高強度耐候鋼及其在橋梁中的應用與前景

鄭凱鋒， 張 宇， 衡俊霖， 王亞偉

(西南交通大學 土木工程學院， 成都 610031)

土木結構的發展很大程度上依賴于材料的發展，鋼材的出現促進了橋梁跨越能力增長；鋼橋的廣泛應用，帶來了新的橋梁設計理念. 鋼材有著高強輕質、材質均勻、韌性和延性好等特性，是理想的土木工程材料. 鋼橋具有跨越能力強、施工方便快捷等優點，但鋼橋同時也存在局限，其耐腐蝕性能和耐火性較差.

不僅在橋梁領域，在船舶、航空、海洋工程等領域，金屬材料腐蝕問題也是亟待解決；據工業發達國家統計，每年由于鋼結構腐蝕造成的經濟損失，占GDP的2%～4%，全世界鋼結構腐蝕造成的經濟損失達數萬億美元. 在所有腐蝕造成的損失中，大氣腐蝕造成的損失約占50%. 耐大氣腐蝕鋼(也稱為耐候鋼)的出現，很大程度上解決了鋼材的腐蝕問題. 研究表明，基于快速建造、全壽命周期成本和環境保護的考慮，將耐候鋼用于橋梁建設可以得到很大的收益[1]. 在耐候鋼的優勢基礎上，提高其強度，可以進一步節省建設期間成本，免涂裝耐候鋼橋梁的特點如圖1所示.

圖1 免涂裝耐候鋼橋梁的特點

國外耐候鋼橋梁在長時間使用過程中，得到了較為廣泛的應用，并且針對耐候鋼腐蝕評估有較為深入的研究，有較完善的耐候鋼橋梁的設計指南或者規范[2-6]. 中國耐候鋼橋梁起步較晚，發展較為緩慢，缺乏相關規范，近年中國學者也開始針對耐候鋼及耐候鋼橋梁進行了相關研究[7-10].

本文對于高強度耐候鋼抗腐蝕性能、焊接性能和腐蝕疲勞性能進行綜述，并進行了相應的分析評估；回顧國內外耐候鋼橋梁的應用；針對中國高強度耐候鋼開展了一定規模疲勞試驗研究. 本文可為高強度耐候鋼抗腐蝕性能、焊接性能和腐蝕疲勞性能的研究提供參考，并對今后的研究前景進行了展望.

1 耐候鋼技術的發展

1.1 國外耐候鋼的發展

20世紀初，美國、德國、英國和日本等國開始著手對耐候鋼進行研究，研究中發現，銅元素可以改善鋼材在大氣中的抗腐蝕性能.

1916年，美國試驗和材料協會(ASTM)開始了大氣腐蝕相關研究. 20世紀30年代，美國鋼鐵公司(U.S. Steel)成功地研制出高強度耐腐蝕含銅低合金鋼(Cor-ten鋼)，但是價格非常昂貴. 1934年到1958年，經過3次大規模試驗和研究，基本奠定了低合金耐候鋼的理論基礎[11-13]. 19世紀50年代，美國研制出更為經濟的耐候鋼(A588)，其最小屈服強度均為350 MPa，成為了高強度耐候鋼的標志，隨后屈服強度提高到了690 MPa. 美國常用的耐候鋼系列包括：A242系列、A588系列、A606系列和A871系列.

1981年至1993年，日本橋梁建設協會和鋼材聯合會在日本41個地方進行了暴露試驗，在耐候鋼抗鹽腐蝕方面積累了大量成果. 近年，日本鋼鐵制造公司研發的Ni系列的耐候鋼，可在濱海區域使用，開始逐步打破耐候鋼橋原來的使用限制. 日本常用的耐候鋼系列包括：SPA系列和JIS SMA系列.

在英國，耐候鋼出現也很早，在BS EN 10155中對耐候鋼有一般規定. 在英國橋梁工程中，S355J2G1W是最為常用的耐候鋼[1]，其力學性能與BS EN 10025中規定的S355類似.

