耐候钢桥的发展及其设计要点

图 2 示出美国与日本耐候钢在桥梁上的应用状 况[6 ] 。从用钢量来比较 ,在 1997 年左右 ,美国与日 本的耐候钢桥分别占全部钢桥的 45 %、10 % ,桥梁 数分别为 4 500 座 、1 500 座 。
表 1 为美国的耐候钢与普通钢每吨使用量的造 价比较 ,采用等级 50 的钢材[3 ] 。比较可知 ,耐候钢 比普通钢的制造价格高约 5 % ,但是普通钢的涂漆 防护费用却是两者间制造差价的 3 倍 。考虑到使用 期间的重新油漆费用比初期油漆费用要高 ,因此 ,一 般认为从整个使用期间的费用来衡量 ,耐候钢桥的 费用远远低于普通钢桥的费用 。
路面防冻剂散布的盐分对耐候钢桥锈蚀的影 响 ,主要限定在结构局部范围 ,这一点与飘移盐分的 影响不同 。美日两国都是在禁止使用防滑轮胎后 , 发现其局部锈蚀现象的 。美国密歇根州为此采取了 禁止使用耐候钢的措施 ,从而耐候钢桥的建设进入 低谷 。后来经过调查获知 ,路面防冻剂的盐分散布 是主要原因 ,并提出了减小其影响的构造措施 。
本文介绍耐候钢在桥梁中的应用现状 、发展趋 势及其耐候钢桥的设计要点等 。
2 耐候钢在桥梁中的应用现状 美国于 1933 年开始生产耐候钢 ,1964 年首次
将耐 候 钢 应 用 到 新 泽 西 高 速 公 路 的 桥 梁 上[3 ] 。
收稿日期 : 2003 - 03 - 26 作者简介 : 刘玉擎 (1962 - ) ,男 ,副教授 ,1985 年毕业于西安建筑科技大学工业与民用建筑工程专业 ,工学学士 ,1988 年毕业于西安建筑科技 大学结构工程专业 ,工学硕士 ,1996 年毕业于日本九州大学土木工程专业 ,工学博士 。
钢并不是不发生锈蚀 ,而是在使用的初期阶段与普 通钢一样生锈 ,只是两者在其后的锈蚀速度不同而 已 。普通钢随着锈蚀的进展 ,锈层膨胀变厚 , Fe3O4 形成并开始产生裂缝 ;随后锈层发生剥离 ,从而进一 步加剧锈蚀向内部进展 。而耐候钢在干燥与潮湿的 环境交替变化中 ,钢材表面上形成由 Cu 、Cr 、P 等元 素浓缩后的致密且连续的安定锈层 。从整个使用期 的费用来衡量 ,一般认为耐候钢桥相比普通钢桥的 费用较低[2 ] ,因此 ,将维护费用较低的耐候钢应用 到桥梁中 ,会有很好的经济效益 。
4 耐候钢桥的设计要点 在规划与设计耐候钢桥时 ,必须充分考虑架桥
图 5 耐候钢的露天试验比较
图 6 采用海岸耐候钢的铁路桥
地点的位置 ,确保能够处在通风条件好 、并且干湿交 替变化的环境中 。同时 ,前面已经叙述到 ,促使耐候 钢表面剥离锈蚀的最大因素是从海面飘移的以及路 面防冻剂散布的盐分 。因此 ,在设计耐候钢桥时首 先要考虑盐分的影响 ,其他的设计方法与普通钢桥 大致相同 。日本是通过规定盐分量的容许值来考虑 飘移盐分的影响 。原则上规定架桥地点位于飘移盐 分量测定值不超过容许值 ,或位于划定的地区 。美 国规定在海岸附近 、多雨潮湿以及工业烟雾排放量 较大的地带 ,规划耐候钢桥时要给予足够重视 ,最好 要对周边环境实施调查 。日本 、英国与美国规定的 飘移盐分量容许值分别为 0. 05 mdd 、0. 1 mdd 、0. 5 mdd ,由于各国的测定方法 、要求程度以及其他气候 条件不同 ,容许值相差很大[4 ,5 ] 。
Abstract : The weat hering steel was used for highway bridges for t he first time in 1964 and has gained considerable develop ment in t he developed count ries. As viewed f rom t he cost of t he whole ser2 vice lives of t he bridges , t he weat hering steel bridge is still cheaper t han t he ordinary steel bridge ; and is of fine vistas of application. In t his paper , t he present stat us , f ut ure t rend and design essentials of t he weat hering steel bridges are presented.
