不锈钢桥架设计

    不锈钢本身耐腐蚀。在氧气存在的情况下，它们的表面会自发形成一层紧密附着的氧化铬保护层，这意味着它们在没有保护涂层的情况下，可以在各种环境中令人满意地工作。不锈钢的这种内在特性对于桥梁来说尤为重要，因为在腐蚀性环境中，这种桥梁通常需要较长的使用寿命和最少的维护。

    有各种各样的不锈钢，具有不同程度的耐蚀性和强度。双相不锈钢由于其优异的强度和  耐腐蚀性，是桥梁结构件中使用最广泛的不锈钢，而奥氏体不锈钢主要用于非结构件。由于特定不锈钢合金的耐蚀性水平主要取决于其组成元素，因此需要谨慎地为特定的使用环境选择最合适的合金。

     图 1 显示了多伦多的一个加里森过街天桥。双相不锈钢 S32205 用于建造两座系杆拱桥， 每座桥横跨两条铁路走廊，跨度约为 160 英尺（50 米）。桥梁与混凝土桥面共同作用。

图 1 加拿大多伦多的加里森过街天桥

材料特性

机械性能

不锈钢的应力-应变行为的特点是逐渐屈服， 没有明确的屈服平台， 和显著的应变硬化。因此，屈服强度通常定义为 0.2%的偏移永久应变。双相不锈钢具有与碳钢相似的延展性，而奥氏体不锈钢的延展性是碳钢的两倍。表 1 比较了双相不锈钢和奥氏体不锈钢与碳钢的规定的最小机械性能。

表 1:不锈钢和碳钢板规定的最小机械性能

    不锈钢由于其优异的延展性（尤其是奥氏体合金）和应变硬化特性，可以在高速下吸收相当大的冲击而不会断裂。奥氏体不锈钢不表现出延性到脆性转变;随着温度的降低，其韧性略有降低。虽然双相不锈钢表现出像碳钢一样从韧性到脆性的转变,他们有足够的韧性对大多数低温应用，如贫双相不锈钢（即合金化程度较低）通常显示平均韧性 30 英尺-磅（40 焦耳）母材和焊缝金属在-58°F(-50°C) 1.2 英寸（30 毫米）厚材料。合金含量越高的复合材料表现出更好的韧性。

热性能

    奥氏体和双相不锈钢的导热系数约为碳钢的 25%。虽然双合金的热膨胀系数是类似于碳钢,对于奥氏体合金高出约 30%(见表 2)。因此，在奥氏体不锈钢与双工或结合使用碳钢、不同热膨胀的影响必须考虑设计。此外，奥氏体合金的高热膨胀率加上其相对低的导热系数可能会导致更大的焊接变形。

表 2:不锈钢和碳钢的热性能

设计

合金选择

    选择不锈钢的主要原因之一是利用其耐腐蚀性能，这确保了长期耐用性和最小的维护。在奥氏体和双相不锈钢家族中，有广泛的耐蚀性。为了选择合适的合金应用，有必要对使用环境进行表征，以确定暴露于盐水或除冰盐中的氯化物的风险等问题。美国新不锈钢设计规范 ANSI/AISC 370-21[1]的评注对此给出了指导。AISC 设计指南 27 不锈钢结构[2]作为 AISC 370 的手册，建议不同的不锈钢合金在不同的环境下的耐久性。

S32205 是桥梁结构构件中最常用的标准双相合金，与普通奥氏体不锈钢或贫双相不锈钢相比，它具有显著的耐腐蚀性能。贫双相不锈钢如 S32003, S32101, S82011，和 S32202 提供类似或优于奥氏体不锈钢 S31603 的耐蚀性。

构件设计

    虽然不锈钢的结构性能与碳钢非常相似，但其非线性应力应变特性意味着不锈钢构件需要不同的设计规则。非线性主要影响局部和整体的屈曲响应，而应变硬化影响屈服响应。尽管不锈钢构件与碳钢相比可能会表现出更大的变形，但双相不锈钢梁的挠度只会比等效的碳钢钢梁大几个百分点。

连接设计

    一般来说，奥氏体和双相不锈钢螺栓可以采用碳钢螺栓连接的相同规则，但为防止过度  变形，对轴承要求不同的规定。螺栓的耐腐蚀性能应相当于或优于母材的耐腐蚀性能，即至少采用奥氏体 S31600/S31603 螺栓连接贫双联板，采用 S32205 双螺栓连接标准双板。当不锈钢与碳钢螺栓连接时，应通过电气隔离来防止不锈钢与碳钢双金属腐蚀。例如，接合处两侧的绝缘垫圈和衬套或涂在碳钢部件上的保护涂层有效地将这两种金属分开。