1.2 中國耐候鋼的發展

中國由于歷史原因耐候鋼發展較晚，1960年左右，開展了國內首次耐候鋼的研究工作. 1965年，中國首次試制出耐候鋼09MnCuPTi；1983年起，國家科委和自然基金委員會組織開展了長達20 a的數據累計工作. 中國還開發出了新的鋼種，如:08CuPVRE系列、09CuPTi系列、09MnNb等[14-16]. 中國“七五”和“八五”期間還進行了配套焊材研制、焊接性研究等基礎科研工作，均取得了很大成果[17].

近年來中國鋼鐵行業發展迅速，高強度耐候鋼也有較大發展，新型高強度耐候鋼相繼出現. 目前，中國常用的耐候鋼09CuPCrNi，屈服強度不小于345 MPa，抗拉強度不小于480 MPa，伸長率不小于22%，抗腐蝕性能為普通碳鋼的2～8倍，在貨車結構上的使用已有較長歷史. 隨著中國煉鋼技術發展，屈服強度600 MPa以上的鋼材已經在煉鋼廠中得到. 在獲得進步的同時，中國耐候鋼與國外發達國家相比沖擊韌性和焊接性能的穩定性較差；高強度耐候鋼在中國橋梁領域應用較少，相關研究不足，還需要研究和解決其抗腐蝕性能、焊接性能和腐蝕疲勞性能等問題.

1.3 高強度耐候鋼

根據用于不同類型結構，耐候鋼可以分為高耐候鋼和焊接耐候鋼，分別在耐候性能和焊接性能上有差別[18].

ASTM規范推薦一種通過化學元素求得耐腐蝕性指數的評估方法[19]. 在日本，耐候鋼適用性判斷指標為第一年的腐蝕損失小于0.3 mm[20]. ASTM規范規定耐候鋼的耐腐蝕性指數為6.0或更高[21]. 《碳素結構鋼》(GB/T 700—2006)規定結構鋼最高屈服強度為275 MPa[22]；《低合金高強度結構鋼》(GB/T 1591—2018)規定結構鋼最低屈服強度為345 MPa[23]；ASTM規范中規定高強度低合金結構鋼的最低屈服強度為350 MPa. 目前在中國鋼橋設計中基本采用Q345及以上結構鋼，針對結構鋼，建議對于高強度的規定適當提高. 因此，可以將高強度耐候鋼定義為：1) 耐腐蝕性指數為6.0或更高；2) 屈服強度高于400 MPa.

高強度耐候鋼同時具有良好的抗腐蝕性能和力學性能，是很好的結構用鋼. 與高強度結構鋼比較，高強度耐候鋼在普通大氣環境下具有更高抗銹蝕能力；與普通碳素鋼或普通耐候鋼相比，高強度耐候鋼可以大量節省鋼材用量. 在使用中，如果采用免涂裝設計，能夠提高建造速度、縮短施工工期、有益于環保和節約全壽命周期成本.

1.4 高性能鋼

高性能鋼(high performance steel)，是高強度耐候鋼的一種；在高強度耐候鋼強度和延性特性的基礎上，對焊接性能、拉伸力學性能和抗腐蝕性能作了更高要求[24-25]. 美國常用的高性能鋼為HPS 50W、HPS 70W、HPS 100W. 文獻[26-27]針對中國高性能鋼HPS 485W及其工字梁進行了力學性能，結果表明，高性能鋼具有良好的力學性能.

ASTM對耐候鋼和高性能鋼化學元素進行了要求[21]；中國《耐候結構鋼》和《橋梁用結構鋼》規范對高強度耐候鋼的元素進行了要求[18,28]. 根據耐腐蝕性指數計算公式，計算了美國50W(A類和B類)、HPS 50W、HPS 70W、HPS 100W、Q500NH、Q550NH、Q500qNH、Q550qNH幾種鋼材耐腐蝕性指數[29]見表1.

