钢的进阶——免涂装耐候钢在拉林铁路藏木雅鲁藏布江大桥上的应用
图1 拉林铁路藏木雅鲁藏布江特大桥实景图
耐候钢是一种耐大气腐蚀钢，是介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢系列，它是通过在普通钢中加入磷、铜、铬、镍等微量元素，使钢材表面形成致密和附着性很强的保护膜。虽然耐候钢也会生锈，但耐候钢形成稳定致密的保护锈层后，该锈层与普通钢锈层相比，其孔隙少得多，能阻碍锈蚀往里扩散和发展，保护锈层下面的基体，以减缓其腐蚀速度。1964年美国开始在桥梁上使用免涂装耐候钢，日本1969年建成了第一座免涂装耐候钢桥梁，德国和英国分别从1969年、1970年开始建造免涂装耐候钢桥。1977年美国建成了当时世界上最大跨度的上承式免涂装耐候钢拱桥——新河谷大桥，其后免涂装耐候钢桥在世界范围内得到快速推广。据调查，绝大多数免涂装耐候钢桥服役状况良好，目前免涂装耐候钢桥梁已成为发达国家钢桥的一种发展趋势。
据分析，虽然耐候钢采购价格略高于普通钢，但是免涂装耐候钢可节省涂装成本，因此，耐候钢桥的初期建设成本与普通钢桥相当。而其在全寿命周期中，因只需要定期常规少量维护，不需要反复进行防腐涂装，可节省大量成本。结合桥址环境和运营部门减少养护维修工作量的需求，拉林铁路藏木雅鲁藏布江大桥（以下简称藏木大桥）主桥采用430m中承式钢管混凝土拱桥，钢管桁架在设计中采用了免涂装耐候钢，系国内铁路首座免涂装耐候钢大桥。本文介绍免涂装耐候钢在该大桥上的应用，为国内耐候钢桥梁设计提供参考。
大桥采用耐候钢的必要性和可行性
藏木大桥位于西藏自治区加查县，桥址海拔3310m～3500m，地形陡峻，植被较差，空气稀薄，高原缺氧环境导致大桥养护维修工作比平原地区更加困难。桥位紫外线强烈，最大日温差25度，若采用普通钢结构，其防腐涂装易老化，增加涂装次数，从而导致养护维修工作量成倍增加。与普通钢结构相比，采用免涂装耐候钢可以大大减少大桥养护维修工作量。而桥位所处加查县降雨少（多年平均降雨量529mm），气候干燥（年平均相对湿度50%）、无污染，桥位气候条件适合修建免涂装耐候钢桥。
耐候钢桥梁在1964年美国开始使用，经过几十年的使用经验，国外已将耐候钢逐渐当作一种普通钢种来广泛使用，应用效果良好。我国已经具备耐候钢种的生产能力以及耐候钢桥制造能力。目前，中国钢厂生产的海外标准桥梁用耐候钢，已经供货委内瑞拉城际铁路项目Metro de Guarenas、巴西淡水河谷S11D项目、加拿大帕特洛桥、中马友谊大桥、孟加拉国帕德玛大桥等海外项目。而在海外耐候钢桥制造方面，国内钢结构制造厂承建了新西兰Kiwi Rail/NIMT Br 273免涂装耐候钢桥、美国阿拉斯加Tanana河免涂装耐候铁路钢桥及美国阿拉斯加五跨槽形免涂装耐候铁路钢桥等。国内桥梁采用免涂装耐候钢的时机已经成熟。
图2 新西兰Kiwi Rail/NIMT Br 273钢桥
图3 美国阿拉斯加Tanana河桥
高性能免涂装耐候钢材料选择
大桥课题组开展了高性能免涂装耐候钢板选材研究，研制了Q345和Q420qENH高性能耐候桥梁钢。在试验钢成分设计方面，首先要求符合GB/T 714及相关技术条件，同时为了兼顾力学性能、耐候性能和焊接性能的要求，采用了低碳，适当添加Cu、Cr、Ni等，控制CEV和/或Pcm，耐候指数I≥6.5；在试验钢组织设计方面，345MPa级耐候钢的组织类型为铁素体+珠光体，420MPa级耐候钢的组织类型为细化的针状铁素体+粒状贝氏体；在试验钢工艺设计方面，采用TMCP、TMCP+回火的生产工艺。
