桥梁用钢(耐候钢在川藏公路某大跨径桥梁设计中的应用)

Posted 2023-05-30

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桥梁用钢(耐候钢在川藏公路某大跨径桥梁设计中的应用)

凌广

中国公路工程咨询集团有限公司

摘要：近年来，我国公路建设进步显著，以项目的全生命周期成本及高效管理为理念的交通基础设施建设逐渐得到重视。高性能免涂装耐候钢材料的研发及推广应用便在这样的发展大背景下应运而生。耐候钢能有效克服普通钢材作为钢桥材料的不足，必将成为我国钢桥发展的一个重要方向。介绍了耐候钢在国内大跨径桥梁中的应用情况以及耐候钢的技术特点和应用发展趋势，期望能推动耐候钢在大跨径桥梁中的进一步应用。

关键词：耐候钢;大跨径桥梁;设计应用;

钢结构桥梁具备重量轻、力学性能好、施工进度快、材料可回收等优点，近年来在我国公路建设中得到越来越多的应用。同时，常规钢结构材料的缺点也比较明显，耐热但不耐高温，易锈蚀，耐腐蚀性差。

耐候钢是由普通碳素钢添加少量耐腐蚀性元素而形成的低合金钢，具有优质钢的强度高、韧性好、易焊、易成型、耐疲劳等特性，并且在耐大气腐蚀方面比普碳钢具有更优良的抗蚀性能。

本文简要介绍了高性能免涂装耐候钢技术，并结合作者正在参与的川藏公路工程设计相关课题研究和其他若干案例，阐述该项技术在大跨径钢桁梁中的应用方案。通过对比分析耐候钢材料与传统普通钢材的性能和成本，总结出耐候钢的特点与技术优势，为类似公路项目建设提供一定参考。

1 耐候钢工作原理

普通碳钢中加入磷、铜、铬、镍等适量金属元素后，在钢材外表生成密度高、附着性强的防护膜，阻止锈蚀进一步扩展，从而制得耐候钢。保护锈层是非晶态尖晶石型氧化物，厚度约70 μm, 致密并且黏性好，能较好地阻挡空气中氧和水向钢材基体渗透，形成“以锈阻锈”的现象，使得钢铁材料的耐大气腐蚀能力大大提高。而普通低合金钢则锈层松散，易脱落，导致锈蚀持续发生。两种材料的锈层形貌对比示意如图1所示。

图1 锈层形貌对比

2 耐候钢技术在川藏公路某大跨径桥梁建设中的应用

随着耐候钢技术的逐渐成熟，其在国内各类桥梁设计中的应用逐步增多并取得较好的经济效益、社会效益。本文以川藏公路某大跨径桥梁中耐候钢的设计应用为依托，探讨耐候钢在桥梁工程中的应用技术，以促进耐候钢材料的进一步推广。

2.1工程概况

该特大桥为川藏公路的控制性工程，跨越澜沧江。桥址区为深切峡谷地貌，岸坡陡、河床较窄，坡面生态条件脆弱，距离最近的澜沧江活动性断层约4 km,两岸地质岩性较好，运输条件困难，具有典型的高寒、高海拔、高地震烈度的特点。大桥拟采用地锚式单跨悬索桥方案，跨径布置为2×35 m+1 000 m+2×35 m,锚碇拟采用隧道锚，加劲梁拟采用钢桁架梁、钢筋混凝土塔柱。大桥布置示意如图2所示。

图2 某特大桥布置

2.2选用耐候钢的原因

(1)该桥位于西藏高寒、高海拔地区，大跨径桥梁的建设和维护非常困难。钢构件采用耐候钢材则无需酸洗也不用镀锌和防腐涂装，维护工作量小，致密的防护锈层与桥体同寿命，可有效解决钢结构耐久性问题，减轻高原地区钢结构桥梁的养护工作强度，且具有显著的经济性。