表1 兩國規范中典型鋼材耐腐蝕性指數

Tab.1 Atmospheric corrosion resistance of some typical steels by the code of two countries

鋼材種類最高耐腐蝕性指數備注50W(A類)7.8250W(B類)7.38HPS 50W7.68HPS 70W7.68HPS 100W—Cu超限Q500NH8.65Q550NH8.65Q500qNH7.53Q550qNH7.53

計算結果表明，中國耐候鋼耐腐蝕性指數要高于美國規范要求，對于元素含量要求存在一定區別. 對于元素含量：美國高性能鋼和中國橋梁用耐候鋼含碳量均控制在0.11%(質量分數)以內；中國耐候鋼對于更多元素的含量進行規定；美國的高性能鋼Cu和Ni元素含量明顯高于其耐候鋼和中國耐候鋼，其中HPS 100W的Cu元素含量已經超出了耐腐蝕性指數計算范圍；中國耐候鋼Cr元素含量高于美國規范要求；美國的高性能鋼Si元素含量要求低于其耐候鋼和中國耐候鋼Si元素含量.

2 高強度耐候鋼的抗腐蝕性能

2.1 高強度耐候鋼抗腐蝕機理

在潮濕、含氧或是含鹽(Cl-)的環境中，低碳合金會發生銹蝕，鋼材表面與水、氧氣和鹽份接觸的程度直接影響銹蝕速率. 鋼材腐蝕(該章中的腐蝕指均勻腐蝕)后，其表面形成一層銹蝕層，阻止鋼材直接與外界接觸，減緩鋼材銹蝕速率，一定時間后銹蝕層脫落，鋼材再次直接與外界環境接觸，再次發生上述銹蝕過程，形成鋼材的循環腐蝕現象，鋼材腐蝕不斷循環直至破壞. 高強度耐候鋼前期也會有類似的銹蝕現象，但是特殊合金元素在鋼材表面形成一層穩定致密的銹蝕層，隔絕鋼材與外界環境的接觸，阻止其進一步腐蝕，與傳統的碳素鋼相比，極大降低了鋼材銹蝕速率. 根據腐蝕特點，普通低碳鋼和耐候鋼腐蝕曲線如圖2所示. 對于鋼材的腐蝕問題通常包含均勻腐蝕和坑蝕，分別對材料和結構帶來不同程度的劣化，本章主要針對均勻腐蝕進行論述.

圖2 耐候鋼和碳素鋼腐蝕損失對比

Fig.2 Schematic comparison between the corrosion of weathering and carbon steels

研究表明：耐候鋼表面銹蝕層中的α-FeOOH是最穩定和致密的，能夠幫助阻隔外界環境；γ-FeOOH很不穩定，會轉化成Fe3O4；Fe3O4不致密且容易脫落；在耐候鋼表面銹蝕層中α-FeOOH的含量極高；Cu和Cr元素更有利于鋼材表面α-FeOOH的形成[30-32].

2.2 腐蝕環境

耐候鋼抗腐蝕性能不僅對材料進行研究，還需要對結構所處環境進行調查、研究和分級. 目前，對于金屬的腐蝕，ISO 9223根據第一年的腐蝕速率，分別規定了多種腐蝕等級及其指標范圍[33-34].

ISO 9223提供了一種估算鋼材第一年腐蝕速率的方法，其誤差為-33%～50%，稱為劑量響應函數(dose-response function)，表達式為

(1)

fSt=0.15(T-10)，T≤ 10 ℃；

fSt=-0.054(T-10)，T>10 ℃.

其中：rcorr為第一年腐蝕速率，μm/a；T為全年平均溫度，℃；Pd為SO2全年平均沉積率，mg/(m2·d)；RH為全年平均濕度,%；Sd為Cl-全年平均沉積率，mg/(m2·d).

傳統的耐候鋼在大部分環境中擁有出色的耐腐蝕性能，但是在海洋環境中(高濃度Cl離子)、消冰鹽作用下、連續的干-濕交替環境和大氣污染(SO2)環境中，免涂裝耐候鋼橋梁的抗腐蝕性能有一定程度上的限制[7].

2.3 環境與抗腐蝕性能

文獻[35]通過鋼材與09CuPCrNi耐候鋼進行干-濕交替腐蝕對比試驗，指出含碳量在0.03%～0.05%之間時，耐候鋼具有更好的抗鹽(Cl-)腐蝕性. 文獻[36-37]通過長期試驗，推薦了一種評估和預測長期腐蝕的方法. 通過暴露試驗，得到不同時期鋼材腐蝕損失(厚度)，根據腐蝕厚度來反應材料的腐蝕程度，腐蝕厚度的公式為

Y=A·XB.

