耐候鋼的特性

在所有日常環境氣候條件下，所有裸露的結構鋼都會被腐蝕。腐蝕速率取決于鐵元素接觸到的水分和氧氣。隨著腐蝕循環的持續，形成的銹層（即氧化物）成為了一道限制水分和氧氣進一步接觸到金屬的屏障，腐蝕速率也迅速減慢。然而，對于大多數常規結構鋼，該氧化物層最終會破裂并脫落，暴露出新的表面，重新開始新的腐蝕循環。腐蝕速率的軌跡由一系列近似于直線的增量曲線組成，其速率取決于環境的侵蝕性。對于耐候鋼等級的鋼材，這種初始氧化層以類似于此的方式產生，但由于其中添加了額外的合金元素，因此它能產生更均勻、穩定的氧化層，也稱銅綠。該氧化層的孔隙率低于傳統銹層，并且與鋼基材之間附著更緊。不過，為了形成適當均勻的氧化層，鋼材必須交替置于干濕條件，阻礙氧氣和水分的進一步進入，并且使腐蝕速率變得更慢。

圖1 CMn結構鋼與耐候鋼的腐蝕損失示意圖

根據環境條件的不同，可能需要數年時間才能形成色澤均勻的銅綠。在這一點上，金屬在銅銹的保護下可在未來免遭嚴重腐蝕，因此這種鋼材非常適合設計壽命通常為100年或更長（在英國，鋼橋和復合鋼橋的標準設計壽命是100年）的橋梁結構。此外，銅綠的顏色會隨著年份的增加而發生變化，開始呈紅褐色的色調，然后逐漸變深。在正常的天氣條件下，銅綠需要18至36個月才能穩定色澤，最終變成深棕色，如圖2。因此，充分了解鋼材的使用環境至關重要，如一直將鋼材置于潮濕環境，便不會形成銅綠防護層。這本身會從設計、細節、制造和架設方面造成若干施工難題。特別是，焊縫必須根據天氣以及按焊料加料相同速率設計和焊接。有積水的部位，腐蝕速率會更高，在含鹽的空氣環境中，銅綠防護層可能不會穩定而繼續腐蝕。鋼材內應不存水分，且要通風良好，以確保干濕循環，有助于形成穩定的銅綠。從美學角度來看，制造過程中的表面污染、處理痕跡和焊接可能導致銅綠分布不均。因此，原始鋼材表面沒有上述痕跡這一點至關重要。

圖2 COR-TEN^?銅綠示意圖

如今，大多數采用耐候鋼的橋梁工程和其他結構工程都加速了表面腐蝕，以形成色澤均勻的初始銅綠層。具體通過預處理程序即可實現，先將表面脫脂，然后噴砂，以確保形成均勻銅綠。此后，將金屬板置于一系列加快的干濕循環中。使用的水可含有少量氧化劑，例如醋或鹽水，以增加銅綠形成的速率。兩個月之后，經以上預處理將產生紅橙色銅綠。不過，預處理并不會使銹層穩定。該過程雖減少了對附近材料產生的色漬，但卻不會完全去除色漬。預處理通常由鋼材制造商在最終預制型鋼上或由專業承包商完成。此外，部分鋼材制造商針對原封未動的產品也能夠提供此類服務。

與所有商品一樣，耐候鋼的價格可能高于相同強度的普通碳錳結構鋼；然而，去除保護涂層體系所節省的成本通常超過額外的材料成本。耐候鋼橋的全生命周期成本低出傳統涂層鋼橋的全生命周期成本多達30%。因取消了車間和現場噴涂操作，總工期縮短，這對承包商而言是有利的，最終得利者便是客戶。如有適當的詳細說明，定期檢查和清潔應是確保橋梁持續良好運行所需的唯一維護措施。由于通常不需要保護涂層，因此檢查、清潔以及某些情況下，在有限區域的臨時補救處理的成本，通常遠低于全涂結構的定期維護與重涂成本。這樣也減少了由于涂層維護作業期間，現場施工通道需要的交通管理，和造成交通延誤而產生的間接成本。

除此之外，省去鋼材涂裝也可以避免與涂層中潛在揮發性有機化合物排放相關的問題，這對環境和工人而言都是有利的。

多種多樣的耐候鋼橋

2001年，英國公路標準網站（Standards for Highways）發布了修訂版《道路與橋梁設計手冊》（編號：BD 7/01），確切言之，是第2卷——公路結構：設計（下部結構和特殊結構），第3節——材料和部件，第8部分——公路結構中的耐候鋼。該修訂版取代了自1981年以來實施的先前版本標準。2001年版的標準將研究結果與橋面板下方的環境腐蝕性，以及橋梁中所用耐候鋼的服役性能進行了整合。重要的是，其中涵蓋了從其他國家公路建設中耐候鋼使用情況中收集的資料。

