn)行深入全面的研究。目前常用的研究方法主要是對(duì)耐候鋼進(jìn)行室外暴露試驗(yàn)和室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)，但是兩種方法各有利弊。室外暴露試驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)反映耐候鋼的大氣腐蝕性能，但是試驗(yàn)周期較長，目前已有的腐蝕數(shù)據(jù)主要是基于10年左右的大氣暴露試驗(yàn)得到的，而20年以上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)在已有文獻(xiàn)中極其少見；室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)?zāi)軌蛟诙虝r(shí)間內(nèi)獲得耐候鋼的腐蝕性能，但是室內(nèi)模擬腐蝕的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)與外界大氣環(huán)境之間的相關(guān)性、加速腐蝕時(shí)間與實(shí)際腐蝕時(shí)間之間的等效關(guān)系尚需進(jìn)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(duì)長期腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到，模型的建立主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式。但是由于獲得的腐蝕數(shù)據(jù)是不連續(xù)、非原位檢測(cè)的結(jié)果，建立的腐蝕模型無法動(dòng)態(tài)、連續(xù)描述材料表面隨時(shí)間的變化過程。對(duì)耐候鋼大氣腐蝕連續(xù)變化過程的研究，一方面可通過加強(qiáng)動(dòng)態(tài)、原位檢測(cè)技術(shù)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(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)連續(xù)腐蝕變化過程的模擬，例如采用元胞自動(dòng)機(jī)方法，但模型中各系數(shù)的確立和仿真模擬結(jié)果驗(yàn)證仍需結(jié)合實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

筆者課題組以鞍鋼研發(fā)的普通耐候鋼Q420qNH和適用于海洋大氣的耐候鋼Q420qNHY為研究對(duì)象，提出了一種基于三維元胞自動(dòng)機(jī)的耐候鋼大氣腐蝕過程的數(shù)值方法，模擬過程包含了基于Fick第二定律的擴(kuò)散過程以及基于法拉第定律的電化學(xué)反應(yīng)過程，并且通過引入概率考慮了腐蝕過程的隨機(jī)性和外界環(huán)境參數(shù)的不確定性。為了簡(jiǎn)化模擬過程，根據(jù)三維元胞自動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)針對(duì)復(fù)雜的鋼材大氣腐蝕過程做了幾點(diǎn)基本假設(shè)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)鋼材腐蝕所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式Fe + 1/2O2 + H2O → Fe（OH）2建立化學(xué)反應(yīng)規(guī)則，根據(jù)氧氣在電解液膜層中的擴(kuò)散規(guī)律建立擴(kuò)散規(guī)則，通過編制Matlab程序?qū)崿F(xiàn)了鋼材在大氣中腐蝕過程的模擬。采用該方法對(duì)典型大氣環(huán)境中耐候鋼的腐蝕行為進(jìn)行了模擬，獲得了耐候鋼腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線、腐蝕形貌和蝕坑分布特征，模擬結(jié)果符合鋼材在大氣環(huán)境中的基本電化學(xué)腐蝕規(guī)律，通過與大氣中耐候鋼實(shí)際腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性和可靠性，該方法能夠準(zhǔn)確再現(xiàn)耐候鋼的大氣腐蝕過程。

同時(shí)開展了中性鹽霧加速腐蝕試驗(yàn)及天津?yàn)I海地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)掛片試驗(yàn)。通過對(duì)普通低碳鋼（Q420q）、傳統(tǒng)耐候鋼（Q420qNH）和新型高性能耐候鋼（Q420qNHY）進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，獲得了3種鋼材的腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線和腐蝕速率隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。得到如下結(jié)論：腐蝕初期（18天之前），傳統(tǒng)耐候鋼的厚度損失與普通低碳鋼基本相同，之后，傳統(tǒng)耐候鋼的厚度損失開始逐漸低于普通低碳鋼，此時(shí)傳統(tǒng)耐候鋼表現(xiàn)出優(yōu)于普通低碳鋼的耐蝕性能；在整個(gè)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(huán)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(duì)于普通低碳鋼和傳統(tǒng)耐候鋼，在腐蝕初始階段（4天之前）兩者的腐蝕速率均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，之后隨時(shí)間開始下降，此時(shí)銹層對(duì)腐蝕介質(zhì)的阻礙作用開始顯現(xiàn)出來，并且由于耐候鋼的銹層更加致密，故使得傳統(tǒng)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(tǒng)耐候鋼的腐蝕速率要高于普通低碳鋼；在整個(gè)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(gè)穩(wěn)定值，這表明新型耐候鋼的銹層可以在較短時(shí)間內(nèi)形成并起到很好的保護(hù)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(huán)境中應(yīng)用。