(2)

其中：Y為腐蝕厚度，mm；X為暴露時間，a；A為腐蝕環境系數(指第一年腐蝕損失)；B為保護層系數.

根據ISO 9223/9224規定[34,38]，采用指數-線性模型，利用第一年腐蝕損失量進行腐蝕評估，計算公式為

D=rcorrtb,t≤20;

(3)

D=rcorr[20b+20b-1b(t-20)],t>20.

(4)

其中：D為腐蝕厚度，mm；rcorr為第一年腐蝕速率，μm/a；t為暴露的時間，a；b為材料的環境系數(根據鋼材元素含量和腐蝕環境修正).

文獻[39]針對船體結構Q235鋼的研究表明，高應力狀態會加劇焊接接頭的腐蝕. 針對不同腐蝕環境等級和應力狀態，積累大量長期的暴露試驗數據(各種高強度耐候鋼)，同時加速腐蝕試驗也是對腐蝕性能研究的重要手段. 根據式(1)～(4)得到較為保守的腐蝕模型，對現行橋梁設計規范進行補充. 例如，規定設計基準期內，設置容許腐蝕厚度限制或者根據相應環境的耐候鋼腐蝕上限進行加厚設計.

3 高強度耐候鋼的焊接性能

3.1 高強度耐候鋼的焊接

焊接連接擁有減輕結構自重、密封性能好等優點，成為橋梁建設中不可或缺的加工工藝方法. 但是，焊接具有諸多優點的同時，也存在一定不足. 焊接對母材金相有影響，導致力學和疲勞性能改變；焊接會對鋼材產生新的初始損傷；焊接熱量導致殘余應力，特別是復雜的焊接結構，嚴重影響結構初始內力分布. 高強度耐候鋼要應用于橋梁工程，必須解決焊接性能和質量問題.

高強度耐候鋼焊接過程中需要關注以下3點：1)避免冷裂紋的產生；2) 避免由于雜質偏析引起的熱裂問題；3) 避免大線能量焊接(如埋弧焊)，防止焊縫的脆化問題[40].

用于判斷焊接性能的指標一般包含以下幾方面：1) 化學成分.根據不同元素的影響，通過化學成分可以大致判定鋼材的焊接性能，鋼材含碳量可以大致評價鋼材焊接性. 2) 力學性能.檢驗力學性能最為常見的方法有拉伸試驗和沖擊試驗. 對于焊接接頭，一般要求焊材強度要高于母材強度，耐候鋼沖擊試驗要求-40 ℃時沖擊功大于27 J. 3) 金相組織.利用光學或電子顯微鏡，觀察分析焊縫結晶形態和焊接熱影響區的組織分布特點以及微觀缺陷.

3.2 高強度耐候鋼的焊接性能研究

焊材選擇、焊接工藝和焊縫力學性能是焊縫質量關鍵的控制因素. 但是國內針對橋梁用耐候鋼焊接性能研究相對較少，仍然需要大量研究.

文獻[41]對SMA51(耐候鋼)與SWS400(普通碳素鋼)焊接接頭抗腐蝕和力學性能進行研究，結果表明，兩種鋼的焊接接頭均不能有效防止Cl-的腐蝕，提高Cu、Cr和Ni元素含量，降低C元素含量有利于焊縫的抗腐蝕能力.

針對高強度耐候鋼焊縫疲勞性能，文獻[42]對腐蝕后不同形式的JIS SMA50耐候鋼和SM50結構鋼焊縫進行試驗，試驗表明，腐蝕2～4 a未對焊接試件疲勞壽命造成影響，疲勞裂紋萌生的壽命可通過增大焊趾角度實現. 文獻[43]結合試驗針對KT 315 Si耐候鋼焊接結構進行斷裂力學研究，得到了耐候鋼焊接接頭疲勞裂紋擴展門檻值.

Q450NR1高強度耐候鋼在中國鐵路車輛上已應用多年，其研究成果相對較多. 文獻[44]對進口和國產焊材的力學性能、抗裂性能和焊縫金相組織進行對比，通過試驗驗證，兩種焊材都能保證該耐候鋼的性能. 其他研究針對不同性能，通過試驗對耐候鋼焊材匹配進行研究[45-47]. 研究表明，焊材的匹配是綜合因素，不僅考慮材料元素含量、力學性能和疲勞性能，還要考慮焊接構件使用需要.

