桥梁钢结构腐蚀现象的研究进展梳理

1.1  钢桥构件的腐蚀损伤

张素梅等^[1]采用通电加速腐蚀的方法，研究了对所受应力水平为0.3倍屈服应力工况下共60个Q420qD钢材试件的应力腐蚀特征，并与相应无应力试件对比，得出关于腐蚀速率、腐蚀形貌、表面分形维数和蚀坑形态的四方面结论：（1）有应力试件和无应力试件腐蚀速率均表现为先快后慢，在目标腐蚀率小于18%时，有应力和无应力腐蚀速率近似为常数，且有应力试件的腐蚀速率近似为无应力试件腐蚀速率的1.15倍；（2）有应力试件腐蚀形貌发展快于无应力试件，且最终腐蚀形态都以均匀腐蚀为主；（3）有应力和无应力试件表面分形维数变化规律相似，均在腐蚀初期迅速增大，之后出现减小-增大-减小的周期性上下波动现象，有应力试件的分形维数大于无应力试件；（4）蚀坑形态以球冠状为主，有应力和无应力试件单个蚀坑深度分布均能较好的服从正态分布规律；蚀坑径深比变化范围稳定于2~6之间，平均值在4附近波动。

Yuan, Yangguang等^[2]进行了斜拉索单根钢丝的均匀腐蚀试验，其过程可分为两个阶段，第一阶段为镀锌层的腐蚀，第二阶段是基体的腐蚀，在腐蚀的初步阶段在腐蚀的钢丝表面可以看到裂纹。腐蚀钢丝表面的微观形貌从致密的球形结构到多孔、中空和疏松的结构。第二阶段基体腐蚀时，腐蚀产物呈小团块状、蓬松状或花状絮状，随着暴露时间的延长，腐蚀产物呈层状、十字状和砂粒状。钢绞线横截面内钢丝的空间腐蚀变异性也受到护套破损形状的显著影响。随着暴露时间的延长，钢丝不同分层之间的整体腐蚀差异程度减小。矩形断裂形状、方形断裂形状的护套与环状断裂形状的护套相比会导致钢丝腐蚀具有更强的空间变异性。两个阶段的均匀腐蚀深度呈线性增加。均匀腐蚀深度的速率逐渐减小，然后趋于稳定。应用动态广义极值分布建立腐蚀导线的时间相关点蚀模型，单元最大点蚀因子可用Gumbel分布描述，位置参数和尺寸参数在第一腐蚀阶段呈指数下降，在第二腐蚀阶段呈线性下降，当护套整体老化或保护失效时，斜拉索相邻层中钢丝的腐蚀过程差异系数可用正态分布描述，平均值和变异系数分别为0.6758和0.2543。

Mihaela Iordachescu等^[3]研究了在环境作用和镀锌钢绞线的局部剥离作用下导致部分钢绞线在使用30年后疲劳性能的变化。从所进行的失效分析得出的结论是，发展在固定了斜拉索的桥塔内部的单一介质对暴露的钢绞线产生影响之后，钢绞线发生选择性溶解、点蚀、扩展微裂纹和锌涂层损耗，从而加强预应力钢的应力腐蚀，直至失效。在实验室中，对作用于钢绞线护套部分30年的侵蚀环境的潜在损伤进行了定性复制和定量增加，并评估了30年服役后其对钢绞线疲劳行为的影响。从护套失效的部分选取内部钢绞线的样本，对这些钢绞线的试样进行电化学加速试验，复制了在服役断裂附近的未护套部分发现的损伤特征。对这些试样和商用锚固件进行的疲劳试验表明，在30年使用和增加的适度人为破坏的条件下，只有高强度的氢电荷触发了受损区域钢丝的疲劳失效，并将疲劳寿命降低到规范值的二十分之一。受到饱和NaCl溶液或中等电化学氢电荷影响的钢丝和有护套保护的钢丝在30年的服役期后均可以满足规范规定的疲劳强度。