(2)桥址处位于我国一级环境保护区内，钢桥的建造及养护要尽可能地减少环境污染。耐候钢可以减少涂装及后期重新涂装而释放的挥发性有机物，对环境影响小。

(3)桥址处降雨量少，气候干燥，空气中没有含盐含硫等污染物，气候特点适合修建耐候钢桥。

(4)受国内外类似工程的启发，国外发达国家(地区)钢结构桥普遍采用耐候钢，国内也有一些铁路、公路和建筑工程采用耐候钢材料。

(5)国内耐候钢材料研制和生产趋于成熟，国内钢厂已具备全品种、全规格、多用途高性能耐候桥梁钢产品的供货能力，已经成功为多个有代表性的工程项目提供了合格材料，并按国外耐候桥梁钢标准向美国、新西兰、加拿大等发达国家(地区)供货。

(6)成本优势。与普通钢桥相比，耐候钢桥的钢材价格虽较高，但是由于本桥位于人迹稀罕的高原地区，交通不便，运输、拼接、涂装成本较高，建设初期两者工程造价差别并不大。并且耐候钢桥降低了在设计使用年限内维修养护的要求，可大大减少桥梁维护的直接费用、中断交通的间接费用，从全寿命周期费用来看耐候钢桥显示了更好的经济效果。两种钢材的造价对比见表1。

表1 某特大桥钢桁梁不同钢材种类造价对比

类别		普通碳素钢	耐候钢
钢材	钢号	Q420qE	Q420qENH
	数量/t	10 071	10 071
	单价/(元/t)	4 680	7 722
	钢材费用/万元	4 713	7 777
焊材	焊材重量/t	252	252
	焊材单价/(元/t)	9 400	14 800
	焊材费用/万元	237	373
涂装	涂装体系	JT/T 722第S04套	洒水预锈
	涂装面积/m2	173 387	173 387
	涂装单价元/m2涂装单价元/m2	200	15
	寿命期内涂装次数	4	—
	首次涂装费用/万元	3 468	260
	4次涂装总费用/万元	13 872	—
运营初期合计/万元		8 418	8 410
全寿命周期合计/万元		18 822	8 410

2.3耐候钢梁设计

以某高校的高性能耐候桥梁钢材料及应用技术研发作为支撑，项目课题组编制了《某大桥钢桁梁免涂装耐候钢设计指南》,用于指导本桥的设计与制造。主要内容包括钢结构制造及验收规定、耐候钢选材、高强度螺栓及其连接技术、焊接材料技术要求及工艺评定等。

根据计算结果，本桥钢桁梁采用Q420qENH和Q345qENH耐候钢，构件采用配套耐候钢焊材焊接及10.9级抗延迟断裂耐候钢螺栓栓接。

2.3.1钢板选材

耐候桥梁钢总体要求是高强度、高韧性、高塑性、高耐磨性、低屈强比、易焊接、耐候性能好、抗疲劳性能好。设计指南对钢板采购要求的技术条件见表2。

表2 耐候钢板力学性能

钢号	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	断后伸长率/%	屈强比	冲击吸能/J	Z向	冷弯	耐候指数I
Q345qENH	≥345	≥490	≥20	≤0.84	≥120	Z35	合格	≥6.5
Q420qENH	≥420	≥540	≥19	≤0.84	≥120	Z35	合格	≥6.5

官厅水库大桥对钢板要求耐候指数I≥6.0,藏木铁路大桥要求I≥6.5,综合考虑各方面因素后，本项目采用耐候指数I≥6.5。冷弯试验无肉眼可见裂缝，钢板Z向性能满足国家标准GB/T 5313中的最高标准Z35级要求。其他力学特性与优质碳钢或低合金钢基本一致。

2.3.2耐候钢桥的焊接

选择与耐候钢板相匹配的焊接材料，包括耐候钢气体保护焊丝(包括实心和药芯焊丝)、焊条和埋弧焊材。要求焊缝抗拉强度、接头强度、金属伸长率、抗疲劳性能均不低于母材标准值，对接焊缝在错边或错缝2 mm的情况下，仍然有足够的储备。设计指南对焊材要求的技术条件见表3。

表3 焊接材料性能

钢号	碳当量(CEV)/%	冷裂敏感指数/%	焊接热影响区冲击吸能KV2(-40℃)/J	接头最高硬度HV10	冷弯	耐候指数I
Q345qENH	≤0.41	≤0.19	≥47	≤350	合格	≥6.5
Q420qENH	≤0.43	≤0.20	≥47	≤350	合格	≥6.5