 

1.2 環(huán)境與荷載耦合作用

 

耐候鋼在環(huán)境與荷載耦合作用下的腐蝕機(jī)理主要包括兩個(gè)方面：一個(gè)是荷載對(duì)電化學(xué)過程的促進(jìn)作用，即力學(xué)-化學(xué)耦合效應(yīng)，這屬于腐蝕科學(xué)研究的范疇，在此不再贅述；另一方面是荷載對(duì)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(jié)合性能和開裂應(yīng)力大小，這與耐候鋼橋設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)耐久性密切相關(guān)。例如橋梁結(jié)構(gòu)在服役過程中，不僅要承受恒載作用，還要承受車輛產(chǎn)生的動(dòng)荷載作用，如果耐候鋼表面保護(hù)銹層與基體結(jié)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(huán)下去，將會(huì)嚴(yán)重影響橋梁耐久性能，縮短使用壽命。因此，在實(shí)際使用過程中，耐候鋼的耐蝕性能與銹層自身力學(xué)性能以及外界荷載關(guān)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(fā)生脆性斷裂，或是在銹層和鋼基體的界面處易產(chǎn)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(nèi)隨機(jī)分布。銹層的開裂為氧氣的擴(kuò)散提供了通道，減弱了其對(duì)基體的保護(hù)能力，這將導(dǎo)致鋼材進(jìn)一步銹蝕，并且容易使鋼材發(fā)生局部腐蝕。如果施加于鋼材的荷載頻率較高，銹層將不會(huì)對(duì)鋼材提供有效的保護(hù)作用，耐候鋼的腐蝕性能與普通低碳鋼沒有區(qū)別。根據(jù)Scully的研究，在高頻動(dòng)載作用下，耐候鋼的腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線近似為直線。

已有針對(duì)彈性范圍內(nèi)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(duì)Cl—阻抗作用，分析發(fā)現(xiàn)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(qiáng)度?？梢姡S著外加恒載的增加，耐候鋼表面形成的銹層與基體的結(jié)合性能變得越來越差，甚至出現(xiàn)了銹層剝離的趨勢(shì)。同時(shí)，隨著外界荷載和腐蝕時(shí)間的增加，耐候鋼的力學(xué)性能也出現(xiàn)了明顯退化，這表明外加荷載促進(jìn)了鋼材的腐蝕過程，從而加速了力學(xué)性能的退化過程。

目前國內(nèi)外對(duì)環(huán)境與荷載耦合作用下耐候鋼腐蝕機(jī)理的研究還不夠深入，研究結(jié)果只能定性的評(píng)估荷載對(duì)腐蝕環(huán)境中耐候鋼腐蝕行為的影響，試驗(yàn)周期較短，所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)尚無法對(duì)100年壽命周期內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)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(shí)橋梁產(chǎn)生較大撓曲變形等）耐候鋼保護(hù)銹層與基體結(jié)合性能方面尚缺乏系統(tǒng)深入的基礎(chǔ)理論研究?；诖耍?dāng)前應(yīng)加強(qiáng)該部分的研究工作，結(jié)合橋梁實(shí)際服役工況，系統(tǒng)全面的研究環(huán)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(yīng)用提供技術(shù)支撐。

為研究近海大氣中耐候鋼橋服役時(shí)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(wěn)定處理技術(shù)使得暴露于大氣中的兩種耐候鋼試件（Q420qNH和Q420qNHY）在短時(shí)間內(nèi)形成了穩(wěn)定銹層，觀測(cè)了銹層形貌，測(cè)試了不同鋼材銹層與基體的結(jié)合性能；通過對(duì)形成穩(wěn)定銹層的試件進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗(yàn)分析研究了銹層開裂應(yīng)力和應(yīng)變，試驗(yàn)過程中采用DIC（數(shù)字圖像相關(guān)）技術(shù)觀測(cè)得到了試件腐蝕段銹層的應(yīng)變場(chǎng)。結(jié)果表明，當(dāng)接近屈服時(shí)耐候鋼試件表面銹層開始出現(xiàn)微觀裂紋，隨著荷載增加裂紋逐步擴(kuò)展，超過屈服荷載后裂紋擴(kuò)展迅速，銹層開始剝落。同時(shí)通過對(duì)預(yù)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(yīng)力作用下耐候鋼表面保護(hù)銹層的穩(wěn)定性。微觀觀測(cè)表明，整個(gè)加載過程試件的表面銹層一直保持完整，只有疲勞裂紋產(chǎn)生或明顯擴(kuò)展時(shí)，才觀察到銹層的開裂和剝落，但此時(shí)試件已近乎失效，可以認(rèn)為在試件斷裂失效前，銹層具有良好的穩(wěn)定性。

