圖1 拉林鐵路藏木雅魯藏布江特大橋?qū)嵕皥D

耐候鋼是一種耐大氣腐蝕鋼，是介于普通鋼和不銹鋼之間的低合金鋼系列，它是通過在普通鋼中加入磷、銅、鉻、鎳等微量元素，使鋼材表面形成致密和附著性很強的保護(hù)膜。雖然耐候鋼也會生銹，但耐候鋼形成穩(wěn)定致密的保護(hù)銹層后，該銹層與普通鋼銹層相比，其孔隙少得多，能阻礙銹蝕往里擴(kuò)散和發(fā)展，保護(hù)銹層下面的基體，以減緩其腐蝕速度。1964年美國開始在橋梁上使用免涂裝耐候鋼，日本1969年建成了第一座免涂裝耐候鋼橋梁，德國和英國分別從1969年、1970年開始建造免涂裝耐候鋼橋。1977年美國建成了當(dāng)時世界上最大跨度的上承式免涂裝耐候鋼拱橋——新河谷大橋，其后免涂裝耐候鋼橋在世界范圍內(nèi)得到快速推廣。據(jù)調(diào)查，絕大多數(shù)免涂裝耐候鋼橋服役狀況良好，目前免涂裝耐候鋼橋梁已成為發(fā)達(dá)國家鋼橋的一種發(fā)展趨勢。

據(jù)分析，雖然耐候鋼采購價格略高于普通鋼，但是免涂裝耐候鋼可節(jié)省涂裝成本，因此，耐候鋼橋的初期建設(shè)成本與普通鋼橋相當(dāng)。而其在全壽命周期中，因只需要定期常規(guī)少量維護(hù)，不需要反復(fù)進(jìn)行防腐涂裝，可節(jié)省大量成本。結(jié)合橋址環(huán)境和運營部門減少養(yǎng)護(hù)維修工作量的需求，拉林鐵路藏木雅魯藏布江大橋（以下簡稱藏木大橋）主橋采用430m中承式鋼管混凝土拱橋，鋼管桁架在設(shè)計中采用了免涂裝耐候鋼，系國內(nèi)鐵路首座免涂裝耐候鋼大橋。本文介紹免涂裝耐候鋼在該大橋上的應(yīng)用，為國內(nèi)耐候鋼橋梁設(shè)計提供參考。

大橋采用耐候鋼的必要性和可行性

藏木大橋位于西藏自治區(qū)加查縣，橋址海拔3310m～3500m，地形陡峻，植被較差，空氣稀薄，高原缺氧環(huán)境導(dǎo)致大橋養(yǎng)護(hù)維修工作比平原地區(qū)更加困難。橋位紫外線強烈，最大日溫差25度，若采用普通鋼結(jié)構(gòu)，其防腐涂裝易老化，增加涂裝次數(shù)，從而導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)維修工作量成倍增加。與普通鋼結(jié)構(gòu)相比，采用免涂裝耐候鋼可以大大減少大橋養(yǎng)護(hù)維修工作量。而橋位所處加查縣降雨少（多年平均降雨量529mm），氣候干燥（年平均相對濕度50%）、無污染，橋位氣候條件適合修建免涂裝耐候鋼橋。

耐候鋼橋梁在1964年美國開始使用，經(jīng)過幾十年的使用經(jīng)驗，國外已將耐候鋼逐漸當(dāng)作一種普通鋼種來廣泛使用，應(yīng)用效果良好。我國已經(jīng)具備耐候鋼種的生產(chǎn)能力以及耐候鋼橋制造能力。目前，中國鋼廠生產(chǎn)的海外標(biāo)準(zhǔn)橋梁用耐候鋼，已經(jīng)供貨委內(nèi)瑞拉城際鐵路項目Metro de Guarenas、巴西淡水河谷S11D項目、加拿大帕特洛橋、中馬友誼大橋、孟加拉國帕德瑪大橋等海外項目。而在海外耐候鋼橋制造方面，國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)制造廠承建了新西蘭Kiwi Rail/NIMT Br 273免涂裝耐候鋼橋、美國阿拉斯加Tanana河免涂裝耐候鐵路鋼橋及美國阿拉斯加五跨槽形免涂裝耐候鐵路鋼橋等。國內(nèi)橋梁采用免涂裝耐候鋼的時機(jī)已經(jīng)成熟。