张晓东^[4]利用微观腐蚀疲劳机理(腐蚀坑和疲劳裂纹行为)与宏观腐蚀疲劳特性(腐蚀环境下材料的疲劳抗力曲线(S-N曲线))重合部分求出裂纹扩展腐蚀加速因子，以此建立了正交异性板腐蚀疲劳耦合机理理论模型。该模型对比已有文献疲劳试验的疲劳强度降低了48.92%，由此，发现考虑腐蚀疲劳耦合效应会大大降低正交异性钢桥面板的疲劳性能。利用ABAQUS建立了关于正交异性钢桥面板的腐蚀疲劳模型，得到其不同应力幅值的腐蚀疲劳寿命预测，考虑腐蚀比不考虑腐蚀疲劳强度降低了48.92%。考虑了不同位置从1mm到35mm的裂缝分布，同时探究了横隔板厚度、间距以及顶板厚度等参数变化对应力强度因子的影响。相较于横隔板间距以及顶板厚度，横隔板厚度的改变对应力强度因子影响较大。在环境腐蚀的作用下，正交异性板横隔板弧形缺口疲劳裂纹扩展寿命会减小70.4%。在湿热环境下的腐蚀因子明显高于其他环境。由此可见湿度和温度对腐蚀的速率影响较大。

图1  文献^[4]中横隔板弧形区域裂缝选取位置

Zhao, Zhongwei等^[5]研究了点蚀对H截面钢梁抗弯承载力的影响。首次研究了受拉翼缘和受压翼缘的腐蚀影响。采用随机有限元方法分析了点蚀的影响，提出了一种预测H型钢梁剩余弯矩承载力的方法，该方法主要研究了腐蚀深度、质量损失率与弯矩承载力的关系。结果表明，该方法能准确预测腐蚀钢的强度，之后可以建立腐蚀后H钢的本构模型。需要注意的是仅当几何尺寸满足《钢结构设计标准》（GB 50017–2017）时，方可采用该方法。

Zhao, Zhongwei等^[6]还研究了预测经受腐蚀的H梁抗剪承载力的分析方法，适用于小于1的任意材料的钢腹板，公式通过钢腹板腐蚀厚度，c、钢腹板厚度和质量损失率χ，计算出基于均匀腐蚀推导的折减系数，计算必须考虑点蚀的影响，如果以均匀腐蚀代替点蚀，则结果偏危险。该方法在预测腐蚀钢的强度方面取得了较高的精度。

1.2  钢桥连接的腐蚀损伤

图2  文献^[7]中十字接头和搭接接头腐蚀前后应力云图

Chen, Lin等^[8]实验模拟了重庆大气环境进行室内加速腐蚀试验后，20MnTiB高强螺栓力学性能和腐蚀性能的变化，螺栓的抗拉强度、屈服强度、伸长率等参数降低，出现明显的应力损伤。当材料处于有应力状态时，会发生明显的局部腐蚀加速。由于应力集中和腐蚀坑的综合作用，高强度螺栓容易产生明显的塑性损伤，降低抗外力变形能力，增加应力腐蚀倾向。

程海根等^[9]研究了腐蚀与火灾两环境因素对Q420qD高性能钢角焊缝十字接头疲劳性能的影响。对16mm厚的Q420qD钢板采用横向角焊缝十字接头，加速腐蚀试验和火灾处理后，发现十字接头在仅腐蚀处理和腐蚀与火灾处理时的疲劳极限值分别比无处理时的疲劳极限值低24.85%和17.41%，腐蚀后，疲劳断口裂纹源数量增多；受600℃火灾温度作用后，韧窝尺寸相对更大。结果表明腐蚀和火灾都会降低十字接头的疲劳性能，但当火灾温度达到600℃时，火灾温度会一定程度提高十字接头的疲劳性能。