免涂装耐候钢采用“低碳、微合金”的成分设计，钢材的碳含量、碳当量均显著降低，使钢材的碳含量、碳当量处于易焊区、可焊接区内。通过选材研究，得出了Q345qENH、Q420qENH其化学成分及力学性能按《桥梁用结构钢》（GB/T714-2015）控制，钢中残余元素控制较规范略严：B≤0.0005%，N≤0.0080%，H≤0.0002%。为了降低焊接裂纹敏感性，要求耐候钢供货状态为：Q345qD/ENH钢板TMCP或TMCP+回火状态交货（其中厚度＞32mm需回火）；Q420qD/ENH钢板以TMCP+回火状态交货；当轧后采用水冷却时，必须进行回火。为了增加耐候钢板的可焊性，课题组经研究将耐候钢板的屈强比由规范推荐值0.85提高至0.86，并严格控制焊接裂纹敏感性指数：Q345qENH按Pcm≤0.21% 控制，Q420qENH按 Pcm≤0.23% 控制，较GB/T714-2015规定略大。课题组还进行了高性能免涂装耐候钢配套焊材研究，通过焊丝成分设计和焊接工艺适应性试验，优选了焊接性能良好、焊缝成型性能良好、焊缝金属强韧性匹配优异、能够满足耐候钢结构制造要求的耐候焊材。
大桥课题组还开展了耐候钢高强度螺栓试制与试验研究。通过调研国内外耐候钢高强螺栓的研究和发展现状，总结梳理现有成果，分析了耐候钢高强螺栓的技术特点，依据高强螺栓主要面临的锈蚀环境和锈蚀特点，对耐候钢高强螺栓的材质和加工制造工艺提出要求，生产出样品，并开展了耐大气腐蚀性能试验、机械性能试验、脱碳和增碳试验、氢脆试验、金相组织分析、高强度螺栓预紧力测试、连接接头的疲劳性能试验7项研究。研发的免涂装耐候钢高强度螺栓及其连接副用钢及产品，成功应用于藏木大桥，填补了国内该项技术的空白。
图4 耐候螺栓锈蚀状态下的疲劳试验
高性能免涂装耐候钢桥梁结构设计
构造设计
经调研，耐候钢可适用于梁式桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥等各种桥型，区别在于裸露在外的构件比桥面内侧没有日晒的构件能更快形成稳定化锈层。桥面内侧的构件表面长期为褐色锈，多数情况需经过5～10年锈层才会逐渐稳定。
耐候钢桥梁应注重结构细节设计，需确保钢材表面通风好、不积尘、不积水。一般认为有利于耐候钢表面稳定锈蚀层形成并发挥作用的构造部位是：（1）既能接受阳光照射和雨水冲刷又排水良好的部位；（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板材；（4）不受盐分影响的地区。一般认为不利于表面锈蚀层形成并发挥作用的构造部位是：（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；（4）不能有效避免除冰盐接触的环境；（5）易被溅起的污水或雨水弄污的部位；（6）不能密闭的中空构件内，结露水后不易干燥且通风不好。
基于上述调研成果及设计经验，藏木大桥免涂装耐候钢桥结构设计采取了以下措施：
大桥跨越库区，拱脚离水面近，易受水汽影响，故对桥面以下耐候钢拱圈进行涂装处理。桥面以上拱圈采用免涂装耐候钢。对易于积水的箱形腹杆及支承横梁位置设置排水孔，防止积水。另螺栓连接处节点板缝隙采用密封处理。
螺栓连接部位摩擦面处理
螺栓连接摩擦面应根据螺栓安装方法和螺栓厂推荐工艺，保证栓接面抗滑移系数出厂时不小于0.55,架设时不小于0.45。可采用以下处理方法：① 喷砂除锈后自然氧化；② 喷砂除锈后进行锈层稳定化处理；③ 喷砂除锈后涂无机富锌防锈防滑涂料；④ 喷砂除锈后喷铝。经过试验研究，为保证摩擦面的可靠性且兼顾环保需求，藏木大桥摩擦面处理采用喷砂除锈后涂无机富锌防锈防滑涂料的处理方法。
图5 藏木大桥螺栓连接部位摩擦面处理
锈层引起的钢板厚度减小和疲劳影响
根据日本耐候钢桥制造规范实桥挂片试验结果，在极端恶劣环境下（高盐分环境）最大单面板厚减少量最大0.3mm，实际一般环境引起的减少量更小，偏安全考虑锈层形成引起的板厚减小按1mm计。
有研究表明，免涂装耐候钢结构由于锈层的存在，疲劳应力幅值稍有降低；发生疲劳开裂时，涂装桥梁易于发现，免涂装桥梁因为结构表面有锈层覆盖，有时较难发现。因此，应注意易于发生疲劳破坏部位的抗疲劳设计，采用比一般钢结构稍严格的疲劳应力幅控制。
免涂装耐候钢锈层稳定化处理
免涂装耐候钢桥梁，在形成稳定锈层前，锈水会流出，会对梁面及环境造成污染 ，影响结构美观。为了减轻影响，藏木大桥在拱肋架设前需对钢管表面进行锈层稳定化处理。比较常用的耐候钢锈层稳定化处理方案有——
