日本的耐候钢桥技术

1、日本的耐候钢桥技术2010年l2月汪磊等:日本的耐候钢桥技术2010年第6期日本的耐候钢桥技术汪磊,刘向南（云南省交通规划设计研究院,云南昆明650011）摘要:介绍日本耐候钢桥的发展背景历程和现状,基本原理,设计施工及维持管理要点,希望能对国内日益推广发展的铜桥设计和建造等方面拓宽思路.并为中国桥梁早日全面赶超世界桥梁先进水平提供一些借鉴和帮助关键词:日本公路桥梁;耐候铜桥:免涂装技术:腐蚀机理0引言耐候钢（在日本也称为免涂装钢）是随着高强钢材的出现,材质轻薄化和防腐蚀要求相应提高而发展起来的.早在20世纪初,欧美各国制钢业就已经相继发现在炼钢时掺入微量的Cu等其他金属元素,可以提高钢材在大

2、气中的耐腐蚀性.以此为契机,大规模的钢材添加合金元素后的耐腐蚀性的调查开展起来,很快就积累了定的经验数据.1967年美国在世界上首次将耐候钢材用于"裸桥"方式建设的钢桥.并在1977年建成了世界上最大跨度的上承式耐候钢拱桥新河峡大桥（NewRiverGorgeBridgel.其后耐候钢桥在世界范围内得到很快推广.目前已成为发达国家钢桥的一种发展趋势.l3本属于岛国,直接濒临海洋的区域占国土的绝大部分,这些地区的空气中携含有大量的海盐成分（75%为NaCl，其他也均为金属盐类），这些盐分在空气中达到吸湿临界湿度后即会在附近固态物表面结露.促使其腐蚀反应的发生.另外l3本冬季寒

3、冷，为消融公路路面积冰而抛洒的大量融54雪剂，同样会造成公路钢构造物的腐蚀加剧，所以在日本钢桥的防腐蚀工作显得尤为重要而艰巨.l969年日本建成其国内第一座完全真正的耐候钢桥，并于1985年制定了无涂装耐候性桥梁设计施工要领，还在1993年进行了修订，确定了耐候钢桥适用海岸环境飞来盐分的判断标准:飞来盐分量<0.05mg/i00em?d（0.05mmd）.经过四十多年的不断积累和发展，目前已经形成了耐候钢材生产加工，耐候钢桥设计建造及维护维修各方面一整套较为先进成熟的体系，在桥型上也涵盖了梁桥，桁架桥,拱桥,悬索桥,斜拉桥等,全国约70%的I形钢梁和混凝土桥面板组合梁使用了耐候钢

4、.近年来.日本钢铁企业研发了镍系列的耐候钢.更可专门用于滨海地区空气中含盐份较多的地区,开始逐步打破耐候钢桥原来的地域禁忌.图1为目前耐候钢桥在日本的状况.柱状图为耐候钢桥各年耗用的钢材重量,折线图为耐候钢桥各年占全部钢桥的比重.两者特别是后者不断攀升的趋势非常明显.图2和图3为日本较有代表性的两座耐候钢桥.图2的吉濑田切大桥还曾获得20072008年度日本土木学会最高奖田中奖.图1耐候铜桥在日本的状况图2吉濑田切大桥图3横田川桥1 耐候钢的防蚀机理金属在大气环境或在水溶液中的腐蚀过程基本是相同的,均可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种.耐候钢材的防腐蚀性能.以往多数人认为在于其"表面安定

5、化锈蚀层"的生成,从而阻止了腐蚀的进一步向内发展.而实际上,这样的笼统地说"表面安定化锈蚀层"是很片面的.将野外长期暴露于空气中处于稳定状态的耐候钢生锈的外表面取样做成深度方向的断面,在偏光显微镜下观察可以发现:其表面锈蚀层界限分明地分为内层（消光层）和外层（偏光层）,（图4）.由Cu,Cr和P等元素浓缩成的内层致密具有较强的环境阻断性,从而发挥了防腐蚀的性能.而普通钢材锈蚀表面的消光和偏光两种成分没有形成明晰的两层,而是混杂在一起,故而不能防止锈蚀的深入发展.耐候钢和普通钢材表面锈蚀层区别见于图5.当然,耐候钢的锈蚀并不是形成稳定锈蚀表面就完全停止了,而只是腐蚀