2.3.3耐候钢桥的栓接

钢桁架梁存在大量高强螺栓栓接，必须保证高强螺栓的连接性能。高强度螺栓、螺母和垫片均采用耐候热轧盘条。为减少延迟断裂，在螺纹形成后应进行脱氢处理。高强度螺栓的耐候指数与耐候钢板相同，按I≥6.5控制。螺栓接触面的抗滑移系数在工厂的测试值≥0.55,现场施工时≥0.45。另外，本桥位于气候条件复杂的高原地区，接头处的毛细现象可能导致生锈鼓包，因此采用高栓摩擦面喷砂除锈(sa3.0级)后涂无机富锌防锈防滑涂料，再用硅酮胶密封接头。设计指南对螺栓连接副要求的技术条件见表4。

表4 10.9S级耐候螺栓连接副基本性能

螺栓等级	抗拉强度MPa抗拉强度ΜΡa	非比例延伸强度MPa非比例延伸强度ΜΡa	断后伸长率%断后伸长率%	端面收缩率%端面收缩率%	冲击吸能 KV2(-40℃)/J	维氏硬度 HV30	扭矩系数
10.9S级	≥1 040	≥940	≥10	≥42	≥47	≥315	0.11～0.15

2.3.4锈层稳定化处理

普通杆件制造完成后进行sa2.5级喷砂除锈，然后洒水自然养护。洒水要均匀，每天需洒水2～3次，维持干湿交替循环状态大约3个月，使杆件表面生成致密均匀的锈层。

2.3.5钢桁梁构造细节

耐候钢桥构造细节设计的关键是确保钢材表面不积水、不积尘。早些年在京广铁路巡司河试验使用耐候钢没有成功，主要原因是南方雨水多，排水不力，钢桥出现起层掉皮现象。

耐候钢构造细节应注意以下事项：

(1)工形梁的下翼缘设置排水坡度，以防止积水；

(2)避免使用有填板的连接，不同厚度钢板相接处可按1∶8坡度削薄厚板；

(3)钢桁梁各杆件栓接时缝隙宽度为20 mm, 雨水能下漏，不会积水；

(4)桥面板加强防水设计，防止往主梁漏水；

(5)梁端周围或者能接触到除冰盐的地方(包括风嘴)容易发生腐蚀，需要额外施加涂装，梁端涂装范围约为1.5倍梁高；

(6)确保排水系统完好，不得浸湿耐候钢梁；

(7)箱形截面构件底板设排水孔，以便排水和通风；

(8)伸缩缝选择非排水型，要求耐久性好；

(9)耐候钢桥梁结构表面有锈层覆盖，疲劳开裂很难被发现，需重视易于发生疲劳破坏部位的耐疲劳设计。

3 耐候钢在国内其他桥梁的应用简介

据统计，美国桥梁采用耐候钢约占50%,日本耐候钢桥约占20%。我国桥梁界近年来也在积极推广耐候钢桥，其中有以下几个比较典型的工程项目，如图3所示。

图3 国内其他典型耐候钢大桥

3.1官厅水库大桥

官厅水库大桥位于河北省怀来县，主桥跨径为210 m+720 m+210 m, 桥宽33.6 m, 是一座四车道市政主干路悬索桥。大桥加劲梁采用钢格子梁+混凝土桥面板的组合结构体系，钢梁结构采用Q345qENH耐候钢。

3.2拉林铁路藏木大桥

藏木铁路大桥位于西藏加查县，主桥为430 m中承式钢管混凝土提篮拱。拱肋主钢管材质为Q420qENH耐候钢，拱肋其他部件采用Q345qENH耐候钢。

3.3黑河大桥

黑河公路大桥位于中俄边境黑河市，桥宽14.5 m, 主跨为5×147 m, 为双车道六塔组合梁部分斜拉桥。主桥和索塔钢采用-60℃超低温Q420qFNH耐候桥梁钢，引桥采用Q370qENH耐候钢。

