美国无涂层耐候钢桥梁参考指南（上）

美国无涂层耐候钢桥梁参考指南

全国钢结构桥梁联盟

? AISC 2022

1 引言

耐候钢作为桥梁的材料，在不同的环境中有着悠久的成功历史，性能优异。自20世纪60年代以来，美国一直在使用无涂层耐候钢（UWS）桥梁，减少业主的初始和长期维护成本，同时提供美观的桥梁，并尽量减少因减少维护需求而对交通造成的干扰。虽然不是每座桥都适合使用无涂层钢，但绝大多数的桥梁都可以利用无涂层钢为业主、设计师、承包商和公众提供的优势。

对大多数业主来说，UWS最重要的好处是它在许多环境中都能提供良好的、具有成本效益的性能。由于UWS已经在公路桥梁上使用了50多年，许多实现良好性能的最佳实践已经确立。众多研究表明，根据各种性能指标，使用这些最佳实践，UWS具有良好的性能。

图1.1.1-2-UWS提供了典型梁式桥梁的最小首次成本（这里用2020年数据的盒和须图表示）和生命周期成本。注：inorganic zinc silicate (IOZ) coating :无机硅酸锌（IOZ）涂层；HDG：热侵锌（资料来源 NSBA（2020））

图1.1.2-1-WS因其美观性而经常被选中，特别是在风景区

2 设计建议

图2.1-1--基于宏观和微观环境的UWS使用的一般概念

表2.1-1-关于在不同环境下使用UWS的建议概述

表中1参见第2.2.3.1节关于定义高湿润时间环境的指导。2参见第2.2.3.3节关于沿海环境的定义指南。3参见见第2.3.3节中对该微环境进行分类时应考虑的标准。4参见第2.3.4节了解对该微环境进行分类时应考虑的标准。5参见第2.3.2节，提供了解对该微环境进行分类时应考虑的标准。6参见第2.4.3节，关于提供牺牲厚度的详细建议。

2 .2  位置——宏观环境

在确定一个具体项目是否适合使用UWS的第一步是考虑桥梁所处的宏观环境。宏观环境通常被标记为三个相对广泛的类别之一：农村、工业或海洋。在这个分类框架中，城市有时会被添加为第四个独立的类别。

本节中有关一般地点的建议是根据三个有影响的环境参数--氧化硫、氯化物和湿度来安排的。然后讨论了沿海环境所关注的氯化物和湿度的组合。

2 .2.1  氧化硫

美国的大气污染水平通常很低，对耐候钢的性能影响可以忽略不计，尤其是在采用清洁空气标准后。所有已知的直接或间接量化使用UWS的硫酸盐阈值的现有标准都是指高于P3类（根据ISO 9223标准）的污染水平，这相当于硫酸盐浓度为250微克/立方米。目前美国环保局规定的二氧化硫最大排放限值是200微克/立方米。

由于这些原因，以及美国的桥梁所有者没有报告任何有问题的UWS桥梁是由于靠近工业场地，以前对 "工业环境 "的考虑目前与美国的宏观环境无关。 因此，对于在美国地区层面上考虑使用耐候钢，不存在对工业环境的担忧。

2.2.1  氯化硫

通常影响桥梁的氯化物有两个来源——沿海环境中的空气中的氯化物和冬季道路维护中使用的除冰剂的氯化物。沿海环境中的空气中的氯化物是定义沿海宏观环境的一个重要变量，将在第2.2.3.3节中讨论。来自除冰剂的氯化物被认为是一种微观环境特征，随后在第2.3.3节中讨论。

2.2.2  湿度

湿度的三个要素与UWS桥梁的性能相关：潮湿时间、相对湿度和沿海地区。具有极高湿润时间的宏观环境和进一步增加湿润时间的微观环境的地方，会导致UWS的性能不佳。

正如下面所讨论的，潮湿的时间已经被分为五大类。这些类别便于考虑湿度是否过大，建议在湿度是唯一关注的变量时使用。然而，在沿海环境中，必须考虑湿度和氯化物之间的相互作用。在这种情况下，广义的湿润时间类别缺乏足够的细化，无法实际使用。因此，对于沿海环境的定义，全年相对湿度的变化已被证明与UWS的性能有更强的关联性。