6、速度很慢,被大大延缓了.2010年12月汪磊等:日本的耐候钢桥技术2010年第6期图4耐候钢的表面锈蚀层微观图图5耐候铜和普通钢材的表面锈蚀层图示根据日本都市内高速道路耐候钢桥梁表面锈蚀情况为期15年的跟踪调查结果,耐候钢桥一般建成5年后,锈蚀层基本就会处于稳定状态,但是一些受含有冬季防冻剂的排水影响或是滨海区空气中盐分影响的部位仍会出现鱼鳞状和层状剥离的锈蚀.为将耐候钢材合理地进行使用,环境条件,细部构造和建成后维持管理,特别是特定环境条件下相应特性耐候钢材的使用等须特别留意.2 耐候钢桥梁的设计施工要点耐候钢的使用方式主要有裸露使用,涂装使用和锈层稳定化处理后使用三种.目前日本的耐候钢桥梁

7、形式以板梁桥占多数.桁架,拱桥,悬索桥和斜拉桥等也有使用.规范推荐的适宜的使用条件为非高温多湿或不受盐分硫化物影响的地区,具体使用的类型一般为SMA钢材和镍系高耐候性钢材（包括该钢材制造的高强螺栓和熔接材料）.在设计中.一般认为有利于表面锈蚀层形成并发挥作用的环境是:1）雨水直接降于表面,但排水良好的部分;2）通风较好的内侧垂直面和排水较好的水平面;3）置于通风较好部位的水平部材:4）不受盐分影响的地区.而不利于表面锈蚀层形成发挥作用的环境是:1）泥土和尘埃容易堆积的构造;2）通风性差且易受潮湿的部位:3）由于桥面板,伸缩装置和排水管破损造成漏水的部位.在耐候钢桥细部构造的设计中应注意以下一些

8、方面:2.1连接处1）下翼缘板间的连接处应设10mm20ram间隙.这样主动地拉开间距使其易于通风保持干燥.2）腹板上的添接板只设一块板:3）螺栓最大间距（中心距离和缘端距离）应限制在一定范围内,保证板间压紧密闭:4）下翼缘下侧的添接板应断开设置,列于腹板的两侧:2.2一般部位1）水平设置的大面积平板应设置排水构造（设坡开孔）,避免积水尘埃堆积长时间保持湿润状态;2）梁板桥下翼缘须设置坡度以利排水;3）主梁外侧的竖向补强钢材在与下翼缘和腹板的空间交角处应开半径为50mm的孑L,避免形成死角；4）桁架和拱桥的杆件节点部位应采用排水,通气较好的构造；5）桁架弦杆中H型钢在弱轴方向使用的情况.须考虑

9、排水顺畅,可设置必要的泄水孔:6）拱桥的拱内系杆等存在较大倾斜角度的结构.应注意在杆件上设置泄排水构造.避免积水；7）未完全密闭的箱式构件,内表面应进行涂装:而完全密闭的则内表面可以免涂装:8）并行的双幅桥和靠近山坡的桥考虑到喷溅腾起的防冻剂影响.受影响的外表面应涂装:9）由排泄水考虑设置的孔洞对材料疲劳有误影响应作认真考虑.2.3梁端部梁端从桥梁各部位来看,通风性较差.由路面排水不畅或是伸缩缝装置故障导致梁端处于一种较为不利的环境中,故设计中应注意:1）梁端直至桥台前部应涂装;2）基于通气和检查考虑,腹板在梁端应设置切口;3）对于箱梁在纵坡上较高的一端端部易积水,应作适当填充（可采用混凝土设

10、置反向纵坡以利于端部排水）或设置遮挡防水或开槽口等构造;4）下部（帽梁或盖梁）支承面和梁底面间应留足够的空间,保证通气性:5）下部结构的上顶面应设置排水的坡度.设置了排水沟等专门构造的情况下应加大纵坡坡度.2.4桥面板1）桥面板须设置防水层,特别是带有人行道的情况下,防水层应满铺包括人行道的整个桥面（人行道未设防水层,桥面汇水通过人行道下渗,由添接板的间隙进入梁内的例子很多）;2）泄水管应伸出主粱下翼缘之外,注意防止水流飞散溅回;3）悬臂的桥面板下应设置水滴构造.2.5附属物1）泄水管横向引流应充分保证坡度,并在钢结构表面避免设置接头;2）栏杆等由于考虑会弄脏行人衣服,故避免使用耐候钢;3）水