焊接工藝是影響焊縫質量的重要因素，文獻[48]對焊接工藝進行了研究，試驗表明，線能量對強度影響不大，線能量增加會相應增加接頭沖擊韌性，焊道間溫度差增加會降低接頭沖擊韌性. 文獻[49]針對Q450NQR1耐候鋼焊接接頭疲勞性能進行研究，試驗結果表明焊接加工精度對焊縫接頭疲勞性能影響很大.

3.3 高強度耐候鋼的焊接要求

高強度耐候鋼橋梁存在大量的焊接連接，焊縫質量關系著橋梁的質量與安全，連接質量差和焊縫腐蝕導致高強度耐候鋼性能受限. 為保證高強度耐候鋼優良性能得以發揮，必須在加工過程中考慮以下幾方面問題：1) 高強度耐候鋼焊材化學元素需要與母材化學成分相匹配，尤其是不同母材的連接，且盡量選用堿性低氫焊材. 2) 焊材自身的抗腐蝕性能需要考慮. 3) 高強度耐候鋼的焊接工藝也控制著工程質量，先進的焊接工藝需要引入和普及.

在優質匹配焊材的基礎上，焊接工藝對于焊接質量起著關鍵作用. 文獻[50]研究熱輸入對3Cr耐候鋼MAG焊縫性能的影響，并提出了較為合理的熱輸入值. 文獻[51]針對SMA490BW耐候鋼焊接過程中焊后降溫進行了研究，并提出了針對該耐候鋼焊接的熱處理和焊接指南. 焊接過程中，使用適當的保護氣體和焊材，嚴格控制焊接能量、焊道設計、焊接次序和焊縫形狀，配合焊前預熱和焊后消應工序，可以保證耐候鋼焊縫質量.

除了從焊材和焊接工藝出發，新技術也該被用于提高焊縫疲勞性能. 文獻[52]通過試驗表明，采用高頻機械噴丸處理耐候鋼焊接接頭后，其疲勞強度能夠提高85%. 另外有研究表明，采用超聲沖擊能夠對高耐候鋼對接接頭和十字接頭分別提高87.9%和32.13%的疲勞強度[53-54]. 文獻[55]針對激光復合焊能量配比進行研究，基于中厚SMA490BW耐候鋼板焊接試驗，提出了相對合理的能量配比系數. 在結構關鍵部位適當采取新技術提高焊縫質量和性能，更有助于高強度耐候鋼性能的發揮.

耐候鋼的焊接質量控制是一個綜合過程，在傳統技術規范化的基礎上還需要新技術和新工藝的引入，用以提高其焊接質量，如圖3所示.

圖3 耐候鋼焊接質量提高方法

Fig.3 Methods of improving weld quality of weathering steel

4 高強度耐候鋼的腐蝕疲勞性能

4.1 高強度耐候鋼的腐蝕疲勞

鋼材的疲勞性能，特別是腐蝕因素作用下的疲勞性能成為一個新問題. 橋梁均處于不同程度的腐蝕環境中，高強度耐候鋼(免涂裝)的腐蝕疲勞性能需要被研究. 對于腐蝕問題，在于環境與鋼材表面接觸反應，高強度耐候鋼表面形成致密的銹蝕層阻隔了該反應. 但是，在循環應力作用下，銹蝕層會發生破裂，導致坑蝕. 對于疲勞問題，疲勞來源于初始缺陷，循環應力(必須有拉應力)作用下，微裂紋擴張導致截面不斷削弱，腐蝕部位的整體應力水平隨著腐蝕厚度的增加而增加，減小材料疲勞壽命；此外，蝕坑部位應力集中系數一般為1.5左右，甚至更高，導致疲勞壽命縮短. 在腐蝕和疲勞荷載共同作用下，特別是在坑蝕作用下，材料的疲勞強度被持續和快速削弱.