（1）周期喷水法：喷砂除锈后的杆件进行洒水处理，每天至少3次，维持干湿交替状态，至少干湿循环三个月，使杆件表面生成致密均匀的锈层。此方法采用水处理，利于环保，周期较长。
（2）周期稳定剂喷淋法：喷砂除锈后的杆件喷淋锈层稳定剂，每天1～3次，至少进行1个月，使杆件表面生成致密均匀的稳定锈层。此方法采用化学稳定剂，对环保有一定的不利影响，周期较短。
为了保护西藏环境，藏木大桥采用周期喷水法形成稳定锈层。
图6 藏木大桥免涂装耐候钢周期喷水锈层稳定化处理
由于藏木大桥拱圈为提篮拱形式，锈水不易收集处理，故未进行锈水收集处理。桥面以下钢管拱肋涂装颜色采用与耐候钢相近颜色，以减小锈水流至拱脚对外观的影响；桥面以上拱圈通过喷水提前对锈层进行稳定化处理。
高性能免涂装耐候钢制造安装技术
藏木大桥耐候钢结构总重约1.27万吨，重量大、结构复杂。主拱圈由两片“内倾式”拱肋组成，倾角4.61°；拱肋中心距由拱角处的25m过渡至拱顶处的7m，拱肋之间采用钢管或钢管K形撑连接。主拱肋钢管单元采Q420qENH，钢管壁厚28～52mm，故焊接质量控制和焊接变形控制是钢结构制造的难点。
为指导藏木桥钢管结构制造及安装，大桥课题组编制了《拉林铁路藏木雅鲁藏布江大桥免涂装耐候钢桥制造、安装施工指南》，该指南针对本桥耐候钢制造提出了以下建议——
（1）免涂装耐候钢制造注意事项
① 耐候性的焊接材料在化学成分上具有焊接切割感受性强和热影响部硬度高的性质，因此与普钢相比，要特别注意控制余热。
② 焊接时的火花一旦附着在表面上会很难除去，因此需注意不要留下污点。
③ 多余的焊接部分如果用线状加热除去会在表面留下炒焦的痕迹。
④ 为了不影响生锈的速度以及之后的美观，建议不要用钢漆等在能看见的部位做标记。
（2）免涂装耐候钢焊接注意事项
① 由于耐候钢中加入了较多的合金元素，其焊接性比同级别的低合金结构钢差，焊材中也含有较多的合金元素，焊接难度较大，因此必须严格执行焊接工艺对焊前预热、道间温度控制的要求，最低道间温度应不低于预热温度。
② 焊接作业宜在室内进行，且环境温度不应低于5℃，环境湿度不宜高于80%，主要杆件应在组装后24小时内焊接。
③ 焊接前必须彻底清除待焊区域内的有害物，焊接时严禁在母材的非焊接部位引弧，焊接后应清理焊缝表面的熔渣及两侧飞溅物。
④ 耐候钢构件上焊接的连接件用钢材建议采用耐候钢。
高性能免涂装耐候钢锈层稳定性评价
耐候钢结构应用成功的关键在于耐候钢是否能形成稳定锈层，免涂装耐候钢锈层稳定性评价方法有下列几种——
（1）目测评价法
观察锈层表面颜色、均匀性、致密度，评估是否稳定，如表4所示。
图7 试件锈层图
（2）测量锈层厚度
采用红外测厚仪测量构件锈层厚度，根据锈层厚度确定锈层稳定化最佳周期。
（3）测量锈层的电化学特性
测量构件锈层阻抗及电化学特性，与裸钢试样对比，评价锈层的耐腐蚀性能。
（4）稳定相检测法
通过XRD方法测定锈层中物相含量，根据锈层中稳定相含量来评价锈层是否达到稳定。
根据高性能免涂装耐候钢在藏木大桥的应用研究和实践，可得出以下主要结论——
（1）免涂装耐候钢桥适用于绝大多数地区，且桥型不受限制。仅盐分影响较强的海岸地区、高湿度地区、工业硫酸重污染区和高寒地区路面使用防冻剂的低矮跨线立交桥不宜采用。
（2）藏木大桥采用免涂装耐候钢，大幅减少了高原地区钢结构桥梁的养护工作量，显著提高了全寿命期钢结构设计的经济性。
（3）免涂装耐候钢通过控制碳含量、碳当量，在易焊区、可焊接区内，合理控制屈强比，可保证耐候钢具有较好的焊接性能。
（4）耐候钢桥构造细节设计的关键是确保钢材表面通风好、不积水、不积尘。
藏木大桥2021年6月25日建成通车，该桥的成功建设为高海拔、大温差、强紫外线环境下建设大跨度桥梁提供了示范，将为川藏铁路中段大跨度桥梁的建设提供宝贵的经验。随着大桥免涂装耐候钢的示范作用，相信国内会有更多免涂装耐候钢桥的修建，这是大势所趋，也是工程界人心所向。
本文刊载 / 《桥梁》杂志 2021年 第4期 总第102期
作者 / 陈克坚 戴胜勇 张志勇
作者单位 / 中铁二院