通常是在构造上采取排水措施 ,防止含有防冻 剂盐分的路面水流到钢材上 ,从而达到局部防锈的 目的 ,具体来说有以下几点[6 ] 。
(1) 伸缩件 :采用非排水型 。 (2) 桥面板 :设置高性能的防水层 。 (3) 排水系统 :把排水管口伸到钢梁下翼缘以 下 ;并且确保排水管不漏水 。 (4) 钢梁端部 :钢梁腹板设置切口 ,确保通风 ;
图 2 耐候钢桥的应用状况
表 1 耐候钢与普通钢的造价
美元
项目
普通钢
耐候钢
材料及加工等 架设 工厂涂漆 现场涂漆 合计
1 081 91 74 105
1 351
1 138 91
6 2 1 237
图 1 耐候钢桥的一例
德国与英国分别是从 1969 年 、1970 年开始建 造耐候钢桥 ,加拿大在新建的钢桥中有 90 %是用耐 候钢 。韩国从 1991 年开始生产与出售耐候钢 ,于 1992 年将其应用到桥梁上 ,目前约有 15 座 。
日本是在 1967 年开始将耐候钢应用到桥梁上 的 ,1969 年制订了结构用耐候性热处理压延钢材的 标准 (J IS G 3114) ,并于 1983 年改订 。建设省土木 研究 、钢材俱乐部以及桥梁建设协会的 3 个部门 ,从 1981 年起进行耐候钢的露天试验等许多调查与研 究 ,于 1985 年制订了《无涂装耐候性桥梁设计施工 要领》,1993 年又对此进行了修订[5 ] 。
日本建设省土木研究所推算的耐候钢桥与普通 钢桥的费用指数 ,得出使用 60 年后的普通钢桥的费 用为耐候钢桥的约 1. 5 倍 ,100 年后为 2 倍以上 ,从 整个使用期间的费用来看耐候钢桥显示较好的经济 效果 。
3 耐候钢桥的发展趋势 耐候钢锈蚀的因素有盐分 ( NaCl , CaCl2) 、硫化
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云南祥临澜沧江大桥总体设计 周泳涛 ,胡 伟 ,周军生 ,周 洲
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理 ,再施加环氧漆 2 道作为底漆和中间漆 ,最后施加 1 道聚氨酯面漆 。锚室采用赛伯斯防水涂料内外涂 抹防潮 、防水 ,再用抽湿机除湿防腐 。
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桥梁建设 2003 年第 5 期
1968 年制订了结构用低合金高强度钢 (A588) 标准 , 并在 1977 年建成世界上最大跨度的上承式耐候钢 拱桥 (New River Gorge Bridge) ,1983 年建成耐候钢 斜拉桥 ( Mississippi River Bridge) 。1970 年左右 ,防 滑轮胎被禁止使用后 ,出现耐候钢桥的局部锈蚀现 象 。以钢铁协会 (A ISI) 为中心 ,从 1980 年起对耐候 钢桥进行调查 ,到 1995 年为止完成了 3 份调查报 告 。联邦公路局 ( FHWA) 于 1989 年制订耐候钢结 构设 计 指 针 ( U ncoated Weat hering Steel in St ruc2 t ures) [4 ] ,随后耐候钢在桥梁上得到大规模的采用 。 图 1 是一座耐候钢桥的照片 ,采用呈暗褐色的耐候 钢的桥梁 ,即使建在乡间小道上也能与周边环境保 持较好的协调 。
另外 ,大气湿度 、日照量以及通风条件等也影响 耐候钢的锈蚀程度 。耐候钢桥所处的地形以及环境 较差 、或排水等构造措施设计不当时 ,与普通钢桥一
耐候钢桥的发展及其设计要点 刘玉擎 ,陈艾荣
关系
样也会生锈 。相对于美国 ,日本的气候环境条件不 利于耐候钢桥的发展 ,为此 ,许多钢铁公司为了使耐 候钢能够在各种条件下应用 ,近年来努力开发高性 能耐候钢 。经济发达地区大都临近海岸 ,道路桥梁 建设的发展也很快 。海岸耐候钢就是为了使耐候钢 能够在这些地区使用而被开发 ,具有极好的抗锈蚀 性能 。与以往的耐候钢比较 ,海岸耐候钢原则上不 添加元素 Cr ,而添加 Ni 、Mo 、Ti 等元素 ,具体添加比 例如何 ,各钢铁公司也不相同 。
图 4 为海岸耐候钢 (1. 5 %Ni - 0. 3Mo) 与以往 的耐候钢 ( SMA400) 、普通钢 ( SS400) 的锈蚀程度随 着时间的变化状况比较[7 ] 。试验场所的飘移盐分 量为 0. 23 mdd ,远远超过容许值 0. 05 mdd 。对于这 样差的环境 ,在试验进行到第 3 年时 ,海岸耐候钢的 板厚减少量仅为普通耐候钢的 50 %。并且海岸耐 候钢的锈蚀发展速度也逐年减小 ,未发生层状剥离 锈蚀 。
Key words : weat hering steel ; steel bridge ; bridge design ; summarization
1 前 言 近年来在设计桥梁时 ,不仅要考虑初期建设费
用 ,而且还考虑远期改建 、拓宽 、养护等费用 ,甚至还 考虑解体后的废物处理费用 ,即确保整个使用期的 费用最低为设计原则 。钢桥相对混凝土桥在材料性 质 、加工方法 、结构性能等诸多方面具有优点 ,在某 些发达国家已经占到大约 50 %。我国现在钢材在 桥梁中的使用量还较少 ,随着经济建设的发展 ,预计 钢材在桥梁中的应用也会大幅度增加 ,但是钢材锈 蚀的问题也是妨碍其大量应用的主要原因 。
物 ( SO X ,H2 S 等) 、水分 (结露水等) ,其中盐分是促 使耐候钢表面剥离锈蚀的最大因素 。现已查明盐分 主要有从海面飘移的以及路面防冻剂散布的两种情 况 。图 3 为使用第 9 年时的板厚减少量 (单面) 与日 平均飘移盐分量的关系[7 ] 。从图中可看出 ,日平均 飘移盐分量为 0. 05 mdd (mg/ dm2/ day) 以下时不发 生层状剥离锈蚀 ,且推定 50 年后的板厚减少量不超 过 0. 3 mm ;而飘移盐分量超过 0. 1 mdd 时 ,板厚减 少量显著增大 。