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EN 10025-5-耐候钢在钢桥上的应用发展

       耐候钢的历史发展在文献中有详细记载,有人认为可追溯到1916年,当时美国材料试验协会开始了一项关于材料受大气腐蚀的研究项目。无论是否存在直接影响,直到20世纪30年代,美国钢铁公司通过调研才开发出在工业、城市和农村环境中表现出良好耐大气腐蚀性的新型钢材。该公司通过添加适量的铜、磷以及其他元素成功研制出来。最初的钢合金设计,包含铜0.30%、磷0.07%、硅0.50%、镍0.20%和铬0.70%,并被命名为COR-TEN A。该钢材经过大量试验并取得成功,最终美国钢铁公司提交了专利申请,于1933年获得专利授权,并注册商标COR-TEN®。进一步的研究促成了COR-TEN B的研发,COR-TEN B是COR-TEN A的略高合金版,磷含量更低,更适合重载荷结构,而且具有更好的断裂韧性。COR-TEN产品如此成功,以至于80多年来,“Corten”一词在全世界范围内成为了耐候性或耐候钢的代名词。

图1 CMn结构钢与耐候钢的腐蚀损失示意图

图1 CMn结构钢与耐候钢的腐蚀损失示意图


耐候钢的特性

       在所有日常环境气候条件下,所有裸露的结构钢都会被腐蚀。腐蚀速率取决于铁元素接触到的水分和氧气。随着腐蚀循环的持续,形成的锈层(即氧化物)成为了一道限制水分和氧气进一步接触到金属的屏障,腐蚀速率也迅速减慢。然而,对于大多数常规结构钢,该氧化物层最终会破裂并脱落,暴露出新的表面,重新开始新的腐蚀循环。腐蚀速率的轨迹由一系列近似于直线的增量曲线组成,其速率取决于环境的侵蚀性。对于耐候钢等级的钢材,这种初始氧化层以类似于此的方式产生,但由于其中添加了额外的合金元素,因此它能产生更均匀、稳定的氧化层,也称铜绿。该氧化层的孔隙率低于传统锈层,并且与钢基材之间附着更紧。不过,为了形成适当均匀的氧化层,钢材必须交替置于干湿条件,阻碍氧气和水分的进一步进入,并且使腐蚀速率变得更慢。


加速铜绿的形成

       根据环境条件的不同,可能需要数年时间才能形成色泽均匀的铜绿。在这一点上,金属在铜锈的保护下可在未来免遭严重腐蚀,因此这种钢材非常适合设计寿命通常为100年或更长(在英国,钢桥和复合钢桥的标准设计寿命是100年)的桥梁结构。此外,铜绿的颜色会随着年份的增加而发生变化,开始呈红褐色的色调,然后逐渐变深。在正常的天气条件下,铜绿需要18至36个月才能稳定色泽,最终变成深棕色,如图2。因此,充分了解钢材的使用环境至关重要,如一直将钢材置于潮湿环境,便不会形成铜绿防护层。这本身会从设计、细节、制造和架设方面造成若干施工难题。特别是,焊缝必须根据天气以及按焊料加料相同速率设计和焊接。有积水的部位,腐蚀速率会更高,在含盐的空气环境中,铜绿防护层可能不会稳定而继续腐蚀。钢材内应不存水分,且要通风良好,以确保干湿循环,有助于形成稳定的铜绿。从美学角度来看,制造过程中的表面污染、处理痕迹和焊接可能导致铜绿分布不均。因此,原始钢材表面没有上述痕迹这一点至关重要。

图2 COR-TEN®铜绿示意图

图2 COR-TEN铜绿示意图

       如今,大多数采用耐候钢的桥梁工程和其他结构工程都加速了表面腐蚀,以形成色泽均匀的初始铜绿层。具体通过预处理程序即可实现,先将表面脱脂,然后喷砂,以确保形成均匀铜绿。此后,将金属板置于一系列加快的干湿循环中。使用的水可含有少量氧化剂,例如醋或盐水,以增加铜绿形成的速率。两个月之后,经以上预处理将产生红橙色铜绿。不过,预处理并不会使锈层稳定。该过程虽减少了对附近材料产生的色渍,但却不会完全去除色渍。预处理通常由钢材制造商在最终预制型钢上或由专业承包商完成。此外,部分钢材制造商针对原封未动的产品也能够提供此类服务。


有利的经济与环境效益

       与所有商品一样,耐候钢的价格可能高于相同强度的普通碳锰结构钢;然而,去除保护涂层体系所节省的成本通常超过额外的材料成本。耐候钢桥的全生命周期成本低出传统涂层钢桥的全生命周期成本多达30%。因取消了车间和现场喷涂操作,总工期缩短,这对承包商而言是有利的,最终得利者便是客户。如有适当的详细说明,定期检查和清洁应是确保桥梁持续良好运行所需的唯一维护措施。由于通常不需要保护涂层,因此检查、清洁以及某些情况下,在有限区域的临时补救处理的成本,通常远低于全涂结构的定期维护与重涂成本。这样也减少了由于涂层维护作业期间,现场施工通道需要的交通管理,和造成交通延误而产生的间接成本。

