日本的耐候钢桥技术.docx
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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:
3)螺栓最大间距(中心距离和
缘端距离)应限制在一定范围内,保
证板间压紧密闭:
4)下翼缘下侧的添接板应断开
设置,列于腹板的两侧:
2.2一般部位
1)水平设置的大面积平板应设
置排水构造(设坡开孔),避免积水尘
埃堆积长时间保持湿润状态;
2)梁板桥下翼缘须设置坡度以
利排水;
3)主梁外侧的竖向补强钢材在
与下翼缘和腹板的空间交角处应开半
径为50mm的孑L,避免形成死角;
4)桁架和拱桥的杆件节点部位
应采用排水,通气较好的构造;
5)桁架弦杆中H型钢在弱轴方向
使用的情况.须考虑排水顺畅,可设
置必要的泄水孔:
6)拱桥的拱内系杆等存在较大
倾斜角度的结构.应注意在杆件上设
置泄排水构造.避免积水;
7)未完全密闭的箱式构件,内
表面应进行涂装:
而完全密闭的则内
表面可以免涂装:
8)并行的双幅桥和靠近山坡的
桥考虑到喷溅腾起的防冻剂影响.受
影响的外表面应涂装:
9)由排泄水考虑设置的孔洞对
材料疲劳有误影响应作认真考虑.
2.3梁端部
梁端从桥梁各部位来看,通风性
较差.由路面排水不畅或是伸缩缝装
置故障导致梁端处于一种较为不利的
环境中,故设计中应注意:
1)梁端直至桥台前部应涂装;
2)基于通气和检查考虑,腹板
在梁端应设置切口;
3)对于箱梁在纵坡上较高的一
端端部易积水,应作适当填充(可采
用混凝土设置反向纵坡以利于端部排
水)或设置遮挡防水或开槽口等构造;
4)下部(帽梁或盖梁)支承面
和梁底面间应留足够的空间,保证通
气性:
5)下部结构的上顶面应设置排
水的坡度.设置了排水沟等专门构造
的情况下应加大纵坡坡度.
2.4桥面板
1)桥面板须设置防水层,特别
是带有人行道的情况下,防水层应满
铺包括人行道的整个桥面(人行道未
设防水层,桥面汇水通过人行道下渗,
由添接板的间隙进入梁内的例子很
多);
2)泄水管应伸出主粱下翼缘之
外,注意防止水流飞散溅回;
3)悬臂的桥面板下应设置水滴
构造.
2.5附属物
1)泄水管横向引流应充分保证
坡度,并在钢结构表面避免设置接头;
2)栏杆等由于考虑会弄脏行人
衣服,故避免使用耐候钢;
3)水管管道付挂于桥上时由于
水管管壁由于内外温差容易结露弄湿
钢结构.对此应加以考虑:
4)一些非常容易潮湿的金属部
件可以考虑涂装或电镀;
5)伸缩缝并非标准的桥梁排水
构造.大变形无法避免的情况下必须
充分重视其排水措施.
在耐候钢桥细部构造的施工中应
注意以下一些方面:
1)工场制作及运输
(1)钢材的表面处理,主要是避
免表面锈蚀层的不均匀,对外观造成
55
2010年l2月云南建筑2010年第6期
表1耐候钢锈层目测外观评点标准
状态评点目视外观锈蚀厚度
5没有进一步的腐蚀.锈蚀层薄不到200~m
正常4平均外观锈蚀颗粒直径1mm以下,且较为均匀
不到400~m
3平均外观锈蚀颗粒直径1N5ram
需观察2平均外观颗粒直径5-25mm的鱼鳞状剥离现象的锈蚀400~m以上不到800~m
异常1出现层状剥离现象的锈蚀800~m以上
不利的影响
a,表面不处理,带锈制作;
b,原材料钢板表面除锈后制作;
c,原材料表面不做处理,待制
作完成后表面除锈处理;
d,原材料钢板表面除锈后制作,
制作完成后表面再做除锈处理.