11、管管道付挂于桥上时由于水管管壁由于内外温差容易结露弄湿钢结构.对此应加以考虑:4）一些非常容易潮湿的金属部件可以考虑涂装或电镀;5）伸缩缝并非标准的桥梁排水构造.大变形无法避免的情况下必须充分重视其排水措施.在耐候钢桥细部构造的施工中应注意以下一些方面:1）工场制作及运输（1）钢材的表面处理,主要是避免表面锈蚀层的不均匀,对外观造成552010年l2月云南建筑2010年第6期表1耐候钢锈层目测外观评点标准状态评点目视外观锈蚀厚度5没有进一步的腐蚀.锈蚀层薄不到200m正常4平均外观锈蚀颗粒直径1mm以下,且较为均匀不到400m3平均外观锈蚀颗粒直径1N5ram需观察2平均外观颗粒直径5-25m

12、m的鱼鳞状剥离现象的锈蚀400m以上不到800m异常1出现层状剥离现象的锈蚀800m以上不利的影响a, 表面不处理，带锈制作；b, 原材料钢板表面除锈后制作；c, 原材料表面不做处理，待制作完成后表面除锈处理;d, 原材料钢板表面除锈后制作，制作完成后表面再做除锈处理.(2)临时保管a, 制作工厂位于滨海地区，应注意空气中携带的盐分的腐蚀,必要时在发货前可以用水冲洗；b, 钢材等堆放时应表面排水顺畅,并置于较高台架处,避免雨水溅起打湿:c, 材料无法避免密封时，可以置于通风良好地方保管:d, 对添接部摩擦结合面处的高强螺栓,应充分保证其品质；e, 施工中和制作中表面沾染的尘埃或油脂污物应及时擦

13、去,否则会造成表面锈迹不均,影响景观.2) 施工操作除了同L尽量不要沾染污物外，梁体架设完成到桥面板开始施工之间的时间应尽量缩短.因为梁体结构并没有考虑上述构造注意事项.3 耐候钢桥梁的维护管理3.1耐候钢桥的腐蚀监控腐蚀仍然是对耐候钢耐久性影响最大的因素.腐蚀最严重的后果是造成钢材板厚减小使得耐力不足,故其腐蚀减耗量必须被控制管理.耐候钢锈蚀的评价目前仍以外观目视调查为主,以板厚测定为参考.一般的腐蚀减耗量控制界线为50年o.3ram以下.56100年以内0.5mm以下.表1为日本1980年以来进行的大规模钢桥（包括耐候钢桥）的调查经验总结.根据评点对耐候钢材腐蚀程度的预测:1）暴露3年的程

14、度,外观评点为1或2的.100年后单面平均腐蚀减耗量超过lmm的可能性很高:2）暴露3年的程度，外观评点为35的，未来锈蚀层是否能趋于稳定还很难判断;3）暴露9年的程度，外观评点为35的，100年后单面平均腐蚀减耗量不超过0.5mm的可能性很高.只要外部环境不发生大的变化，锈蚀层稳定的判断是可以做出的:4）外部环境趋于不利则锈蚀层外观变化的速度也将加速.3.2耐候铜桥的维护和日常养护对于耐候钢桥表面已发生比较严重的腐蚀层状剥离的情况，应及时进行维护.首先,应排除造成异常的原因.脱离或隔绝今后继续造成腐蚀的外部环境:其次,可除去附着的盐分:可用清水冲洗来降低表面可溶性盐分的分量,且要定期清洗,以

15、改善锈层状况:第三以异常部位为中心包含周边部分进行涂装,对一些诸如梁端部等预防性的涂装部位也应及时清除污物堆积,定期进行涂装修补.由于无需定期涂装,耐候钢桥的日常维护较为简便:由于灰尘和碎屑造成的表面污染,可用低压水冲洗注意不要破坏保护锈层.受融雪剂沾染的,待冰雪融化后应及时清洗.经常检查清理排水系统,任何排水通路的泄露都应彻底排除.4结语即使是在耐候钢桥技术已经相当发达的日本,目前也仍存在的一些问题:1）对锈蚀层稳定的统一判别标准尚有争议;2）飞来盐分较多地区和防冻剂散布较多地区的鱼鳞状和层状剥离锈蚀仍会发生:3）发生鱼鳞状和层状剥离锈蚀的部位如何修补尚无一直最佳方案;4）桥梁外表颜色单一,没有涂装钢桥的取色范围大.但在适宜的环境建造耐候钢桥,不仅具有普通钢桥的特性优点,且具有减小涂装系统费用,降低对将来维修养护要求,加快建造速度及环保安全等诸多优点,故耐候钢桥在日本的桥