圖2 新西蘭Kiwi Rail/NIMT Br 273鋼橋

圖3 美國阿拉斯加Tanana河橋

高性能免涂裝耐候鋼材料選擇

大橋課題組開展了高性能免涂裝耐候鋼板選材研究，研制了Q345和Q420qENH高性能耐候橋梁鋼。在試驗鋼成分設(shè)計方面，首先要求符合GB/T 714及相關(guān)技術(shù)條件，同時為了兼顧力學(xué)性能、耐候性能和焊接性能的要求，采用了低碳，適當(dāng)添加Cu、Cr、Ni等，控制CEV和/或Pcm，耐候指數(shù)I≥6.5；在試驗鋼組織設(shè)計方面，345MPa級耐候鋼的組織類型為鐵素體+珠光體，420MPa級耐候鋼的組織類型為細(xì)化的針狀鐵素體+粒狀貝氏體；在試驗鋼工藝設(shè)計方面，采用TMCP、TMCP+回火的生產(chǎn)工藝。

免涂裝耐候鋼采用“低碳、微合金”的成分設(shè)計，鋼材的碳含量、碳當(dāng)量均顯著降低，使鋼材的碳含量、碳當(dāng)量處于易焊區(qū)、可焊接區(qū)內(nèi)。通過選材研究，得出了Q345qENH、Q420qENH其化學(xué)成分及力學(xué)性能按《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T714-2015）控制，鋼中殘余元素控制較規(guī)范略嚴(yán)：B≤0.0005%，N≤0.0080%，H≤0.0002%。為了降低焊接裂紋敏感性，要求耐候鋼供貨狀態(tài)為：Q345qD/ENH鋼板TMCP或TMCP+回火狀態(tài)交貨（其中厚度＞32mm需回火）；Q420qD/ENH鋼板以TMCP+回火狀態(tài)交貨；當(dāng)軋后采用水冷卻時，必須進(jìn)行回火。為了增加耐候鋼板的可焊性，課題組經(jīng)研究將耐候鋼板的屈強比由規(guī)范推薦值0.85提高至0.86，并嚴(yán)格控制焊接裂紋敏感性指數(shù)：Q345qENH按Pcm≤0.21% 控制，Q420qENH按 Pcm≤0.23% 控制，較GB/T714-2015規(guī)定略大。課題組還進(jìn)行了高性能免涂裝耐候鋼配套焊材研究，通過焊絲成分設(shè)計和焊接工藝適應(yīng)性試驗，優(yōu)選了焊接性能良好、焊縫成型性能良好、焊縫金屬強韌性匹配優(yōu)異、能夠滿足耐候鋼結(jié)構(gòu)制造要求的耐候焊材。

大橋課題組還開展了耐候鋼高強度螺栓試制與試驗研究。通過調(diào)研國內(nèi)外耐候鋼高強螺栓的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)梳理現(xiàn)有成果，分析了耐候鋼高強螺栓的技術(shù)特點，依據(jù)高強螺栓主要面臨的銹蝕環(huán)境和銹蝕特點，對耐候鋼高強螺栓的材質(zhì)和加工制造工藝提出要求，生產(chǎn)出樣品，并開展了耐大氣腐蝕性能試驗、機(jī)械性能試驗、脫碳和增碳試驗、氫脆試驗、金相組織分析、高強度螺栓預(yù)緊力測試、連接接頭的疲勞性能試驗7項研究。研發(fā)的免涂裝耐候鋼高強度螺栓及其連接副用鋼及產(chǎn)品，成功應(yīng)用于藏木大橋，填補了國內(nèi)該項技術(shù)的空白。

圖4 耐候螺栓銹蝕狀態(tài)下的疲勞試驗

高性能免涂裝耐候鋼橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

構(gòu)造設(shè)計

經(jīng)調(diào)研，耐候鋼可適用于梁式橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋等各種橋型，區(qū)別在于裸露在外的構(gòu)件比橋面內(nèi)側(cè)沒有日曬的構(gòu)件能更快形成穩(wěn)定化銹層。橋面內(nèi)側(cè)的構(gòu)件表面長期為褐色銹，多數(shù)情況需經(jīng)過5～10年銹層才會逐漸穩(wěn)定。

耐候鋼橋梁應(yīng)注重結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計，需確保鋼材表面通風(fēng)好、不積塵、不積水。一般認(rèn)為有利于耐候鋼表面穩(wěn)定銹蝕層形成并發(fā)揮作用的構(gòu)造部位是：（1）既能接受陽光照射和雨水沖刷又排水良好的部位；（2）通風(fēng)較好的內(nèi)側(cè)垂直面和排水較好的水平面；（3）置于通風(fēng)較好部位的水平板材；（4）不受鹽分影響的地區(qū)。一般認(rèn)為不利于表面銹蝕層形成并發(fā)揮作用的構(gòu)造部位是：（1）泥土和塵埃容易堆積的構(gòu)造；（2）通風(fēng)性差且易受潮濕的部位；（3）由于橋面板、伸縮裝置和排水管破損造成漏水的部位；（4）不能有效避免除冰鹽接觸的環(huán)境；（5）易被濺起的污水或雨水弄污的部位；（6）不能密閉的中空構(gòu)件內(nèi)，結(jié)露水后不易干燥且通風(fēng)不好。

