高性能耐候桥梁钢的开发与应用

FHWA（美国联邦公路管理署） AASHTO（美国国家高速公路和运输协会）
美国高性能耐候桥梁钢的特点
1、材料设计—高强、高韧、易焊接、耐候
化学成分特点—低C，增Cu、Cr、Ni，提高耐候指数 I，提高冶金质量
钢材 C Si Mn P S Cu 传统345W ≤ 0.30 0.80 ≤ ≤ 0.25 /485W 0.19 ~0.65 ~1.25 0.040 0.050 ~0.40 Ni ≤ 0.40 Cr 0.40 ~0.65 Mo
力学性能特点--高强度
牌号 HPS 345W HPS 485W HPS 690W
力学性能特点--优异低温韧性
伸长率
≥21 ≥19 ≥18
屈服强度 MPa
≥345 ≥485 ≥690
抗拉强度 MPa
≥485 585～760 760～895
美国高性能耐候桥梁钢的特点
可焊性特点—降低预热温度
耐候钢桥设计制造施工规范
美国HPS桥混杂设计
混杂设计(Hybrid Design)：在同一构件或主梁上采用不同型号的钢材。
混杂钢梁(Hybrid Girder)：翼缘与腹板采用不同钢材的钢梁。
主要特点：据结构受力情况配置不同型号(一般不超过两种)的钢材，以便充分发挥材料特性， 平均用钢量减少20%，节省约10%的建桥费用。
4、应重视局部区域“微环境”的处理，如接头区域缝隙处排水。

-2014 运输部调研UWS桥耐久性能。调查52个州(区)，9492座USW桥、最长服役期50年。 调查结论 1、UWS桥通常运行可靠。 2、UWS桥的运行状况受环境的影响不强

3、设计和维护对UWS桥的运行状况影响更大。
美国耐候桥钢桥技术的发展
旧金山-奥克兰海湾大桥 A709 HPS 485W
美国高性能耐候钢桥总体情况
美国高性能耐候钢桥分布（～2004）
其他发达国家耐候钢桥

1965 1967 1968
日本建成第1座耐候桥（涂装）， 日本建成第1座UWS桥。截止到2005年，耐候钢桥占总数20% 加拿大建成第1座耐候桥。目前，新建桥梁90%采用了耐候钢。
90年代
热镀锌、热喷涂
阴极保护
复合材料
耐候钢桥----低成本高效绿色防腐技术
耐候桥梁钢
Ni
以锈止锈
Cr
Cu
普通桥梁钢 耐候桥梁钢
耐候钢桥
不朽之美
耐候钢桥的优势
降低成本
项目
钢材费 螺栓 焊接材料(自动) 初期一 制造、架设、铺装 次经费 钢砂 比较 表面处理(工厂) 表面处理(现场) 搬运费 管理费 合计 反复涂装费 远期经 (1次/10年) 费比较 合计
(美元/吨) 备注 成本提高5.2% 成本降低91.9% 成本降低98.1% 成本降低8.4%
缩短工期
简化维护
绿色环保
二、国外耐候钢桥的发展现状及规范
美国耐候桥钢桥技术的发展