2 .3 场地特点 ——微观环境

由于在任何一个定性的宏观环境类别中都缺乏一致的不良表现，因此提出了微观环境的概念，以描述在一个特定的宏观环境中UWS表现的变化。

2.3.1 现场评估

有了50多年使用UWS桥梁的经验，现在已经有了大量关于UWS可望表现良好的场地的知识基础。设计者应考虑上一节所概述的宏观环境因素，以及本节其余部分所讨论的具体场地特征，以确定所关注的场地是否包含任何严重的特征，从而不利于使用UWS。

2.3.2  植被、遮挡物和水分

应该对场地的地形进行评估，以确保场地不包含会导致钢材受到过度潮湿的独特特征。建议从这个角度来评估一个特定的场地，有两个考虑因素。

• 导致密集植被与UWS接触或几乎接触的自然地形（如图2.3.2-1所示），有可能阻止钢材有足够的干燥时间。

• 应避免其他可能遮挡阳光和/或提供过多水分的独特障碍物。

基于这些考虑，对于植被茂密和/或其他形式的遮蔽物严重限制阳光的微环境（如许多紧邻的高大建筑物，特别陡峭的山地），提出以下建议：

• 如果桥梁不会受到近距离植被和高湿润时间的影响（见第2.2.3.1节），以及在垂直净空不被视为低的情况下，可以使用UWS（见第2.3.4.1节）。

• 如果不满足前面的条件，则不建议使用UWS。

图2.3.2-2-淡水河谷桥梁周围的植被增加了局部湿度，并可能垃圾积聚，导致截面损失

2.3.2  高速路交叉口

在冬季道路维护中大量使用除冰剂处理的桥梁，相对于其宏观环境，会造成更严重的微观环境。这是因为来自底层道路的空气中含盐的道路喷雾聚集在上部结构上。在这些情况下，主要的影响变量似乎是所使用的除冰剂的数量（也许还有类型），这是由降雪量和交通量决定的。在没有大量除冰剂的情况下，高速公路交叉口并不构成对UWS桥梁的担忧。

路面与上部结构之间相对较小的垂直净空和/或路面与桥端或其他垂直场地特征之间的水平净空，加剧了大量使用除冰剂的影响。水平和垂直净空有限的场地经常被称为 "类似隧道 "的情况。然而，在没有大量除冰剂的情况下，这种间隙似乎并不损害UWS的性能。

2.3.3.1  除冰剂的数量

所有UWS性能差的高速公路交叉口的除冰剂使用率都特别高。在这个微观环境中，当除冰剂的使用率不是很高，并且实施了适当的细节设计和维护措施时，很少（如果有的话）存在UWS性能差的例子。

不幸的是，除冰剂的使用通常只在大区域内进行量化（例如州或县的平均数）。通常不可能确定任何特定桥梁下的除冰剂数量。这使得我们很难提供可能引起关注的除冰剂数量的阈值。

相反，已知的是，除冰剂的使用主要是降雪量和交通量的函数。随着这些数量的增加，除冰剂的使用量也会增加。这两个指标可用于一般定义 "极端除冰剂使用 "环境。利用这两个指标，再加上当地人员的工程判断和经验，一般可以确定一个特定的地点是否会收到大量的除冰剂。

在大多数情况下，建议周到地使用UWS。对于处于极端除冰环境中的桥梁，使用牺牲性厚度和/或制定维护计划可能是可取的。如果垂直和水平净空包含加剧除冰剂效果的特征，则特别建议使用这种方法。

2.3.3.2  纵向净空

当提供相对较小的垂直净空时，在严重撒盐的道路上的高速公路交叉口有时会被观察到性能不佳。对于 "小 "的量化，俄亥俄州和弗吉尼亚州交通部（分别为ODOT和VDOT）已经独立评估了经过除冰剂处理的公路上的垂直净空与UWS性能之间的关系。因此，这两个机构都制定了指导方针，当垂直净空为20英尺或更小时，限制在此类公路上使用UWS。虽然这个数值可能是保守的，但在缺乏更精确的数据的情况下，这里建议，当微环境被定义为 "极端除冰环境"，并且垂直净空小于这个阈值时，建议提供一个牺牲厚度（见第2.4.3节）和/或一个定期维护计划（见第5节）。

2.3.3.3 水平净空

如果水平净空降低到建议的30英尺以下，并且微观环境被定义为 "极端除冰环境"，那么增加考虑提供牺牲性厚度和/或维护计划可能是谨慎的。 如果水平净空下降到20英尺以下，并且微环境被定义为 "极端除冰环境"，则强烈建议采用牺牲性厚度和/或维护计划。 虽然这两个净空建议都是基于有限的或经验性的数据，但它们可能是保守的，预计会导致良好的UWS性能。