修訂版標準中的部分主要變化包括：刪除了為了使用除冰鹽霧對道路上方橋梁的7.5米凈空限制；引入了跨越水面的橋梁2.5米最小凈空限制；更新了參考文獻，包括環境分類的國際標準（ISO）。

更重要的是，BD 7/01中注釋到，根據BS EN 10155（耐大氣腐蝕性更佳的結構鋼的技術交付條件）的結構鋼可采用S235和S355級鋼材；橋梁工程中不太可能采用S235級鋼材，根據BS 7668（可焊接結構鋼——耐候鋼中的熱軋結構空心型鋼）的結構鋼可采用S345級鋼材。此外，BD 7/01指出，耐候鋼的經濟效益取決于材料的額外成本（考慮腐蝕裕量所產生的每噸成本和額外材料的成本）與省去初始涂層和保養性涂層，所節省的費用及保養操作相關成本之間的平衡。

繼2001年引入BD 7/01后，英國橋梁應用中使用耐候鋼的情況大為增加。其主要還是應用于短中跨復合型公路橋。這些結構通常是上承式鋼-混組合型橋梁，其中的鋼結構系統由裝配式工字形板梁組成，板梁用于支撐上翼緣處的混凝土橋面板。就英國的所有公路橋而言，所用等級鋼材的屈服強度最低為355MPa（根據BS EN 10025），它們能夠提供最具有經濟效益的解決方案，并且絕大多數橋梁鋼結構承包商在此類鋼結構裝配方面擁有豐富的經驗。對于橋面板，耐候鋼是首選材料。

圖3  Crossrail路線圖

Crossrail是一項耗資159億英鎊的項目，旨在建設穿越倫敦中部（Central London）高頻鐵路連接線，直接連接英國的主要經濟中心。這是自英吉利海峽隧道鐵路以來英國最大的基礎設施項目，也是目前歐洲最大的基礎設施項目。該項目始建于2009年，預計于2019年秋通車。該項目包括一條蔓延118公里（73英里）的鐵路線網絡和10個新站點，鋪設50多公里的新軌道，并在現有基礎設施上進行升級，例如站臺加長。該鐵路線呈東西走向，西一東二，如圖3所示。

項目早期，出于性能和經濟效益（最大限度地減少未來的養護需求）的原因，而做出的理智決策是可能情況下橋梁建設中采用S355級耐候鋼。例如新建的斯托克利天橋（位于倫敦西部的希靈頓），為從希思羅機場出發，穿越大西部主干線（由5條軌道組成）的列車提供單獨的路線。

鋼橋的主要部分長約118米，重約1190噸。該橋采用彎曲半徑310米的華倫式桁架設計。值得注意的是，自伊桑巴德布魯內爾時代起，它就已經是倫敦以西地區最大的單跨鐵路橋。此橋建于堤壩之上，而后并入緊鄰其頂推點的軌道，其有兩個連續的橋跨，分別長77.4米和40.4米，由東、中、西三個橋墩支撐。為了便于頂推，橋梁制成單跨，再添上下型鋼弦桿將橋梁連接在一起。每個桁架寬7.6米，高8米，使用鋼板構制成箱形型鋼，如圖4。下弦桿尺寸通常為1.2米×0.6米，斜構件和上弦桿構件構成0.6米×0.7米的箱形型鋼。

耐候鋼由意大利供應，焊接型鋼由Martifer公司（羅馬尼亞）預制，然后運往英國進行最終裝配。總共有275個零部件運往現場并用螺栓固定在一起。為確保形成一致的防護層，所有螺栓、螺母和焊條也都采用耐候級鋼材制成。整個橋梁結構長1.69公里（1英里），于2017年1月投入使用。

該項耗資8500萬英鎊的鐵路橋項目是英國鐵路升級計劃的一部分，屬于英國北部鐵路重大項目（GNRP）。雖然奧地索科德鐵路僅是一條長340米（雙軌）的鐵路軌道，但卻是連接曼徹斯特維多利亞站、牛津路和皮卡迪利各站的重要線路。該項目包含若干鐵路鋼橋和一座人行天橋。該項目最引人注目的是，不對稱網絡設計的跨艾爾韋爾河(River Irwell)鐵路拱橋，這在英國是首例。經過精心設計，考慮了鐵路線路經由的敏感環境、住宅以及多處與遺產類型結構交界的周圍環境情況。建筑師還想突出的是跨河建造一個城市新地標結構。這便催生出了飄動絲帶設計，旨在與周圍建筑物達到相得益彰的效果。網絡設計則是繩索吊桿縱橫交錯的網絡模式，但是這樣提供了更高效、更堅固的結構，因為荷載比傳統的弓弦式拱橋更均勻。