1964 1979
新泽西第1座免涂装耐候钢（UWS）桥，密歇根和爱荷华几乎同时建造类似钢桥。 建造第500座UWS桥。
典型混杂钢梁截面
HPS 485W
连续混杂钢梁
345 HPS 485W
翼缘采用同级HPS 485w高性能耐候 钢，腹板采用较低等级的345w普通耐 候钢。
腐蚀类型
∆均匀腐蚀
∆点状腐蚀 ∆缝隙腐蚀
Boston桥缝隙腐蚀
点状腐蚀
∆应力腐蚀
∆腐蚀疲劳
Boston桥均匀腐蚀
应力腐蚀
腐蚀疲劳
普通钢桥的腐蚀问题
钢桥腐蚀断裂事故
日本104座悬索桥断桥事故原因统计 事故原因 过载或事故 自然灾害 数量 37 35 事故原因 材料不良 其他 数量 4 9 美国俄亥俄大桥垮塌 城镇级桥梁 309792座 腐蚀 19
1-3
2-2
年度 1991 1994 1995 1996
1-2
2-1
1997 1998 1999 2000
2001 2002 2003 2004 2005
1-1
2-3
AISI（美国钢铁学会） TN（米塔尔钢铁公司） CERF（美国土建工程研究基金会）
高性能耐候桥梁钢发展历程 AISI和CERF提出高性能钢需求 TN生产出第一批试验钢 最终确定 HPS70W 化学成分 工业化生产第一批 HPS70W 厚板 HPS70W 钢首次桥梁应用; HPS70W 纳入A709标准 第 10座 HPS钢桥投入使用 HPS70W 纳入设计和制造规范 TMCP工艺生产 HPS70W A709 增加 TMCP和 HPS50W; 设计采用 第 100座高性能钢桥 研制成功 HPS100W 首次在桥梁上采用 HPS100W 钢 HPS100W纳入A709标准 第 360座 HPS钢桥投入使用
在负弯矩区，上翼缘和下翼缘采用HPS 345W/485W钢； 在其它区域使用传统345/485W。
美国高性能耐候桥梁钢的应用
160 140 120 100 80 60 40 20 0
154
109
福特桥 A709 HPS 485W
44
1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
金属涂层
喷涂Al、Zn →致密氧化膜+涂漆或橡胶
防腐涂装及涂层技术发展
防腐涂装及金属涂层技术
国外 国内 天然原料、红丹防锈漆加醇酸面漆 环氧富锌、无机富锌、氯化橡胶、环氧树脂漆
红丹或磷化底漆和油性醇酸面漆 环氧富锌涂料 常温固化无机富锌涂料 热喷涂技术 水性无机富锌涂料、环氧云铁中间漆 脂肪族聚氨酯面漆、热喷锌\铝技术
日本耐候钢桥与普通钢桥的成本比较
普通钢材 (涂装)
101222 5940 14153 — 25500 62951 32657 100000 85606 428029 106505 534534
(日元/吨)
耐候钢 (镀面漆)
116222 9954 21143 — 25500 45050 6800 100000 81917 409586 0 409586
温度:由具体条件下腐蚀控制过程决定 湿度:（临界值Hc=60％-70％ ） H <Hc，化学腐蚀，速率低； →Fe2O3∙nH2O H ≥Hc，电化学腐蚀，速率高。
腐蚀性粉尘：溶于液膜→酸、碱、盐液
1 2 Fe( OH )2 O2 H 2O 2 Fe( OH )3 2
氯离子：破坏钝化膜→腐蚀。
1969
1970
德国建造第1座耐候桥。
英国建造第1座耐候桥。

1992
韩国建造第1座耐候桥，现有20座耐候桥。
日本高性能耐候桥梁钢用量（～2005年）
耐候钢桥设计制造施工规范
标准规范
1) AASHTO LRFD桥梁设计规范临时条款(AASHT0 LRFD)； 2) AASHTO公路桥梁标准规范，第16版，1996年及2000年暂行规定(AASHTO LFD)；