不锈钢滑移临界螺栓组件的蠕变和应力松弛引起的预紧力损失并不明显高于碳钢等效  连接。AISC 370 给出了滑移临界连接的设计规则，不同不锈钢表面的滑移系数不同。安装前验证中使用的安装参数可以使用 AISC设计指南 27 中提供的螺栓拧紧确认程序来确定。碳钢焊接连接的设计规则一般也适用于不锈钢。应选择一种兼容的消耗品，以确保焊接金属的耐蚀性至少与被焊接材料的耐蚀性相同。当不锈钢与碳钢焊接时，填充金属应过度合金化，以避免开裂。为了防止双金属腐蚀，碳钢上的涂层应该延伸到焊缝和不锈钢上至少 2 英寸(50 毫米)的距离。

疲劳

    焊接接头的疲劳行为主要取决于焊接几何形状，而不是钢的类型。碳钢的设计规则可以  安全地应用于奥氏体和双相不锈钢。

案例研究 1:Cala Galdana 大桥

这座桥建于西班牙的梅诺卡，是欧洲第一座不锈钢公路桥。这座桥的跨度为 180 英尺(55 米)，宽 43 英尺(13 米)(图 2)。

图 2 Cala Galdana Bridge, Menorca，西班牙

    桥梁需要一种高耐用的材料，以实现长寿命和低维护要求。因此，双相不锈钢 S32205被选为桥梁的主体结构，其额外的好处是其高强度。

    主要结构由两个平行拱、两个纵梁和横向梁(间距为 6 英尺(2 米))组成，并与钢筋混凝土甲板一起工作。拱门有一个三角形的横截面，固定深度为 28 英寸(700mm)。纵向和横向梁由尺寸为 20x39 英寸(500x1000mm) 的矩形空心截面制成。的前者和高达 10x22 英寸(250x570 mm)。所有的截面都是由厚度从 0.4 英寸到 1 英寸(10 毫米至 25 毫米)[3]不等的钢板焊接而成。栏杆也由双相不锈钢 S32205 制成，而奥氏体不锈钢 S31603 用于甲板上的车辆和行人区域之间的管状屏障。

    这座桥于 2005 年安装，并在使用 10 年后进行了检查。双相不锈钢 S32205 性能良好， 无腐蚀。

装配

    不锈钢桥的结构构件通常由钢板焊接成工字钢，而非结构构件通常由冷弯钢板或空心截  面制成。钢板可以直接从不锈钢生产商采购，尺寸为项目特定，以最大限度地减少浪费。

    不锈钢并不是一种很难处理的材料，尽管它在某些方面与碳钢不同，应该进行相应的处理。许多制造和连接过程类似于那些用于碳钢，但不锈钢的不同特性需要在许多方面特别注意[4] [5]。在项目早期，设计师和制造者之间建立有效的沟通很重要，以确保采用适当的制造方法。在可能的情况下，最好使用具有结构不锈钢工作经验的制造商。

通常用于弯曲、矫直或切割碳钢板或薄板的机械制造技术也可以用于不锈钢。但是，由于不锈钢的加工硬化速率较高，双相不锈钢的强度也较高，因此对功率的要求要大于相同厚度的碳钢。此外，在弯曲或矫直不锈钢时，应考虑到回弹变形。

    奥氏体不锈钢通常很容易用普通工艺焊接。为了减少奥氏体不锈钢比碳钢更大的焊接变形，应尽量减少热输入。双相不锈钢可能不太容易变形，但需要控制焊接过程中的最小和最大热输入。奥氏体不锈钢和双相不锈钢通常不预热，但必须特别注意，通常通过焊后酸洗以恢复焊接区域的耐蚀性。

所有制造过程应在清洁的环境中进行，使用专用于不锈钢的工具，以避免受到碳钢和铁的污染，从而增加表面腐蚀的可能性。如果在制造完成后存在残留污染的风险，可以用酸配方喷洒结构，然后冲洗。在储存和处理不锈钢时也需要更加小心，以避免损坏表面光洁度。

案例研究 2:置换 Pooley 桥

    英国第一座不锈钢公路桥于 2020 年在湖区的普尔利桥安装，该桥是联合国教科文组织世界遗产。它取代了五年前在风暴中被冲走的石桥。

    新桥是一座跨度为130 英尺(40 米)的敞开式拱桥，承载着一条单车道道路和两条人行道， 宽度在 25 到 31 英尺(7.5 到 9.5 米)之间。

焊接的剪切螺柱使用 5/8 英寸（15 mm）厚的不锈钢板与混凝土甲板共同作用，从而使甲板的整体厚度最小化。单跨避免了在河中设置桥墩的需要，从而降低了洪水风险。

    高强度的双相不锈钢有助于将桥的重量降至最低。整个结构由 88 美吨(80 英吨)的不锈钢和 240 美吨(220 英吨)的混凝土组成，在最短的时间内完成了一次吊装。桥架采用哑光处理，将焊缝打磨平整，然后喷砂处理整个表面，以达到均匀的外观。