(2)临时保管
a,制作工厂位于滨海地区,应
注意空气中携带的盐分的腐蚀,必要
时在发货前可以用水冲洗;
b,钢材等堆放时应表面排水顺
畅,并置于较高台架处,避免雨水溅
起打湿:
c,材料无法避免密封时,可以
置于通风良好地方保管:
d,对添接部摩擦结合面处的高
强螺栓,应充分保证其品质;
e,施工中和制作中表面沾染的
尘埃或油脂污物应及时擦去,否则会
造成表面锈迹不均,影响景观.
2)施工操作
除了同L尽量不要沾染污物外,
梁体架设完成到桥面板开始施工之间
的时间应尽量缩短.因为梁体结构并
没有考虑上述构造注意事项.
3耐候钢桥梁的维护管理
3.1耐候钢桥的腐蚀监控
腐蚀仍然是对耐候钢耐久性影响
最大的因素.腐蚀最严重的后果是造
成钢材板厚减小使得耐力不足,故其
腐蚀减耗量必须被控制管理.耐候钢
锈蚀的评价目前仍以外观目视调查为
主,以板厚测定为参考.一般的腐蚀
减耗量控制界线为50年o.3ram以下.
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100年以内0.5mm以下.
表1为日本1980年以来进行的大
规模钢桥(包括耐候钢桥)的调查经
验总结.
根据评点对耐候钢材腐蚀程度的
预测:
1)暴露3年的程度,外观评点为
1或2的.100年后单面平均腐蚀减耗量
超过lmm的可能性很高:
2)暴露3年
的程度,外观评点为3~5的,未来锈蚀
层是否能趋于稳定还很难判断;
3)暴露9年的程度,外观评点为
35的,100年后单面平均腐蚀减耗量
不超过0.5mm的可能性很高.只要外部
环境不发生大的变化,锈蚀层稳定的
判断是可以做出的:
4)外部环境趋于不利则锈蚀层
外观变化的速度也将加速.
3.2耐候铜桥的维护和日常养护
对于耐候钢桥表面已发生比较严
重的腐蚀——层状剥离的情况,应及时
进行维护.首先,应排除造成异常的原
因.脱离或隔绝今后继续造成腐蚀的
外部环境:
其次,可除去附着的盐分:
可用清水冲洗来降低表面可溶性盐分
的分量,且要定期清洗,以改善锈层
状况:
第三以异常部位为中心包含周
边部分进行涂装,对一些诸如梁端部
等预防性的涂装部位也应及时清除污
物堆积,定期进行涂装修补.
由于无需定期涂装,耐候钢桥的
日常维护较为简便:
由于灰尘和碎屑
造成的表面污染,可用低压水冲
洗——注意不要破坏保护锈层.受融
雪剂沾染的,待冰雪融化后应及时清
洗.经常检查清理排水系统,任何排
水通路的泄露都应彻底排除.
4结语
即使是在耐候钢桥技术已经相当
发达的日本,目前也仍存在的一些问
题:
1)对锈蚀层稳定的统一判别标准
尚有争议;2)飞来盐分较多地区和防
冻剂散布较多地区的鱼鳞状和层状剥
离锈蚀仍会发生:
3)发生鱼鳞状和层
状剥离锈蚀的部位如何修补尚无一直
最佳方案;4)桥梁外表颜色单一,没
有涂装钢桥的取色范围大.但在适宜
的环境建造耐候钢桥,不仅具有普通
钢桥的特性优点,且具有减小涂装系
统费用,降低对将来维修养护要求,
加快建造速度及环保安全等诸多优点,
故耐候钢桥在日本的桥梁建设中仍不
断被优先选用
中国在1989年首次制造出使用耐
候钢的钢箱梁,随着中国经济实力的
增强和钢结构在交通基础设施建设中
的推广.相信经过国内钢铁企业和桥
梁工程师的携手努力,耐候钢桥梁也
将越来越多地出现在中国尤其是山区
公路的众多桥梁之列.最终占据一席
之地
参考文献:
f1]三木千寿,市川笃司.现代椅梁
工学一垒装L¨铜椅技街
最前缘『M1.日本东京:
数理工
学社2004.
[2]贺君,刘玉擎,陈艾荣,依田照
彦.耐候性钢桥评估管理系统研究
[J].桥梁建设,2009,(5):
32—35.
收稿日期:
2010—10—12
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