4 耐候钢的技术特点及适用条件

4.1耐候钢与普通碳素钢的锈蚀对比分析

钢铁在大气自然环境条件下的腐蚀反应为：O2+2H2O+4e→4OH-;Fe-2e→Fe++;Fe+++2H2O→Fe(OH)2+2H+;Fe+++2OH-→Fe(OH)2;4Fe(OH)2+O2 →4FeOOH+2H2O。

普通碳素钢或多或少夹有活性较低的元素，在潮湿的环境下与铁发生电池反应，引发锈蚀。铁锈疏松，互相联通，能不断扩大锈蚀范围。

耐候钢开始时与普通钢材一样表面锈蚀，但是其特殊的晶体结构生成的是非常致密的锈层。耐候钢锈层的主要成分是纳米颗粒的α-FeOOH,锈层均匀且致密，阻碍了锈蚀电池反应继续进行，形成“锈而不腐，越锈越好”。两种材料的锈蚀照片对比如图4所示。

图4 锈蚀对比照片

4.2耐候钢的特点与优势

(1)维修养护要求低：

耐候钢维护工作量少，要求较低。钢结构桥梁尤其是钢桁梁，构件空间狭小，很难二次涂装维护，很多钢桥维养不到位，病害多发。

(2)环保：

耐候钢的致密锈层形成后，成分稳定，色厚均匀，对当地植被和水体基本不会产生有害影响，也不会因为锈蚀和更换涂装造成资源消耗和污染环境。

(3)力学性能良好：

耐候钢有很强的耐腐蚀能力，但没有削弱钢材本身的力学特性。同等强度级别的耐候钢和普钢，在力学性能上可完全实现同规格等强度代换。设计人员可完全按照现有的钢结构设计规范设计，然后采用等强度的耐候钢替换，应用于结构设计中。

(4)综合造价低：

目前耐候钢在国内的价格比普通钢材大约高65%。但是耐候钢的防腐、镀锌、喷漆、现场维护等工作量很小，还能减少生产加工环节及多次装卸搬运的工作量，后期维护投入也较少，更不会因桥梁维护而临时中断交通，相对于普通钢材更有综合成本优势。

(5)耐大气腐蚀性强：

耐候钢具有良好的抗大气腐蚀能力，在施工建设、运行过程中的刮伤可以自行修复，长期使用后耐蚀效果会更加显著。根据合作单位提供的研究结论，Q420qENH耐候钢的20年减薄量仅为Q420qE普通钢的17%,如图5所示。

图5 暴晒试验结果

4.3耐候钢的适用条件

(1)耐候钢性能标准应满足《桥梁用结构钢》(GB/T 714-2015)的要求，其焊接材料及焊接工艺均应与耐候钢相匹配，满足相关规范及技术要求。

(2)耐候钢的使用需要慎重考虑桥梁所处的环境，耐候钢适合在通风排水条件好且干湿交替变化的环境中使用。

(3)当桥梁处于下列环境时不宜使用耐候钢：

①高浓度盐水喷雾或盐雾的环境，如由海水或海洋含盐的空气产生的大量氯离子的环境；

②大量使用融雪剂(除冰盐)且大量盐分聚集的地区；

③重腐蚀性工业大气和化学烟雾的环境，如含有腐蚀化学成分和工业烟尘集中的环境，尤其是SO2集中的环境；

④多雨高湿或长久连续潮湿的环境；

⑤与富含水分且经过防腐处理的木材接触的环境；

⑥钢桥下死水、水流过缓且与水面间距小(小于2.5 m)的环境。

5 结语

大跨径公路悬索桥钢桁梁全部采用耐候钢材料是本项目设计的一个亮点。在整个设计期间，项目组联合了拥有国内耐候钢先进技术的高校和钢铁企业共同开展课题研究，以保证工程项目建设能顺利进行。同时，也希望本项目能够成为免涂装耐候钢桥梁的典型示范工程，为国内推广耐候钢技术提供借鉴。

耐候钢无论建设投资，还是设计使用年限内的维护成本，以及缩短建造工期、节能环保方面，均具有很大优势，是很有推广价值的新型钢系。

未来尚需加强调查研究，确切了解不同耐候钢的环境适应性，深入研究耐候钢的锈层结构、性质及演化规律，开发出适用性更强的经济型耐候钢。

参考文献

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