图 3 更换 Pooley 桥，主结构和扶手采用双工不锈钢 S32101

生命周期成本和可持续性

    不锈钢最初的原材料成本要比碳钢高得多。然而，去除耐腐蚀涂层可以节省初始成本。 此外，双相不锈钢优于传统碳钢的强度带来了重量的节省，这在一定程度上抵消了较高的材 料成本，并提高了可施工性。

    由于腐蚀，无需进行涂层维护或部件更换，可以节省长期维护成本，远远超过最初的成 本差异。这对于铁路桥、繁忙交通地区或水上的桥梁尤其重要，因为这些桥梁的维护受到限 制，或者桥梁临时关闭的成本很高。减少公路桥维修的间接好处包括减少交通中断和减少与 固定交通相关的温室气体微粒排放。 

    不锈钢是 100%可回收的，可以无限期地回收成新的高品质不锈钢。80 - 90%的不锈钢 在使用寿命结束时被捕获用于新的不锈钢或碳钢。所有类型的不锈钢的典型回收含量至少为 60%。

产品、设计和制造标准 

    在美国，不锈钢结构的设计、制造和安装的技术要求包含在新的规范 ANSI/AISC 370 不锈钢结构建筑规范[1]中。AISC 313 结构不锈钢标准操作规范[6]是一个配套的规范，它规定 了施工团队每个成员的职责以及制造商和安装人员所需的质量标准。AISC 设计指南 27 给出了一系列结构截面的实例、截面特性表和构件能力表。 

    相关的 ASTM 产品规格包括 ASTM A240 板[7]，ASTM A276 棒材和形状[8]，ASTM 1069 激光焊接成型形状[9]。这些规范给出了用于结构应用的不同不锈钢的化学成分和技术要求。 

    最常见的标准直径小于 1½英寸(38 毫米)。奥氏体不锈钢螺栓是 ASTM F593[10]。还有其 他标准可用于指定大于 1½英寸的螺栓直径。ASTM A1082/A1082M[11]涵盖双相不锈钢螺栓。

案例研究 3:Söderström 铁路桥 

    斯德哥尔摩的这四座铁路桥最初建于 1957 年，采用碳钢焊接的上层结构。这些桥长 630 英尺(192 米)，使用频繁，平均每三分钟承载一列火车。2017 年开始更换广泛腐蚀的碳钢构 件，新桥梁选择了双相不锈钢 S82441。

    LCC 的一项研究表明，尽管双相不锈钢更换的成本是碳钢更换成本的两倍（460 万美元 对比 230 万美元），最初的投资是合理的，因为碳钢结构在 120 年的使用寿命中的维护成本 远远高于初始建筑成本的差异，从而节省了数千万美元。重新粉刷的成本特别高，因为它需 要广泛关闭繁忙的铁路线，人员在水上电气化铁路上工作[12]。 

图 4 Söderström 铁路桥，长度为 52-75 英尺（16-23 米）

参考文献

[1] ANSI/AISC 370 不锈 钢建 筑规 范， 美国 钢结 构协 会， 芝加 哥， 2021 年

[2] 总 维持 成本 设计 指 南 27 结 构不 锈钢 ，美 国钢 结构 协会 ，芝 加哥 ，2021 年

[3] 结 构 不锈 钢 – 案 例研 究 02：卡 拉加 尔达 纳 桥，钢 结构 建筑 学 会 ，2010 年 

[4] IMOA，《双 相 不锈 钢制 造的 实用 指南 》， 第 3 版， 国际 钼协 会， 英国 伦敦 ，2014 年 

[5] IMOA， 《 制 造 奥 氏 体 不 锈 钢 的 实 用 指 南 》 ， 第 2 版 ， 国 际 钼 协 会 ， 伦 敦 ， 英 国 ， 2021 年

[6] AISC 313 不锈 钢建 筑标 准规 范， 美国 钢结 构学 会， 芝加 哥， 2021 年

[7] ASTM A240/A240M 压力 容器 和一 般应 用用 铬和 铬镍 不锈 钢板 、板 和带 的标 准规 范

[8] ASTM A276/A276M 不锈 钢棒 材和 形状 标准 规范

[9] ASTM A1069/A1069M 激光 和激 光混 合焊 接不 锈钢 棒材 、板 材和 型材 标准 规格 

[10] ASTM F593 不锈 钢螺 栓、 六角 帽螺 钉和 螺柱 标准 规范 

[11] ASTM A1082/A1082M 特殊 用途 高强 度沉 淀硬 化和 双相 不锈 钢螺 栓连 接标 准规 范

[12] Mameng， S.H.， Backhouse， A.， McCray， J. and G.， 双 相不 锈 钢 作为 长 寿 命桥 梁结 构的 结构 材料 ，IABSE 研讨 会， 吉马 良斯 ，葡 萄牙 ， 2019 年