基于上述調(diào)研成果及設(shè)計經(jīng)驗，藏木大橋免涂裝耐候鋼橋結(jié)構(gòu)設(shè)計采取了以下措施：

大橋跨越庫區(qū)，拱腳離水面近，易受水汽影響，故對橋面以下耐候鋼拱圈進(jìn)行涂裝處理。橋面以上拱圈采用免涂裝耐候鋼。對易于積水的箱形腹桿及支承橫梁位置設(shè)置排水孔，防止積水。另螺栓連接處節(jié)點板縫隙采用密封處理。

螺栓連接部位摩擦面處理

螺栓連接摩擦面應(yīng)根據(jù)螺栓安裝方法和螺栓廠推薦工藝，保證栓接面抗滑移系數(shù)出廠時不小于0.55,架設(shè)時不小于0.45?？刹捎靡韵绿幚矸椒ǎ孩?噴砂除銹后自然氧化；② 噴砂除銹后進(jìn)行銹層穩(wěn)定化處理；③ 噴砂除銹后涂無機(jī)富鋅防銹防滑涂料；④ 噴砂除銹后噴鋁。經(jīng)過試驗研究，為保證摩擦面的可靠性且兼顧環(huán)保需求，藏木大橋摩擦面處理采用噴砂除銹后涂無機(jī)富鋅防銹防滑涂料的處理方法。

圖5 藏木大橋螺栓連接部位摩擦面處理

銹層引起的鋼板厚度減小和疲勞影響

根據(jù)日本耐候鋼橋制造規(guī)范實橋掛片試驗結(jié)果，在極端惡劣環(huán)境下（高鹽分環(huán)境）最大單面板厚減少量最大0.3mm，實際一般環(huán)境引起的減少量更小，偏安全考慮銹層形成引起的板厚減小按1mm計。

有研究表明，免涂裝耐候鋼結(jié)構(gòu)由于銹層的存在，疲勞應(yīng)力幅值稍有降低；發(fā)生疲勞開裂時，涂裝橋梁易于發(fā)現(xiàn)，免涂裝橋梁因為結(jié)構(gòu)表面有銹層覆蓋，有時較難發(fā)現(xiàn)。因此，應(yīng)注意易于發(fā)生疲勞破壞部位的抗疲勞設(shè)計，采用比一般鋼結(jié)構(gòu)稍嚴(yán)格的疲勞應(yīng)力幅控制。

免涂裝耐候鋼銹層穩(wěn)定化處理

免涂裝耐候鋼橋梁，在形成穩(wěn)定銹層前，銹水會流出，會對梁面及環(huán)境造成污染 ，影響結(jié)構(gòu)美觀。為了減輕影響，藏木大橋在拱肋架設(shè)前需對鋼管表面進(jìn)行銹層穩(wěn)定化處理。比較常用的耐候鋼銹層穩(wěn)定化處理方案有——

（1）周期噴水法：噴砂除銹后的桿件進(jìn)行灑水處理，每天至少3次，維持干濕交替狀態(tài)，至少干濕循環(huán)三個月，使桿件表面生成致密均勻的銹層。此方法采用水處理，利于環(huán)保，周期較長。

（2）周期穩(wěn)定劑噴淋法：噴砂除銹后的桿件噴淋銹層穩(wěn)定劑，每天1～3次，至少進(jìn)行1個月，使桿件表面生成致密均勻的穩(wěn)定銹層。此方法采用化學(xué)穩(wěn)定劑，對環(huán)保有一定的不利影響，周期較短。

為了保護(hù)西藏環(huán)境，藏木大橋采用周期噴水法形成穩(wěn)定銹層。

圖6 藏木大橋免涂裝耐候鋼周期噴水銹層穩(wěn)定化處理

由于藏木大橋拱圈為提籃拱形式，銹水不易收集處理，故未進(jìn)行銹水收集處理。橋面以下鋼管拱肋涂裝顏色采用與耐候鋼相近顏色，以減小銹水流至拱腳對外觀的影響；橋面以上拱圈通過噴水提前對銹層進(jìn)行穩(wěn)定化處理。

高性能免涂裝耐候鋼制造安裝技術(shù)

藏木大橋耐候鋼結(jié)構(gòu)總重約1.27萬噸，重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。主拱圈由兩片“內(nèi)傾式”拱肋組成，傾角4.61°；拱肋中心距由拱角處的25m過渡至拱頂處的7m，拱肋之間采用鋼管或鋼管K形撐連接。主拱肋鋼管單元采Q420qENH，鋼管壁厚28～52mm，故焊接質(zhì)量控制和焊接變形控制是鋼結(jié)構(gòu)制造的難點。