在英國，早年考慮到腐蝕蝕坑造成的疲勞強度下降，禁止耐候鋼用于鐵路[56]. 美國免涂裝耐候鋼橋梁設計指南中規定，根據ISO 9223中環境腐蝕等級要求，對免涂裝耐候鋼橋梁設計中各疲勞細節等級對應的門檻值進行折減[57]. 但是，相應指南和規范對于腐蝕疲勞作用的考慮均建立在解釋試驗結果基礎上，還未從機理上對其進行描述或解釋. 高強度耐候鋼的腐蝕疲勞是一個復雜的過程，同時包含疲勞和腐蝕因素，對于高強度裝耐候鋼在橋梁結構上的應用，還需要大量腐蝕疲勞研究.

4.2 腐蝕疲勞的相關研究

目前，國內土木工程領域，鋼材的腐蝕疲勞相關研究較少. 但在航空、船舶和車輛等領域，腐蝕條件下材料疲勞性能的研究較多，對材料的腐蝕疲勞研究較為深入. 對于高強度耐候鋼腐蝕疲勞性能，其他領域金屬材料的腐蝕疲勞研究成果可以借鑒，并用于橋梁工程領域.

文獻[58]通過試驗對比AASHTO規范中各疲勞細節在腐蝕前后的疲勞性能，結果表明：腐蝕作用使鋼材表面變粗糙度；局部應力提高導致耐候鋼疲勞壽命降低；腐蝕作用對疲勞等級越高的細節削弱越大.

文獻[59]對Atmofix 52耐候鋼進行疲勞試驗，材料選取已使用20 a的信號塔耐候鋼，試驗表明，腐蝕后的耐候鋼疲勞強度降低，疲勞裂紋萌生于母材表面的蝕坑處，與銹蝕層無關.

文獻[60]針對FV520B鋼進行腐蝕過程中的疲勞試驗，試驗結果表明，水霧和鹽霧作用下鋼材的疲勞強度降低，并且受溫度影響較大. 文獻[61]針對R5鋼進行了未腐蝕、腐蝕后和腐蝕過程中的疲勞試驗，結果表明，腐蝕過程中和腐蝕后的鋼材疲勞強度均降低. 其他研究同樣表明，坑蝕對于材料疲勞性能影響較大，而且鋼材的疲勞強度隨腐蝕程度變化有不同程度的降低[9,56,62-63].

疲勞斷裂作為引起橋梁失效的重要因素，腐蝕(坑蝕)會降低材料的疲勞性能，并且降低的程度受到應力狀態、腐蝕環境、材料特性等因素的影響；同時，高應力狀態同樣會加劇腐蝕速率. 腐蝕和疲勞的耦合作用如圖4所示.

圖4 腐蝕和疲勞耦合作用

4.3 高強度耐候鋼的腐蝕疲勞評估

疲勞試驗是針對高強度耐候鋼腐蝕疲勞評估較為可靠的方法，可以較為直接地得到腐蝕對疲勞強度的削減. 文獻[64]通過對未腐蝕和腐蝕后的A588鋼梁進行疲勞試驗，結果表明，腐蝕導致原鋼梁疲勞細節等級降低. 根據大量疲勞試驗，耐候鋼使用指南提出C3和C4腐蝕等級中各疲勞細節疲勞門檻值的折減百分比[57].

均勻腐蝕導致鋼材截面整體應力水平提高，持續導致其疲勞壽命有削減. 文獻[65]對于列車車體結構，建立均勻腐蝕速率函數，通過分析和試驗得到其應力隨時間的變化曲線，根據Miner準則評估列車車體結構的疲勞壽命. 文獻[66]采用Smith-Watson-Topper應變壽命方法用于腐蝕鋼梁的疲勞壽命評估，結合Albrecht的試驗數據和分析表明，只考慮均勻腐蝕作用是不完善的，并推薦了一種考慮腐蝕和各種最大應力的壽命評估方法. 文獻[67]通過假設橋梁構件存在初始缺陷，考慮全截面以相同速率均勻腐蝕，結合車輛荷載譜進行橋梁剩余壽命評估.

腐蝕作用和疲勞作用之間會相互影響，因此疲勞壽命評估時需要綜合考慮兩種作用. 文獻[68]利用損傷累積理論，同時考慮應力腐蝕損傷和疲勞損傷，提出材料腐蝕疲勞的非線性損傷累積模型.