鋼拱橋采用耐候鋼制成，長89米，重300噸，其跨越行人天橋的部分設置為傾斜。每個拱門向內傾斜6°，并且橫截面幾何形狀也變化直到達到橋梁設計的預期錐形效果，如圖5所示。橫截面高度沿其長度從2.5米減小到0.7米。每個拱門包括六個預制型鋼結構，這些型鋼結構在現場組裝（焊接），如圖6。該橋的設計壽命是至少120年。整個奧地索科德鐵路需要約3800噸鋼。耐候鋼板均從歐洲大陸采購。

圖5 橫截面拱形幾何

圖6 拱肋安裝

此項目獨特之處在于，從一開始就采用了主要承包商和鋼鐵制造分包商早期參與的協作方法，同時使用廣泛的建筑信息模型（BIM）和Tekla解決方案。這種方法既節省了時間和成本，也保證了設計構建效率。奧地索科德鐵路橋于2017年11月正式通行。

該項目是一個三跨多梁復合型公路鋼橋，這種公路橋在英國各地的應用越來越廣泛，尤其是跨航道和生態區的橋梁。橋長132米，主跨長64米，兩端通過長34米的邊跨連接到河岸。該橋建于2006年，位于坎布里亞郡斯坦頓附近的伊登河上，采用耐候鋼橫梁，以確保伊登河周圍的特殊生態環境所要求的最低養護要求。此外，外梁上有涂漆，有助于橋梁與周圍景觀融為一體。

自該橋建造以來，所需鋼結構達1350多噸，這些鋼結構均在河岸兩側進行組裝之前，在場外制造并分段運輸。橫梁部分在安裝期間暫時連接在一起，最終焊接連接就位。橋面板由四根主梁組成，總寬度為25米，全部由S355J2W級鋼板（EN 10025-5）制造（焊接）而成，橋墩和中心跨度處的深度為1.6米，梁腋處深度為3.3米。圖7為制造過程中的主梁以及涂漆外梁。

圖7 伊登河橋的耐候鋼梁

A15林肯東旁道是一條長7.5公里的單行道，耗資約1億英鎊，旨在完善林肯市的基礎設施。該項目的一部分需要通過新插入一條9米寬的鐵路橋改變現有鐵路線，新建公路從鐵路下方穿過。該項工程需要拆除90米的現有軌道，600噸預制鐵路橋在72小時鐵路線封閉期間滑入。該橋于2017年10月安裝，整個道路項目計劃于2019年10月完工。

橋梁主體由兩個定制的107噸鋼梁組成，這些鋼梁根據BS EN 1090-2執行類3中的要求，在現場制造并在吊裝就位前在現場組裝。40.5米長的橋面板梁采用符合BS EN 10025-5的S355J2W級耐候鋼板制成，鋼梁制造耗時6個月。為了最大限度地減少將來的養護需求，并消除結構涂漆(及將來涂漆)的需求,結構上的張力控制螺栓等所有嵌固件均采用耐候鋼制成。圖8所示為現場安裝前后的鐵路橋。

圖8 A15林肯東旁道鐵路耐候鋼橋安裝

更高強度的耐候鋼材

雖然自美國開展第一項調查研究工作研制出耐候鋼已過去100多年，但只是在過去的20年中，耐候鋼才廣泛應用于英國的公路橋和鐵路橋。根據北美發布的大量數據以及2001年英國公路標準網站發布的《道路與橋梁設計手冊》（編號：BD 7/01）的修訂內容，耐候鋼如今已成為限制養護成本和維修可達性的首選鋼材。

在英國，目前多數橋梁均采用S355J2W和S355K2W級鋼板（EN 10025-5）制成的鋼梁，使用等效的耐候性制造耗材。與已經涵蓋了70W和100W耐候級高性能鋼（HPS）的ASTM標準不同，盡管歐洲領先的鋼材制造商已經在市場上推廣了420MPa和460MPa級的高強度耐候鋼，但歐洲統一標準EN 10025-5：2004仍僅涵蓋了S355級。不過，預計2018年修訂版10025-5標準最終將涵蓋這些新等級的耐候鋼；結構工程師便能利用更高強度的耐候鋼，進一步減輕結構的重量（正如傳統S420和S460級耐候鋼的應用）。

圖9 應用于建筑結構物的“Corten型”鋼材

除了使用梁和型鋼成品外，幾家領先的鋼廠還能夠提供軋制耐候性梁和熱成型空心型鋼。這將進一步增加橋梁結構中采用這種鋼材的吸引力，正如耐候鋼在建筑施工行業中的應用，其中“corten型”鋼材已作為建筑特點和更多建筑物結構元件成功應用于該行業。

作者 / Jitendra Patel

作者單位 / 英國牛津國際冶金有限公司