2.3.3.4  隧道效应

垂直和水平净空的组合与道路高程的变化可以创造出所谓的隧道效应，这也可能创造出一个更积极的微气候。立交桥结构的宽度也被假设为影响隧道效应的一个变量，但目前还没有明确的支持证据。由FHWA Turner-Fairbank实验室资助的一项正在进行的研究正在调查桥梁的隧道效应。然而，结果目前还没有出来。同时，第2.3.3.1到2.3.3.3节中的建议已经考虑到现实环境中可能出现的隧道效应。这些建议可以和工程判断一起用来评估可能的隧道效应。

2.3.4 过水通道

从两个角度来看，水面上有限的垂直净空可能是有问题的。一个是相对于周围的宏观气候，它可能会导致局部的潮湿时间增加，这对于之前讨论的UWS桥梁来说是特别值得关注的。另一个是洪水影响上部结构的可能性增加，这对所有的桥梁都是一个问题。应使用工程判断来确定垂直净空是否对特定地点有影响（即，"低"）。

从湿润时间的角度来看，具体的场地条件可能会导致小的垂直净空，需要对局部湿度加以关注。因此，提供以下信息以帮助确定特定地点的 "低 "垂直净空。

FHWA指南目前建议，当停滞的、有遮挡的水面上有10英尺或更少的垂直净空，或在流动的水面上有8英尺或更少的垂直净空时，应谨慎地使用耐候钢桥。几十年来的应用表明，这些限制至少是足够的，而且很可能是保守的，以提供良好性能的UWS。

2.3.4.2 通过盐水环境

没有明确的证据表明，桥下水的盐度对UWS桥梁的性能有明显的影响。这种观察的一个例外是，如果桥下有明显的波浪作用和盐雾存在。穿越有盐雾的环境的桥梁，其耐腐蚀性能明显下降。

2.3.5 铁道口

一般来说，跨越铁路的UWS桥梁不需要特别考虑。然而，以前有两个具体的铁路交叉点，即铁路货场的桥梁和电气化铁路上的桥梁，已经引起了讨论。

由于硫磺排放，铁路货场中的桥梁下方有空转的柴油机以前就引起了关注。然而，没有证据表明这种理论上的担忧会导致UWS的不良性能。因此，对于铁路货场中的UWS桥梁，没有必要作出特别规定。

最近一份关于康涅狄格州UWS桥梁的报告发现，来自电气化铁路线交叉口的杂散电流可能影响现有桥梁的腐蚀率。虽然到目前为止的信息都是传闻，但建议在这种情况下确保适当的电气绝缘。

2.3.6  铁路桥和人行桥

虽然大多数的UWS桥是公路桥，但由于UWS的维护优势，它也是铁路桥的理想选择。与公路桥相比，铁路桥通常处于一个比相应的公路桥更良性的微观环境中。

UWS也可以成为人行桥的理想选择。与铁路桥类似，由于缺乏或减少使用除冰剂，人行桥的微观环境往往不如公路桥那样具有挑战性。在这些温和的环境中，建议使用UWS。然而，为了行人的安全，在气候较冷的地区，可以在人行桥面上使用除冰剂。在这些更具侵蚀性的微环境中，UWS人行桥的设计和细节应防止腐蚀。在侵蚀性的微环境中，应避免使用人行桥上常见的半透水桥面类型，如木板，以防止含盐的湿气直接排到下面的上部结构部件上。

2 .4 结构设计

2.4.1 结构类型

2.4.1.1 I-桁架式桥梁

在美国，大多数的钢结构桥梁和UWS桥梁都是I型梁桥。对于这种结构类型，主要考虑以下几点：

最常见的腐蚀问题发生在泄漏的接头下方；最佳做法见第2.4.2节。

在腐蚀性极强的环境中，可能需要在工字梁的底面翼缘和选定的其他水平表面上增加腐蚀余量（即牺牲厚度）；建议见2.4.3节。

当使用连续的桥面时，如组合连接的钢筋混凝土桥面，UWS I型梁桥的性能最好。不连续的桥面材料（如木质桥面、钢格栅桥面）会导致额外的水分，这可能是个问题。建议见第2.4.4节。其他可能改善UWS I型梁桥性能的建议在下面给出，主题是桥面悬空宽度、梁间距、翼缘过渡和维护考虑。