除此之外,省去钢材涂装也可以避免与涂层中潜在挥发性有机化合物排放相关的问题,这对环境和工人而言都是有利的。


多种多样的耐候钢桥

       2001年,英国公路标准网站(Standards for Highways)发布了修订版《道路与桥梁设计手册》(编号:BD 7/01),确切言之,是第2卷——公路结构:设计(下部结构和特殊结构),第3节——材料和部件,第8部分——公路结构中的耐候钢。该修订版取代了自1981年以来实施的先前版本标准。2001年版的标准将研究结果与桥面板下方的环境腐蚀性,以及桥梁中所用耐候钢的服役性能进行了整合。重要的是,其中涵盖了从其他国家公路建设中耐候钢使用情况中收集的资料。

       修订版标准中的部分主要变化包括:删除了为了使用除冰盐雾对道路上方桥梁的7.5米净空限制;引入了跨越水面的桥梁2.5米最小净空限制;更新了参考文献,包括环境分类的国际标准(ISO)。

       更重要的是,BD 7/01中注释到,根据BS EN 10155(耐大气腐蚀性更佳的结构钢的技术交付条件)的结构钢可采用S235和S355级钢材;桥梁工程中不太可能采用S235级钢材,根据BS 7668(可焊接结构钢——耐候钢中的热轧结构空心型钢)的结构钢可采用S345级钢材。此外,BD 7/01指出,耐候钢的经济效益取决于材料的额外成本(考虑腐蚀裕量所产生的每吨成本和额外材料的成本)与省去初始涂层和保养性涂层,所节省的费用及保养操作相关成本之间的平衡。

       继2001年引入BD 7/01后,英国桥梁应用中使用耐候钢的情况大为增加。其主要还是应用于短中跨复合型公路桥。这些结构通常是上承式钢-混组合型桥梁,其中的钢结构系统由装配式工字形板梁组成,板梁用于支撑上翼缘处的混凝土桥面板。就英国的所有公路桥而言,所用等级钢材的屈服强度最低为355MPa(根据BS EN 10025),它们能够提供最有经济效益的解决方案,并且绝大多数桥梁钢结构承包商在此类钢结构装配方面拥有丰富的经验。对于桥面板,耐候钢是首选材料。


Crossrail—— 斯托克利天桥

图3  Crossrail路线图

图3  Crossrail路线图

       Crossrail是一项耗资159亿英镑的项目,旨在建设穿越伦敦中部(Central London)高频铁路连接线,直接连接英国的主要经济中心。这是自英吉利海峡隧道铁路以来英国最大的基础设施项目,也是目前欧洲最大的基础设施项目。该项目始建于2009年,预计于2019年秋通车。该项目包括一条蔓延118公里(73英里)的铁路线网络和10个新站点,铺设50多公里的新轨道,并在现有基础设施上进行升级,例如站台加长。该铁路线呈东西走向,西一东二,如图3所示。

       项目早期,出于性能和经济效益(尽可能地减少未来的养护需求)的原因,而做出的理智决策是可能情况下桥梁建设中采用S355级耐候钢。例如新建的斯托克利天桥(位于伦敦西部的希灵顿),为从希思罗机场出发,穿越大西部主干线(由5条轨道组成)的列车提供单独的路线。

       钢桥的主要部分长约118米,重约1190吨。该桥采用弯曲半径310米的华伦式桁架设计。值得注意的是,自伊桑巴德布鲁内尔时代起,它就已经是伦敦以西最大的单跨铁路桥。此桥建于堤坝之上,而后并入紧邻其顶推点的轨道,其有两个连续的桥跨,分别长77.4米和40.4米,由东、中、西三个桥墩支撑。为了便于顶推,桥梁制成单跨,再添上下型钢弦杆将桥梁连接在一起。每个桁架宽7.6米,高8米,使用钢板构制成箱形型钢,如图4。下弦杆尺寸通常为1.2米×0.6米,斜构件和上弦杆构件构成0.6米×0.7米的箱形型钢。

图4 斯托克利桥天桥图片

图4 斯托克利桥天桥图片

       耐候钢由意大利供应,焊接型钢由Martifer公司(罗马尼亚)预制,然后运往英国进行最终装配。总共有275个零部件运往现场并用螺栓固定在一起。为确保形成一致的防护层,所有螺栓、螺母和焊条也都采用耐候级钢材制成。整个桥梁结构长1.69公里(1英里),于2017年1月投入使用。


曼彻斯特Ordsall Chord铁路桥

       该项耗资8500万英镑的铁路桥项目是英国铁路升级计划的一部分,属于英国北部铁路重大项目(GNRP)。虽然奥地索科德铁路仅是一条长340米(双轨)的铁路轨道,但却是连接曼彻斯特维多利亚站、牛津路和皮卡迪利各站的重要线路。该项目包含若干铁路钢桥和一座人行天桥。该项目最引人注目的是,不对称网络设计的跨艾尔韦尔河(River Irwell)铁路拱桥,这在英国是首例。经过精心设计,考虑了铁路线路经由的敏感环境、住宅以及多处与遗产类型结构交界的周围环境情况。建筑师还想突出的是跨河建造一个城市新地标结构。这便催生出了飘动丝带设计,旨在与周围建筑物达到相得益彰的效果。网络设计则是绳索吊杆纵横交错的网络模式,但是这样提供了更高效、更坚固的结构,因为荷载比传统的弓弦式拱桥更均匀。