與前面幾種方法不同，通過研究腐蝕疲勞機理有助于評估腐蝕疲勞壽命. 文獻[69]通過試驗確定坑蝕尺寸與腐蝕時間關系，結合材料斷裂力學原理，當裂紋擴展速率高于坑蝕速率時，腐蝕疲勞裂紋會萌生.

綜上所述，腐蝕疲勞評估的方法包括：1) 通過試驗的方法提出不同腐蝕環境中耐候鋼疲勞強度折減；2) 考慮均勻腐蝕導致應力幅持續增加，利用損傷累積理論評估腐蝕疲勞壽命評估；3) 基于損傷累計理論，考慮應力腐蝕和疲勞共同作用的非線性損傷累計模型；4) 基于坑蝕理論和斷裂力學的腐蝕疲勞壽命評估. 因此，不同腐蝕環境中的疲勞試驗需要開展，得到適用和準確的評估方法，用于免涂裝耐候鋼橋梁疲勞設計.

5 高強度耐候鋼在橋梁中的應用

5.1 國外高強度耐候鋼在橋梁中的應用

在美國，建于1964年的新澤西高速公路的橋梁首次使用耐候鋼，并且采用免涂裝設計. 1977年，當時世界上最大跨度的拱橋—新河谷大橋(New River Gorge Bridge)建成，該橋采用了Cor-ten鋼. 2000年，福特市大橋建成通車，該橋混合采用HPS 70W和Grade 50W鋼，節省了20%的用鋼量.

1989年，美國聯邦公路局(FHWA)制定了免涂裝耐候鋼結構設計指南[70]. 截止1993年美國免涂裝耐候鋼橋已經達到23 000座以上[31,71]. 目前，美國耐候鋼橋梁大約占全部鋼橋的50%左右. 隨美國基礎建設速度的放慢，美國耐候鋼橋梁的建造速度也受到一定限制，部分美國免涂裝耐候鋼橋梁如圖5所示.

圖5 部分美國免涂裝耐候鋼橋梁照片

Fig.5 Photos of some American uncoated weathering steel bridges

1969年，日本建成其第一座耐候鋼橋；1981年士幌線建成的音更川橋和1983年磐越西線建成的阿賀野川御前橋都使用了耐候鋼. 為耐候鋼橋梁更好的應用，1985年定制了《無涂裝耐候性橋梁設計施工要領》[72]；1997—1998年，制訂了考慮消冰鹽的耐候鋼使用標準[73]. 目前，日本有約20%的橋梁使用了耐候鋼，其中70%采用免涂裝設計，20%采用銹層穩定化處理技術. 在過去的十年間，日本75%的耐候鋼用于橋梁建設[74].

在歐洲，德國從1969年開始建造耐候鋼橋梁，英國從1970年開始建造耐候鋼橋梁. 在加拿大，90%的新建鋼橋采用了耐候鋼. 韓國從1992年開始建造耐候鋼橋梁，截至目前已有20多座[31,75].

國外學者研究表明，鋼橋涂裝費用占到建設費用的5%～15%，采用免涂裝耐候鋼橋梁可以節省涂裝費用[1,76-78].

根據統計，耐候鋼橋梁已經在國外經歷了半個多世紀，近20年來部分國家對耐候鋼橋梁的應用也迅速增加，表明耐候鋼橋梁的優點已被廣泛接納.

5.2 中國高強度耐候鋼在橋梁中的應用

在中國，1991年建成的京廣鐵路巡司河橋采用了耐候鋼，其中兩跨涂裝使用，一跨免涂裝使用，后來全部涂裝使用[79]. 2013年建成的后丁香大橋是一座真正意義上的免涂裝耐候鋼橋梁. 隨著中國耐候鋼發展，2013年，中國中鐵山橋在美國建造了阿拉斯加塔納納河鐵路橋，該橋為免涂裝使用[80]. 2016年4月開工修建的普灣十六號跨海大橋采用了耐候鋼. 2016年5月，開工建設的藏木雅江特大橋采用了耐候鋼，其中橋面系為免涂裝使用，拱肋為涂裝使用，也是目前國內跨度最大的鐵路鋼管混凝土拱橋，其效果圖和銹層穩定化處理如圖6所示.