在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl溶液中對(duì)不同程度拉應(yīng)力作用后以及疲勞斷裂后的腐蝕試件進(jìn)行了電化學(xué)測(cè)試，結(jié)果表明，隨著外加荷載的增加，兩種耐候鋼呈現(xiàn)出逐漸加速的腐蝕過程。但是，拉應(yīng)力對(duì)Q420qNH和Q420qNHY腐蝕過程的影響程度不同。疲勞應(yīng)力（σmin/σmax=0.1，σmax≤0.9fy）對(duì)銹蝕耐候鋼（Q420qNH）斷后試件的電化學(xué)響應(yīng)沒有明顯影響，即驗(yàn)證了疲勞荷載未對(duì)試件表面銹層產(chǎn)生明顯的損傷，銹層仍然能夠?qū)w起到良好的保護(hù)作用。

2 耐候鋼力學(xué)性能研究

目前國內(nèi)鋼鐵企業(yè)已經(jīng)具備生產(chǎn)不同強(qiáng)度等級(jí)能夠適用于不同大氣環(huán)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(qiáng)度耐候螺栓也正在逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，這為我國耐候鋼橋的建設(shè)提供了材料基礎(chǔ)。在高性能耐候鋼不斷被各國鋼鐵企業(yè)研發(fā)的同時(shí)，國內(nèi)外研究人員開展了高性能耐候鋼力學(xué)性能的基礎(chǔ)性研究，并取得了一些進(jìn)展。然而對(duì)于耐候鋼，在應(yīng)用時(shí)一般裸裝使用，如果使用不當(dāng)也會(huì)引起較為嚴(yán)重的腐蝕，導(dǎo)致力學(xué)性能退化，因此應(yīng)對(duì)其長期性能給予關(guān)注，尤其在應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞以及腐蝕后力學(xué)性能退化方面給予重點(diǎn)研究。

筆者課題組通過對(duì)3種鋼材（Q420q、Q420qNH和Q420qNHY）進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于合金元素含量不同，3種鋼材的力學(xué)性能存在明顯差異。其中Q420q的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較低，含有明顯的屈服平臺(tái)，斷后伸長率為31%，具有較好的延性；Q420qNH的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(xué)性能和腐蝕性能的差異將會(huì)顯著影響橋梁的使用性能和服役壽命，應(yīng)在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮。同時(shí)開展了海洋大氣中耐候鋼力學(xué)性能退化規(guī)律研究，采用DIC方法觀測(cè)腐蝕試件在受力過程中的應(yīng)變場(chǎng)，分析了點(diǎn)蝕損傷對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，兩種耐候鋼Q420qNH和Q420qNHY表現(xiàn)出類似的力學(xué)性能退化規(guī)律，并且在腐蝕程度相同時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)于普通低碳鋼Q420q的力學(xué)性能，但是通過對(duì)斷后伸長率退化規(guī)律的研究推斷出耐候鋼Q420qNH不適用于在海洋大氣中應(yīng)用。另外通過對(duì)由DIC方法獲得的腐蝕試件表面應(yīng)變場(chǎng)的分析可知，局部腐蝕能夠加速斷裂截面處應(yīng)變的發(fā)展。

3國內(nèi)外耐候鋼橋應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 耐候鋼橋應(yīng)用現(xiàn)狀

在國際上耐候鋼正逐漸被當(dāng)作一種普通鋼種來廣泛使用，并且一般裸裝應(yīng)用。雖然耐候橋梁鋼在我國已經(jīng)有所應(yīng)用，但規(guī)?；瘧?yīng)用的進(jìn)程緩慢，相比于發(fā)達(dá)滯后近50年。而目前我國冶金及鋼橋制造水平已達(dá)到先進(jìn)水平，具備了推廣免涂裝耐候鋼橋的條件。當(dāng)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(shè)起到示范作用。