图3  文献^[9]中十字接头疲劳断口微观形貌

文娟等^[10]参考重庆市生态环境局公布的大气环境质量简报，统计了模拟重庆市主城大气降水的腐蚀溶液成分，基于此模拟结果在盐雾试验机中再现重庆市降雨条件下的腐蚀环境，并在盐雾箱中加装光照系统模拟日照。在朝天门大桥2013—2018年发现的81颗脱落断裂的高强螺栓中选取具有代表性的6个样品，对6个因腐蚀损坏的样品及其对照的6个全新样品进行试验。观察后发现失效后的高强螺栓基体化学成分、物相相对于全新高强螺栓均未发生显著变化，但基体中的S、P、Cu元素含量略有升高。失效高强螺栓断口表面及模拟腐蚀环境下的高强螺栓表面的腐蚀产物种类较多，EDS能谱分析结果表明，腐蚀产物中有S、Cl、Al、Si、K等元素的存在，XRD物相分析结果显示，存在大量的Fe、Mn、Si等元素的氧化物及硫化铁，推测高强螺栓的断裂失效与大气腐蚀（酸雨）、工业尘埃、交通扬尘包裹有关。

图4  文献^[10]中断裂高强螺栓表面腐蚀产物形貌

1.3  腐蚀损伤对桥梁性能的影响

朱文等^[11]以白洋长江公路大桥为研究对象，分析了大气腐蚀作用对这座桥梁主梁钢桁架结构应力分布变化趋势的影响。根据宜都地区的气候和大气状况，得到了相应的大气腐蚀预测模型，根据腐蚀预测模型得到了100年白洋长江大桥钢桁梁的弦杆和腹杆截面变化数据，数据表明：在100年时，弦杆截面腐蚀程度达到了12%，腹杆截面腐蚀的程度达到了15.2%。将截面损失后的桥梁建立Midas模型，模型计算分析后得知所有杆件的应力增加在5%-25%之间，大气腐蚀对上弦杆的应力变化影响较小，腹杆的应力变化受影响较大，对桥梁的安全状态产生威胁，因此大气腐蚀问题不容忽略。

王宇皓^[12]通过对腐蚀模型的根据截面强度的验算公式，对钢主梁段的最大正应力进行研究，结果表明：在100年腐蚀期内，钢主梁的腐蚀不会引起结构前6阶模态振型的改变。整个腐蚀期内，最大正应力为压应力的桥梁区域其应力水平都有不同程度的提高，其中主梁8节段达到了最大应力增幅25.5MPa。随着腐蚀的进行，腹板所承受的剪应力呈抛物线显著增加，且增速越来越快，在100年时达到腹板承受的剪应力峰值。腐蚀使腹板所受到的剪应力提升了约50%。钢主梁梁端挠度值随腐蚀深入无明显变化，而跨中截面的挠度值呈线性增加，但增幅仅为0.017 m；在100年腐蚀期内钢梁段的最大挠度仅为0.689m，远没有达到竖向挠度限值1.9m。虽然桥梁的各项力学性能指标都符合规范的要求，但主梁在服役期间一直处于高应力工作状态，剪应力又对腐蚀非常敏感，桥梁在海洋环境的使用中还是要注意腐蚀造成的影响。

陈啸铭^[13]以结构可靠度理论为基础，针对一座大跨悬索桥钢桁梁构件的时变可靠性评估进行了系统的研究。根据大跨悬索桥健康监测系统的海量数据和大气环境中的温湿度数据，建立了腐蚀环境下钢桁梁构件抗力衰减模型，基于此模型可以较好地预测桥梁在服役期内的腐蚀和疲劳情况，并判断腐蚀疲劳耦合作用下桥梁的力学性能是否满足可靠性指标。通过该模型模拟发现在良好的防腐条件下钢构件的抗力近似呈缓慢地线性衰减，服役至第100年仍具有较高的抗力；相反，钢构件在缺少防腐措施的条件下，其抗力呈近似地指数衰减，服役至第90年时将丧失承载能力。钢桁梁处于良好防腐养护的条件下，钢桁梁服役100年的极限强度仍满足规范要求，当结构服役到第115年才低于目标可靠指标；相反，钢桁梁缺少防腐养护条件下，57年时构件的可靠指标便低于规范值。在腐蚀疲劳耦合作用下，随着结构的服役时间增长，由疲劳损伤引致的腐蚀构件材料性能下降愈发显著，其抗力于服役的中后期衰减迅速。因此钢结构桥梁腐蚀引起的抗力衰减不容忽视。