1980
1985
AISI开展第1期研究，现场调查7个地区52座UWS桥的状况，掌握UWS使用性能。
建造第2000座UWS桥。
1989 FHWA发布UWS桥指导性技术规范（Technical Advisory 5140.22）。 -1992 AISI开展第2期研究，重点研究适用于盐溶液环境耐候钢的维护涂料。 -1995 AISI开展第3期研究，重审1期52座+11座使用期为18-30年的UWS桥。 调查结论： 1、除密歇根底特律个别桥以外，其他所有UWS桥均运行良好。 2、FHWA关于UWS桥的指导性技术规范适用性良好。 3、UWS桥状况较差的主要原因可能是除冰盐用量多且频繁。
-
Ceq Pcm I 0.42 0.27 ≥ ~0.62 ~0.34 5.3
HPS345W/ ≤ 0.30 1.10 ≤ ≤ 0.25 0.25 0.45 0.02 0.38 0.22 ≥ 485W 0.11 ~0.50 ~1.35 0.020 0.006 ~0.40 ~0.40 ~0.70 ~0.08 ~0.54 ~0.27 6.0 Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15; Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B I=26.01Cu+3.88Ni+1.20Cr+1.49Si+17.28%P-7.29Cu×Ni-9.10Ni×P-33.39Cu2
防腐涂装维修
州国家级桥梁 27954wk.baidu.com座
美国1998年统计
① 每3~5年一次防腐蚀涂装维护； ② 每10~15年一次重新防腐涂装。
普通钢桥的防腐涂装技术
涂装
一般防腐涂装 重型防腐涂装 寿命10～25年 费用占 ≥ 10%
时间 30～40年代 40～50年代 50年代 50～60年代 80年代
3) AASHTO关于使用HPS 70W钢的公路桥梁制造指南规范(AASHTO HPS Guide)；
4) ANSI/AASHT0/AWS D1.5-2010桥梁焊接规范附录(AWS Code)。
构造细节----通风防水以保护稳定锈层
1）排水系统：排水管口伸到下翼缘下；并确保不漏水；
2）钢梁端部：腹板设置切口，确保通风，端部防锈处理；
3）下翼缘截水：设置截水板，防止端部排水向跨中流入；
4）下翼缘排水：设置排水坡度；
5）桥面板：设置高性能的防水层；
6）伸缩件：为了减少伸缩缝腐蚀，不设伸缩件或采用非排 水型伸缩装置； ………
耐候钢桥设计制造施工规范
日本UWS桥构造细节
1）工形梁的下翼缘要设置排水坡度，箱形梁的下翼缘的自由伸出肢宽度要小，以防止积水。 2）宜避免使用有填板的连接，不得以时填板材料也要使用耐候性钢材，螺栓使用耐候性高强 度螺栓。下面的填板要分割，以防止积水。 3）节点构造：为了提高通风性，尽可能少的采用密闭构造，而选择开放构造。开放构造相对 密闭构造而言，结构稳定性和强度都较低，所以要在简易构造的二次应力较小的地方采用 开放构造，而二次应力较大的地方依然选择密闭构造。 4）主梁杆件之间，要留有10～20mm的间隙，以便使水容易漏下，防止积水。 5）安装在外侧的加劲肋，其下端设50mm以上的切口，以不影响泄水 。 6）桥面板要设置高性能的防水层，防止桥面上的漏水。 7）梁端周围，容易发生腐蚀，需要额外施加涂装。伸缩装置要使用耐久性好的非排水型的伸 缩装置。 8）排水系统要把排水管口伸到钢梁下翼缘以下，并且确保排水管不漏水；支承位置应选择通 风性良好的地方；桥座面和壁面设置V形槽等等，减小腐蚀环境的影响。
三、国内耐候钢桥的现状及技术条件 四、高性能耐候桥梁用钢产品及配套关键技术开发 五、高性能耐候桥梁钢、配套焊材的工厂应用性试验 六、中国环境气候特点及免涂装钢桥选材建议

七、国内耐候钢桥建造已具备的条件
一、钢桥的环境腐蚀特点及防护技术
普通钢桥的腐蚀问题
腐蚀环境
介质： 水和氧：
2 Fe O2 2 H 2O 2 Fe( OH )2 ;
HPS 485W和传统485W钢最低预热温度对比
耐侯性特点—提高耐候性
HPS 485W钢的Cu、Cr、Ni等耐候合金含量提高，耐候指数从≥5.3提高到≥6.0。
2、防腐涂装设计—降低涂装成本
免涂装、直接裸露使用； 一次涂面漆后，形成稳定的钝化覆膜，免维护永久使用；
3、混合结构设计—减重、降低材料成本
技术交流
高性能耐候桥梁钢的开发与应用
王玉玮
燕山大学材料科学与工程学院 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室
2016年1月21日，厦门 王青峰 教授 电话：13933560072，E-mail:wqf67@ysu.edu.cn
主要内容


一、钢桥的环境腐蚀特点及防护技术 二、国外耐候钢桥的发展现状及规范
备注
成本提高14.8% 成本提高67.6% 成本提高49.4% 成本降低28.4% 成本降低79.2% 成本降低4.3% 一次成本降低4.3%
成本降低23.4%
耐候钢桥的优势
降低成本
项目 材料及加工 钢梁架设 初期工厂涂漆 初期现场涂漆 合计
美国耐候钢桥与普通钢桥的成本比较
普通钢材 (涂装) 1081 91 74 105 1351 耐候钢 (镀面漆) 1138 91 6 2 1237
全美受调查9,492座 UWS桥的地域分布
UWS桥扩大应用范围的研究思路 ◊ 开发沿海、高湿、浓雾、多雨环境用高性能UWS材料。 ◊ 开发致密性保护锈层快速形成技术。 ◊ 开发海洋高盐环境用UWS.
◊ 开发可靠的盐降量检测技术。
美国耐候桥梁钢的发展
O 两代耐候桥梁钢：普通耐候桥梁钢、高性能耐候桥梁钢