       钢拱桥采用耐候钢制成,长89米,重300吨,其跨越行人天桥的部分设置为倾斜。每个拱门向内倾斜6°,并且横截面几何形状也变化直到达到桥梁设计的预期锥形效果,如图5所示。横截面高度沿其长度从2.5米减小到0.7米。每个拱门包括六个预制型钢结构,这些型钢结构在现场组装(焊接),如图6。该桥的设计寿命是至少120年。整个奥地索科德铁路需要约3800吨钢。耐候钢板均从欧洲大陆采购。

图5 横截面拱形几何

图5 横截面拱形几何

图6 拱肋安装

图6 拱肋安装

       此项目独特之处在于,从一开始就采用了主要承包商和钢铁制造分包商早期参与的协作方法,同时使用广泛的建筑信息模型(BIM)和Tekla解决方案。这种方法既节省了时间和成本,也保证了设计构建效率。奥地索科德铁路桥于2017年11月正式通行。


伊登河公路桥

       该项目是一个三跨多梁复合型公路钢桥,这种公路桥在英国各地的应用越来越广泛,尤其是跨航道和生态区的桥梁。桥长132米,主跨长64米,两端通过长34米的边跨连接到河岸。该桥建于2006年,位于坎布里亚郡斯坦顿附近的伊登河上,采用耐候钢横梁,以确保伊登河周围的特殊生态环境所要求的最低养护要求。此外,外梁上有涂漆,有助于桥梁与周围景观融为一体。

自该桥建造以来,所需钢结构达1350多吨,这些钢结构均在河岸两侧进行组装之前,在场外制造并分段运输。横梁部分在安装期间暂时连接在一起,最终焊接连接就位。桥面板由四根主梁组成,总宽度为25米,全部由S355J2W级钢板(EN 10025-5)制造(焊接)而成,桥墩和中心跨度处的深度为1.6米,梁腋处深度为3.3米。图7为制造过程中的主梁以及涂漆外梁。

图7 伊登河桥的耐候钢梁

图7 伊登河桥的耐候钢梁


A15林肯东旁道铁路桥

       A15林肯东旁道是一条长7.5公里的单行道,耗资约1亿英镑,旨在完善林肯市的基础设施。该项目的一部分需要通过新插入一条9米宽的铁路桥改变现有铁路线,新建公路从铁路下方穿过。该项工程需要拆除90米的现有轨道,600吨预制铁路桥在72小时铁路线封闭期间滑入。该桥于2017年10月安装,整个道路项目计划于2019年10月完工。

       桥梁主体由两个定制的107吨钢梁组成,这些钢梁根据BS EN 1090-2执行类3中的要求,在现场制造并在吊装就位前在现场组装。40.5米长的桥面板梁采用符合BS EN 10025-5的S355J2W级耐候钢板制成,钢梁制造耗时6个月。为了尽可能地减少将来的养护需求,并消除结构涂漆(及将来涂漆)的需求,结构上的张力控制螺栓等所有嵌固件均采用耐候钢制成。图8所示为现场安装前后的铁路桥。

图8 A15林肯东旁道铁路耐候钢桥安装

图8 A15林肯东旁道铁路耐候钢桥安装


更高强度的耐候钢材

       虽然自美国开展第一项调查研究工作研制出耐候钢已过去100多年,但只是在过去的20年中,耐候钢才广泛应用于英国的公路桥和铁路桥。根据北美发布的大量数据以及2001年英国公路标准网站发布的《道路与桥梁设计手册》(编号:BD 7/01)的修订内容,耐候钢如今已成为限制养护成本和维修可达性的首选钢材。

       在英国,目前多数桥梁均采用S355J2W和S355K2W级钢板(EN 10025-5)制成的钢梁,使用等效的耐候性制造耗材。与已经涵盖了70W和100W耐候级高性能钢(HPS)的ASTM标准不同,尽管欧洲领先的钢材制造商已经在市场上推广了420MPa和460MPa级的高强度耐候钢,但欧洲统一标准EN 10025-5:2004仍仅涵盖了S355级。不过,预计2018年修订版10025-5标准最终将涵盖这些新等级的耐候钢;结构工程师便能利用更高强度的耐候钢,进一步减轻结构的重量(正如传统S420和S460级耐候钢的应用)。

图9 应用于建筑结构物的“Corten型”钢材

图9 应用于建筑结构物的“Corten型”钢材

       除了使用梁和型钢成品外,几家领先的钢厂还能够提供轧制耐候性梁和热成型空心型钢。这将进一步增加桥梁结构中采用这种钢材的吸引力,正如耐候钢在建筑施工行业中的应用,其中“corten型”钢材已作为建筑特点和更多建筑物结构元件成功应用于该行业。

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