3.2 存在問題及病害

調(diào)研結(jié)果顯示：國外大多數(shù)耐候鋼橋經(jīng)過精心設(shè)計(jì)還是比較成功的，耐候鋼橋在整個(gè)運(yùn)營期內(nèi)整體上是好的。裸裝是耐候鋼應(yīng)用突出的優(yōu)勢(shì)，如若耐候鋼橋初期設(shè)計(jì)合理，后期維護(hù)恰當(dāng)，其優(yōu)勢(shì)是能夠在全壽命周期內(nèi)得到充分發(fā)揮的。然而，由于設(shè)計(jì)和使用不當(dāng)，國內(nèi)外早期建造的耐候鋼橋也出現(xiàn)了一些問題和病害。鑒于此，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和排水設(shè)施布置對(duì)耐候鋼橋易腐蝕部位局部涂裝。另外耐候鋼裸露使用時(shí)初期穩(wěn)定銹層未形成，易發(fā)生銹液流失，污染周圍環(huán)境。目前可以采用涂刷耐候鋼生銹液、銹層穩(wěn)定化涂層以及灑水工藝等加速銹層穩(wěn)定措施對(duì)耐候鋼表面進(jìn)行預(yù)處理，以保證耐候鋼在初期就可以形成穩(wěn)定銹層，從而避免銹液流失。

4 耐候鋼橋設(shè)計(jì)理論和方法

4.1 耐候鋼橋設(shè)計(jì)理論

日本于1985年制定了《無涂裝耐候性橋梁設(shè)計(jì)施工要領(lǐng)》，并于1993年進(jìn)行了修訂，其中規(guī)定：對(duì)于符合本要領(lǐng)的耐候鋼橋，不需要考慮腐蝕層厚；對(duì)于不能期待形成穩(wěn)定銹層的耐候鋼橋，則不應(yīng)無涂裝地使用。美國聯(lián)邦公路局（FHWA）于1989年制定了《無涂裝耐候鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》；隨后在HPS工程應(yīng)用及試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，發(fā)布了基于HPS設(shè)計(jì)的公路橋梁指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)《高性能鋼設(shè)計(jì)指南》；并對(duì)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范AASHTO做了改進(jìn)以更加地應(yīng)用高性能鋼。歐洲對(duì)高性能鋼進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，正致力于建立高性能鋼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。而目前我國尚未發(fā)布與耐候鋼橋設(shè)計(jì)相關(guān)的規(guī)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(nèi)鋼材腐蝕損失對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性可能造成的影響在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該被予以考慮。在對(duì)耐候鋼橋進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常在由靜力計(jì)算求得的構(gòu)件厚度上增加腐蝕余量作為構(gòu)件的設(shè)計(jì)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(guī)范中建議的耐候鋼在100年設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的腐蝕余量。國內(nèi)研究人員應(yīng)在對(duì)各類腐蝕環(huán)境設(shè)定清晰臨界標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)耐候鋼腐蝕性能的研究工作，積累相關(guān)腐蝕數(shù)據(jù)，掌握服役環(huán)境對(duì)耐候鋼材的腐蝕性，提出適合我國不同氣候環(huán)境的耐候鋼腐蝕余量設(shè)計(jì)值，并按實(shí)際服役環(huán)境，選擇涂漆、穩(wěn)定化處理或直接裸露使用耐候鋼。

規(guī)范建議的耐候鋼100年設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)的腐蝕余量

 

4.2 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方法

為了保證耐候鋼能夠充分發(fā)揮其耐蝕性，還應(yīng)根據(jù)耐候鋼橋的服役環(huán)境，對(duì)其鋼梁、連接節(jié)點(diǎn)、伸縮縫的細(xì)部構(gòu)造以及排水管道布置進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，所有的細(xì)節(jié)處理都應(yīng)以避免耐候鋼表面積水為目的。下圖分別給出了國外在設(shè)計(jì)鋼梁和伸縮縫時(shí)對(duì)細(xì)部構(gòu)造的處理方法。國內(nèi)設(shè)計(jì)單位可在借鑒國外耐候鋼橋建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同橋型分別提出相應(yīng)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方法，形成完整的耐候鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范和建設(shè)指南，以指導(dǎo)我國耐候鋼橋的建設(shè)。

5 結(jié)論與展望

（1）耐候鋼之所以可以裸裝應(yīng)用主要是因?yàn)槠浔砻嬖谧匀画h(huán)境中可以生成穩(wěn)定致密的保護(hù)銹層。而影響耐候鋼銹層穩(wěn)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(qiáng)的海岸區(qū)域和有高濕度海風(fēng)的地區(qū)應(yīng)避免使用，高寒地區(qū)路面使用防凍劑和除冰鹽的橋梁亦應(yīng)慎重采用。以耐候鋼腐蝕速率每年不超過6μm為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)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(huán)境中大氣腐蝕等級(jí)為C2~C3時(shí)，可以裸裝應(yīng)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(huán)境相關(guān)，這方面仍需進(jìn)一步研究。鑒于試驗(yàn)獲得的腐蝕數(shù)據(jù)的非連續(xù)性，建議通過建立大氣腐蝕過程的理論模型，利用數(shù)值仿真技術(shù)動(dòng)態(tài)連續(xù)地模擬耐候鋼隨時(shí)間的腐蝕過程。