圖6 藏木雅江特大橋

從1991年到現在，據不完全統計，中國已有的耐候橋梁約20座，并且仍有多座耐候鋼橋梁在規劃. 中國學者研究表明，免涂裝耐候鋼橋梁可以節約20%以上的全壽命周期成本[7,81].

根據統計，中國建成耐候鋼橋梁中，免涂裝耐候鋼橋梁為數不多. 結果表明，與發達國家相比，中國高強度耐候鋼橋梁的應用存在較大差距，并且還處于萌芽階段，對于其認識較為薄弱，尚需要大量的研究和實踐完善相應指南和規范.

5.3 中國高強度耐候鋼的試驗研究

在鋼橋的應用中，由于車輛荷載作用，鋼材的疲勞性能往往起到控制作用. 本文對中國的耐候鋼和高性能鋼開展了一定規模的疲勞試驗，試驗如圖7所示. 試驗中所用的耐候鋼為Q345NH，是目前中國常用的耐候鋼，最小屈服強度為345 MPa，極限抗拉強度不低于490 MPa，伸長率20%；試驗中所用的高性能鋼為一種新型鋼材，性能與美國HPS 70W類似，拉伸試驗表明，其屈服強度為549 MPa，極限抗拉強度為638 MPa，伸長率26%.

圖7 高性能鋼拉伸和疲勞試驗

該疲勞試驗進行了母材和焊接試件的疲勞試驗，根據中國《公路鋼結構橋梁設計規范》[82]，選取其中所規定的4種疲勞細節進行疲勞試驗，分別為母材、對接焊接頭和十字焊接頭試件. 其中，Q345NH鋼板厚度為12 mm，高性能鋼鋼板厚度分別為12、24 mm；焊接試件包含手工焊和半自動焊兩種工藝，其中，半自動焊接選用TH550-NQ-II堿性焊絲，手工焊接采用THJ556NiCrCu堿性焊條.

試驗結果表明，中國耐候鋼與高性能鋼都具有較好的疲勞性能，能夠滿足規范[82]要求，但焊材匹配和焊接工藝對疲勞性能影響較大. 在此基礎上，需要提出腐蝕環境中免涂裝耐候鋼橋梁的設計方法，才能更好地推廣中國耐候鋼橋梁.

6 結論和展望

1)高強度耐候鋼具有良好的力學性能(屈服強度高于400 MPa)和抗腐蝕性能(耐腐蝕性指數不低于6.0)，高性能鋼在高強度耐候鋼基礎上對強度、抗腐蝕性能和焊接性能提出更高要求，都是鋼橋建設的理想材料；以上兩種鋼材都具有良好的抗腐蝕性能，從建造到運營節省了全壽命周期內總體投資，因此，免涂裝高強度耐候鋼橋更適宜用于偏遠和經濟欠發達地區.

2) 高強度耐候鋼的腐蝕性能需要通過大量腐蝕試驗進行研究，長期的自然暴露試驗是最為可靠的試驗方法，同時加速腐蝕試驗也是其重要的補充，兩種方法通過腐蝕當量相互換算，可以高效率和準確地獲得腐蝕研究數據.

3) 試驗表明，高強度耐候鋼焊材匹配和焊接工藝嚴重影響焊縫疲勞性能，用于橋梁建設時，匹配的焊材需要普及，焊接加工工藝需要規范化；先進的技術可以用于高強度耐候鋼結構關鍵部位，提高其焊接性能，保證結構安全可靠.

4) 腐蝕對高強度耐候鋼疲勞性能有較大削弱，腐蝕疲勞是其用于橋梁需要考慮的關鍵問題之一；通過理論分析和試驗建立適用和準確的腐蝕疲勞評估方法，用于免涂裝耐候鋼橋梁設計.

5) 在此基礎上，為將高強度耐候鋼更好地運用于橋梁結構，今后的研究可以從以下兩個方向開展：高強度耐候鋼在不同腐蝕環境和應力狀態下的腐蝕性能研究，完善國內各地區腐蝕環境分類的統計；高強度耐候鋼及其連接件(不同焊材和焊接工藝)在不同腐蝕條件下的力學性能和疲勞性能.