為指導(dǎo)藏木橋鋼管結(jié)構(gòu)制造及安裝，大橋課題組編制了《拉林鐵路藏木雅魯藏布江大橋免涂裝耐候鋼橋制造、安裝施工指南》，該指南針對本橋耐候鋼制造提出了以下建議——

（1）免涂裝耐候鋼制造注意事項

① 耐候性的焊接材料在化學(xué)成分上具有焊接切割感受性強和熱影響部硬度高的性質(zhì)，因此與普鋼相比，要特別注意控制余熱。

② 焊接時的火花一旦附著在表面上會很難除去，因此需注意不要留下污點。

③ 多余的焊接部分如果用線狀加熱除去會在表面留下炒焦的痕跡。

④ 為了不影響生銹的速度以及之后的美觀，建議不要用鋼漆等在能看見的部位做標(biāo)記。

（2）免涂裝耐候鋼焊接注意事項

① 由于耐候鋼中加入了較多的合金元素，其焊接性比同級別的低合金結(jié)構(gòu)鋼差，焊材中也含有較多的合金元素，焊接難度較大，因此必須嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝對焊前預(yù)熱、道間溫度控制的要求，最低道間溫度應(yīng)不低于預(yù)熱溫度。

② 焊接作業(yè)宜在室內(nèi)進(jìn)行，且環(huán)境溫度不應(yīng)低于5℃，環(huán)境濕度不宜高于80%，主要桿件應(yīng)在組裝后24小時內(nèi)焊接。

③ 焊接前必須徹底清除待焊區(qū)域內(nèi)的有害物，焊接時嚴(yán)禁在母材的非焊接部位引弧，焊接后應(yīng)清理焊縫表面的熔渣及兩側(cè)飛濺物。

④ 耐候鋼構(gòu)件上焊接的連接件用鋼材建議采用耐候鋼。

高性能免涂裝耐候鋼銹層穩(wěn)定性評價

耐候鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用成功的關(guān)鍵在于耐候鋼是否能形成穩(wěn)定銹層，免涂裝耐候鋼銹層穩(wěn)定性評價方法有下列幾種——

（1）目測評價法

觀察銹層表面顏色、均勻性、致密度，評估是否穩(wěn)定，如表4所示。

圖7 試件銹層圖

（2）測量銹層厚度

采用紅外測厚儀測量構(gòu)件銹層厚度，根據(jù)銹層厚度確定銹層穩(wěn)定化最佳周期。

（3）測量銹層的電化學(xué)特性

測量構(gòu)件銹層阻抗及電化學(xué)特性，與裸鋼試樣對比，評價銹層的耐腐蝕性能。

（4）穩(wěn)定相檢測法

通過XRD方法測定銹層中物相含量，根據(jù)銹層中穩(wěn)定相含量來評價銹層是否達(dá)到穩(wěn)定。

根據(jù)高性能免涂裝耐候鋼在藏木大橋的應(yīng)用研究和實踐，可得出以下主要結(jié)論——

（1）免涂裝耐候鋼橋適用于絕大多數(shù)地區(qū)，且橋型不受限制。僅鹽分影響較強的海岸地區(qū)、高濕度地區(qū)、工業(yè)硫酸重污染區(qū)和高寒地區(qū)路面使用防凍劑的低矮跨線立交橋不宜采用。

（2）藏木大橋采用免涂裝耐候鋼，大幅減少了高原地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的養(yǎng)護(hù)工作量，顯著提高了全壽命期鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性。

（3）免涂裝耐候鋼通過控制碳含量、碳當(dāng)量，在易焊區(qū)、可焊接區(qū)內(nèi)，合理控制屈強比，可保證耐候鋼具有較好的焊接性能。

（4）耐候鋼橋構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計的關(guān)鍵是確保鋼材表面通風(fēng)好、不積水、不積塵。

藏木大橋2021年6月25日建成通車，該橋的成功建設(shè)為高海拔、大溫差、強紫外線環(huán)境下建設(shè)大跨度橋梁提供了示范，將為川藏鐵路中段大跨度橋梁的建設(shè)提供寶貴的經(jīng)驗。隨著大橋免涂裝耐候鋼的示范作用，相信國內(nèi)會有更多免涂裝耐候鋼橋的修建，這是大勢所趨，也是工程界人心所向。

本文刊載 / 《橋梁》雜志 2021年 第4期 總第102期

作者 / 陳克堅 戴勝勇 張志勇

作者單位 / 中鐵二院

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