（2）目前對(duì)于耐候鋼腐蝕機(jī)理的研究主要局限于自由放置狀態(tài)下的試件，而荷載作用會(huì)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(huì)對(duì)鋼材提供有效的保護(hù)作用，應(yīng)加強(qiáng)腐蝕環(huán)境與受力耦合作用下耐候鋼腐蝕行為的研究，特別是關(guān)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(shí)橋梁產(chǎn)生較大撓曲變形等）耐候鋼銹層與基體結(jié)合性能的研究。

（3）裸裝應(yīng)用的耐候鋼在腐蝕較嚴(yán)重時(shí)，同樣存在力學(xué)性能退化的情況，尤其是在應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞狀態(tài)下力學(xué)性能退化程度更為嚴(yán)重，而目前對(duì)于腐蝕環(huán)境與荷載耦合作用下耐候鋼力學(xué)性能退化規(guī)律的研究尚不夠深入，且主要局限于傳統(tǒng)的耐候鋼材，關(guān)于近幾年研發(fā)的高性能耐候橋梁鋼應(yīng)力腐蝕與腐蝕疲勞性能的研究文獻(xiàn)十分匱乏，這也應(yīng)成為今后研究的重點(diǎn)。

（4）關(guān)于耐候鋼橋的設(shè)計(jì)方法主要是將腐蝕余量考慮進(jìn)鋼板厚度中進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于目前耐候鋼厚度腐蝕損失隨時(shí)間的變化規(guī)律尚無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，該設(shè)計(jì)方法或高估或低估了耐候鋼橋的使用壽命?？梢愿鶕?jù)耐候鋼梁銹層產(chǎn)生裂隙或者脫落時(shí)的截面應(yīng)力大小，采用混雜設(shè)計(jì)方法重新設(shè)計(jì)鋼梁，使得鋼梁截面應(yīng)力小于銹層開裂應(yīng)力，防止耐候鋼梁銹層開裂，以達(dá)到耐久性設(shè)計(jì)的目的。另外，細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和定期的維修養(yǎng)護(hù)是保證耐候鋼充分發(fā)揮其耐蝕性的重要手段，設(shè)計(jì)單位應(yīng)針對(duì)不同橋型和鋼梁截面形式分別提出相應(yīng)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方法，簡(jiǎn)化耐候鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)和裝配，注意防止局部腐蝕和縫隙腐蝕，同時(shí)制定出合理的維修養(yǎng)護(hù)策略。對(duì)于已經(jīng)發(fā)生局部腐蝕的耐候鋼構(gòu)件，還應(yīng)對(duì)其承載力進(jìn)行重新評(píng)定，及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

（5）根據(jù)目前現(xiàn)有的研究結(jié)論可知，在某些腐蝕環(huán)境下裸裝耐候鋼的疲勞強(qiáng)度要比涂裝的普通鋼材低，對(duì)于中等腐蝕環(huán)境中未進(jìn)行涂裝的耐候鋼橋，建議其鋼材容許應(yīng)力幅取更低的值，這與美國頒布的《無涂裝耐候鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》中的建議相同；規(guī)范AASHTO LRFD和Eurocode 3中通過降低疲勞細(xì)節(jié)等級(jí)的方式來考慮裸裝耐候鋼橋疲勞強(qiáng)度退化；另外為減小疲勞強(qiáng)度退化，腐蝕嚴(yán)重的耐候鋼橋應(yīng)盡快進(jìn)行涂裝。

（6）目前國內(nèi)鋼鐵企業(yè)已經(jīng)具備生產(chǎn)不同強(qiáng)度等級(jí)高性能耐候橋梁鋼的能力，但是國內(nèi)尚未發(fā)布與耐候鋼橋有關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)程和施工指南，嚴(yán)重制約了我國耐候鋼橋的建設(shè)和發(fā)展，這就需要材料研發(fā)、橋梁設(shè)計(jì)和腐蝕控制領(lǐng)域的專家學(xué)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(qiáng)度螺栓產(chǎn)品及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

主要內(nèi)容見：

（1）《中國公路學(xué)報(bào)》2019年第5期（點(diǎn)擊下載瀏覽全文）“耐候橋梁鋼腐蝕力學(xué)行為研究及其應(yīng)用進(jìn)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(fā)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。

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