2.4.1.2 箱梁桥

相对于工字梁桥，箱形梁桥被认为具有更好的性能--当箱体内部保持干燥时。这种性能的提高是由于没有大的外部水平面可以聚集水和盐分。

为了实现UWS的预期性能，防止水渗入封闭部分的细节设计是必要的。然而，有效地密封部分防止进水是非常困难的，而且过去的经验表明，即使是小的开口也会由于冷凝和/或毛细作用而导致水的积累。同样地，提供排水孔和其他细节以促进排水是有益的，也是值得鼓励的。

图2.4.1.2--举例说明通风通道门

2.4.1.3 其他封闭部分

除了箱形梁之外，UWS桥梁还可能包含其他封闭部分，如用于桁架构件的箱体、墩帽、跨式栏杆和下部结构部件。建筑构件的内表面应至少涂上一层浅色底漆，以防止因积水和潜在的水分而加速腐蚀。

2.4.1.4 桁架桥和倾斜构件

图2.4.1.4-1-倾斜部件的排水路径需要考虑，中间和右边的照片显示了在没有提供排水系统的情况下，水在倾斜构件的端部积聚的后果

2.4.2 伸缩缝和无缝桥

因为所有类型的桥梁最大的性能问题之一是伸缩缝失效导致上部结构两端的腐蚀，最好的做法是尽可能地使用无伸缩缝的桥梁，否则尽可能地减少伸缩缝的数量。这句话对于所有的桥梁类型，不管是有轨电车还是其他类型，都是一样的。无缝隙桥梁在桥梁的整个使用年限中都是一种具有成本效益的选择，其初始成本和维护成本都比有缝隙的桥梁低。FHWA(1989)指出，"在可能的范围内，应该消除桥梁的接缝。在一些国家，无缝隙钢桥的长度已经达到400英尺以上（仅在两端有缝隙的长度达到1600英尺），没有发现因无缝隙而产生的问题。实际上，每座有伸缩缝的桥梁都有可归因于伸缩缝的问题（腐蚀、乘坐性、维护）。最近，长度达500英尺的桥梁已被建造为完全无接缝。

2.4.3 牺牲厚度

图2.4.3-1-完全暴露的UWS板在 "高 "腐蚀环境中的估计上限截面损失（即顶部和底部的总截面损失）

2.4.4 主梁类型

为上部结构构件提供水密庇护的主梁类型是一种最佳做法。这包括钢筋混凝土主梁和其他整体的不透水的主梁。如图2.4.4-1所示，这与木材主梁和开放式钢格栅主梁相反，后者允许水通过主梁，产生一个持续潮湿的环境。如果使用填充的钢格栅主梁，它们应该使用覆盖物或覆盖物，以防止通过钢和混凝土的界面发生泄漏，在没有覆盖物的情况下已经观察到了这种情况（图2.4.4-2）。

关于使用木质横梁的另一个问题是，它们是用化学品预处理的，可能对UWS有腐蚀性。在无法避免使用木质装饰板的情况下，如果在装饰板和大梁之间放置和保持胶泥条或防潮材料，就可以减轻这种担忧。

图2.4.4-2-混凝土填充的钢格板，没有过度填充，从底部看，显示钢格板的底板因水渗入钢格板和混凝土填充物之间而松动

图2.4.5-1-相对较窄的主梁悬挑（左）会造成底部翼缘的积水，积水通过毛细作用被吸入腹板，并加速腐蚀（右）

2.4.6 主梁间距的考虑

建议避免梁的间距限制空气流动以进行干燥操作，创造出更容易沉积残渣的区域，和/或影响检查。为了防止这些可能的问题，在可行的情况下，建议提供最小的梁间距，大约为6英尺或梁的高度，以较小者为准（例如，10英尺深的梁应至少间隔6英尺）。对于很少接触氯化物的铁路结构，使用更近的间距也不会产生负面影响。

2.4.7 翼缘几何形状和过渡

在选择翼缘的几何形状时，有三个主要考虑因素：结构效率、施工性和腐蚀性能。与腐蚀性能相比，翼缘的几何形状通常会对强度和施工性产生更大的影响。例如，更宽的翼缘会提供更多的抗扭转和小轴弯曲的能力，这对弯曲的梁桥特别重要（图2.4.7-1）。因此，在这些情况下，翼缘宽度的过渡可能比翼缘厚度的过渡更受欢迎。然而，对于一般的可施工性（AASHTO/NSBA，2020），推荐的做法是倾向于采用翼缘厚度过渡而不是翼缘宽度过渡。

因此，建议在选择翼缘的几何形状时，主要考虑强度和可施工性，其次才考虑腐蚀性能。

图2.4.7-1-从强度的角度来看，翼缘宽度的过渡往往会导致优化的设计，特别是对于弯曲的桥梁

图2.4.7-2-在切实可行的情况下，为保证一般的施工性能和腐蚀性能，翼缘厚度的过渡是首选

2.4.8 螺栓连接

耐候钢部件之间的螺栓连接应使用耐候钢专用紧固件。表2.4.8-1中列出了螺栓、螺母和垫圈的适当组合。关于异种金属连接中螺栓的电化学腐蚀问题，见第2.5.4节。

表2.4.8-1-与耐候钢一起使用的紧固件组合

在设计阶段也可以更广泛地考虑结构寿命期间的维护需求。例如，罗得岛州要求设计者为涂层钢结构提供推荐的腐蚀维护程序（Ault和Dolph，2018）。虽然UWS的维护需求较少，但这对设计者来说还是很有用的，因为它可以从腐蚀的角度进一步优化设计，并向业主提供关于设计中考虑的假设维护行动的明确预期。AASHTO公路桥梁服务寿命设计指南规范（Murphy等人，2020）包括服务寿命报告的细节，其中包含了为实现设计中假设的服务寿命所需的维护活动的细节。

2.4.10 疲劳

现行的AASHTO LRFD桥梁设计规范（2020）为UWS的基本金属和其他基本金属确定了单独的疲劳类别。这样做的理由是，UWS的腐蚀过程会导致更大的表面粗糙度和/或点蚀，这可能会导致疲劳寿命降低（例如，由于点蚀位置的应力集中）（Albrecht和Cheng，1983；Barsom，1984）。UWS基本金属被归类为B类，恒定振幅疲劳寿命阈值为16ksi，而所有其他基本金属被归类为A类，恒定振幅疲劳寿命阈值为24ksi。这些类别已经存在了几十年，并且随着更多测试的进行继续得到支持。

建议所有的连接和细节设计都是针对无限疲劳寿命（FATIGUE I）的情况，并尽可能地达到疲劳类别C'或更高。 然而，根据目前的规范，桥梁的设计是允许以有限疲劳寿命（FATIGUE II）为基础的。

虽然根据AASHTO LRFD中的现行疲劳条款设计的桥梁不会出现疲劳开裂，但一旦投入使用，疲劳开裂是有可能发生的。关于检查和裂缝检测的建议，请读者参考第4节。

2.5 详细内容

2.5.1 排水

当梁的末端与背墙整体浇筑时，梁的包裹部分应涂上保护性底漆（图2.5.1-1）。底漆或涂有底漆的涂层必须超过背墙-梁界面足够的距离，以防止背墙和梁暴露在大气中的温差引起的湿气积聚（冷凝水）。

图2.5.1-1-嵌入混凝土中的耐候钢部分的涂层保护

2.5.2 结构性连接

在有些情况下，在有限的范围内对UWS主梁进行喷漆可以提供很大的好处。这些情况包括：

• 靠近桥面接缝的梁端，不能消除接缝的地方
• 主梁嵌入混凝土中的区域（不包括桥面的顶部翼板）
• 封闭式构件的内部情况
• 主梁（fascia girder）的外侧可见表面，以利于美观

有涂层的紧固件，如热浸镀锌，通常应避免用于UWS连接，因为担心涂层的牺牲性腐蚀和随后底层碳钢的腐蚀（Albrecht等人，1989）。

图2.5.4.6.3-1给出了UWS附件中异种金属接触的例子。图中的两张照片显示了相同的金属接触，UWS和镀锌钢，但腐蚀性能不同。图2.5.4.6.3-1a中的连接正在经历电化腐蚀，而图2.5.4.6.3-1b中的连接则没有电化腐蚀的迹象。这很可能是由于之前在第2.5.4.5节中介绍的设计方法造成的：电腐蚀的连接经常暴露在湿气中，而不腐蚀的连接一直保持干燥。

图2.5.4.6.3-1-UWS不同金属附件实例：(a)电流腐蚀镀锌附件(b)非腐蚀镀锌附件