日本的耐候钢桥技术

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

一

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(NewRiverGorge

Bridge1.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.

13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NaC1,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13本冬季寒冷,

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.

1969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.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2007～2008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

注意以下一些方面:

2.1连接处

1)下翼缘板间的连接处应设

10mm～20ram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: