美国无涂层耐候钢桥的进阶

耐候钢作为桥梁的材料，有着悠久的历史。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，并尽量降低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、承包商和公众提供优势。

UWS桥梁的设计需要考虑桥梁所处的总体地理环境，即宏观环境；以及桥位所在地的地域性，即微观环境。宏观环境和微观环境相互作用，决定了桥梁所面临的环境条件。

就桥梁位置而言，大多数宏观环境、微观环境以及它们的组合都会使得UWS具有良好的性能。宏观和微观环境都不利的情况下不推荐使用UWS，或者在没有周到细致的维护计划或需要牺牲厚度的情况下，不推荐使用UWS来达到防腐的目的。表1提供了此类考虑因素的大致概况。

这里需要强调的是，绝大多数的桥址都属于宏观和微观环境中的“其他所有情况”类别，因此，建议按照指南中提供的设计指导，直接使用UWS。表1中还强调了在高湿状态的环境和沿海环境，这两类宏观环境中，应该更谨慎地考虑使用UWS。如表中总结的那样，根据宏观和微观环境的相互作用，通常也有三种可能的替代建议。

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；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）；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）会导致产生额外的水分，这可能是个问题。其他可能改善UWS I型梁桥性能的建议，主要围绕桥面悬空宽度、梁间距、翼缘过渡和维护。

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。

封闭区缺乏典型的空气流通，仍然可能导致长时间的潮湿。对于大到需要检查门的部分，提供通风门可以帮助空气流通，建议在可行的情况下提供通风门（图1）。

图1 用于通风的通道门示例

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。

桁架和其他结构类型，包括倾斜的构件，其优点是这些构件大部分都暴露在外，没有主梁部件的庇护，也因此拥有了更多的阳光、空气流通和暴露在雨水中的好处，而雨水为钢表面的污染物提供了冲洗作用。但暴露在雨水中的代价是，需要仔细考虑这些水分的排水路径，并消除积水的可能性。当一个倾斜的构件与相邻的构件连接时，经常会出现积水的情况。

图2 不同倾斜构件的排水路径

弯曲的板梁系统由于弯板系统中使用的板材相对较薄，与其他类型的构件相比，在这些结构类型中保护意外腐蚀的余地较小。它们的几何形状也是如此，有可能出现未被发现的积水。因此，在弯板系统中应谨慎地使用UWS，并考虑文中对封闭部分的建议。

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，否则就尽可能地减少伸缩缝的数量。这对于所有的桥梁类型，不管是带轨道的桥梁还是其他类型，都是一样的。无缝桥梁在其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接缝的桥梁低。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能归因于伸缩缝的问题（腐蚀、乘坐性、维护）。最近，一些长度达500英尺的桥梁已被建造为完全无接缝。

当UWS桥梁的设计、制造、施工和维护符合指导原则时，在结构的生命周期中，钢材的厚度损失应该是可以忽略不计的，在绝大多数情况下，可以安全地忽略构件几何形状的设计。

一般来说，这些策略比设计或依靠牺牲厚度要好得多。在腐蚀性未知或已知较高的环境中，可以增加一个牺牲厚度以确保足够的结构能力。通常情况下，本文所建议的牺牲厚度要比未来的维护油漆费用更经济。因此，在对UWS的性能有很大不确定性的环境中，牺牲厚度可以是一种经济的选择。当认为有必要时，建议将1/16英寸作为牺牲厚度的典型值，这是基于对表1中列出的宏观和微观环境中的UWS桥梁的性能与国际标准化组织（ISO，2012）制定的环境分类的性能进行比较，Albrecht等人（1989）对UWS进行了调整。根据这个“高”腐蚀环境的定义，预计一块UWS板将经历高达0.0008英寸/年的截面损失（假设板的两个表面都暴露在环境中）。因此，在这些情况下，1/16英寸的腐蚀余量预计可以在75年的使用寿命内提供足够的厚度。对于更长的100年使用寿命，预测的额外厚度损失小于0.02英寸（相对于没有腐蚀余量的基本厚度），或大约0.08英寸的总厚度损失。相对于这是在ASTM标准规定的所有板材厚度和宽度的制造公差范围内的事实，这样的厚度损失幅度被认为是可以忽略的。

图3 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）

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4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，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类似的情况。

图4 木主梁内保留水分（左图），这可能导致油漆起泡（中间）和加速腐蚀UWS（右图）

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，如果在装饰板和主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。

主梁悬挑宽度建议在符合LRFD规范中主梁设计参数的情况下，主梁悬挑到最大的实际程度，并考虑到最佳自重和施工性问题。这与之前讨论的桥面类型的原因相同，即为UWS上部结构提供庇护。狭窄的悬挑会导致水因风吹雨打而积聚在底部翼缘的上侧。毛细作用会导致这些水被吸到腹板上，从而导致底翼缘和腹板出现潜在的加速腐蚀情况。

具体来说，对于工字梁桥，建议悬挑的宽度在可行的情况下至少要等于外梁的高度，否则要尽可能的宽。另外，在桥面悬挑中应提供排水和滴水珠，以防止水出现在楣梁上。

图5 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）

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，并影响检查。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。

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，这对弯梁桥特别重要。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6 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7 在切实可行的情况下，为保证一般的施工性和腐蚀性，翼缘厚度的过渡是首选

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中列出了螺栓、螺母和垫圈的适当组合。

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。

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，并且随着更多的测试将继续得到支持。

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。

50多年来，桥梁业主一直依靠UWS在不同的环境中提供卓越的性能，它的好处远远超过美学。UWS具有固有的防腐蚀功能，不需要任何涂层，因此，与有涂层的构件相比，钢材可以更快地做好安装准备。这就缩短了施工进度，甚至在施工结束后的很长一段时间内，由于维护需求的减少，它可以最大限度地减少对交通的干扰。

除了通过消除涂层节省成本外，UWS也是一种对环境更友好的选择。油漆少就意味着有机化合物被释放到大气中的量更少。另外，不需要担心密封和处理去除的油漆，也不需要担心用于表面处理的研磨介质。

随着UWS在桥梁方面长期成功的历史，许多实现良好性能的最佳实践已经建立起来。大量的研究已经证实了在桥梁实践中使用UWS的最佳结果，现在通过新的无涂层耐候钢指南，可以为更多的UWS桥梁提供参考例证。