章宏辉等^[14]基于钢桥研究现状和延长钢桥使用寿命任务需求，对长兴县某座钢桁架桥梁开展系统调研。应用无人机检测技术对钢桁架桥梁外观进行全方位图像采集，检测确定已存在的病害种类、数量，形成桥梁病害档案，提出典型病害处治及养护措施。检测后发现桥梁主桁架横向构件产生锈蚀的频率高于其他垂直构件产生锈蚀的频率，构件向上表面锈蚀的频率高于其他面的频率，构件边角周围也是锈蚀病害常见发生的位置，这一类位置有主桁梁外伸翼缘处和腹杆边角等。另外由于气候和施工阶段操作的原因，发现了多处漆膜开裂、剥落、变色的现象，同时伴随有构件连接处的螺栓、连接板锈蚀，甚至出现螺栓因腐蚀而脱落失效的现象。因此建议保持钢桁架桥梁整体清洁度。施工完成后应清除所有遗留的建筑材料，必要部位重新清洗涂漆。运营阶段，管理养护部门需定期对整桥巡检，清理下桁底部的废弃物，去除腹杆表面吸附的油污、灰尘，发生锈蚀的部位需除锈后重新喷漆。

Wu, Weiwei等^[15]基于Miner的线性累积损伤概念，提出了一种简化的线性腐蚀预测模型。线性腐蚀预测模型经过理论计算，可以合理地将局部环境腐蚀因素引入疲劳试验。等效腐蚀疲劳试验可以验证钢结构桥梁的疲劳抗力是否满足设计要求。结果表明：在目前的等效腐蚀疲劳试验中，大气腐蚀使所研究的钢结构桥梁的寿命降低了29.5%。引入腐蚀预测模型后，钢结构的整体应力分布和刚度退化表现为：应力集中发生在损伤破坏前的损伤区域。整体刚度退化呈现三阶段分布。从预测模型结果来看，中间阶段是一个稳定发展阶段，约占整个生命周期的80%。初始阶段和故障阶段约占每个阶段的10%。钢材的腐蚀作用不能忽略。

陈尧^[16]结合试验结果建立了考虑腐蚀环境、外加应力作用和腐蚀时间的钢材应力-应变曲线，为非线性有限元分析时材料本构模型的定义提供参考。运用ANSYS/PDS模块建立了工业大气环境下6层76m高的窑尾预热器塔架模型，对其进行可靠度计算，并对结构设计强度和刚度指标的灵敏度进行了分析。支撑在服役第27年后，其最不利支撑的可靠指标低于目标可靠指标的要求；框架柱在服役第30年后，最不利柱的强度可靠指标降低为3.106，出现失效。梁将在结构服役第42年时，其挠度（结构的适用性）可靠指标低于结构目标可靠指标。实际钢结构工程中，钢结构构件的平均腐蚀率应控制在20%以内。从结构全寿命角度出发，提出考虑腐蚀环境的钢结构全寿命性能化设计方法，根据钢结构所处腐蚀环境的不同，提出多层次耐久性设计目标，并给出相应的耐久性量化指标，包括缺陷面积、腐蚀评级和强度折减系数等。针对不同大气环境给出钢结构50年设计基准期内的腐蚀裕量设计建议值。综合考虑腐蚀环境因素，根据可靠性设计原理，建立了钢结构“三水准”全寿命性能化设计方法，并根据不同的设计水准，提出相应的耐久性设计目标。

图6  文献^[17]中组合梁及栓钉有限元模型

图7  文献^[18]中测量系统布置

图8  文献^[18]中4.5mm壁厚试件强度承载力折减系数曲线

2.1  基于图像识别的钢桥腐蚀检测

图9  文献^[19]中采集的原始图像和AI检测的结果

Han, Qinghua等^[20]利用无人机图像识别和定位钢结构表面的腐蚀区域。采用SLIC超像素分割算法对无人机图像进行分割，主要依据K和m两个参数，其中K是需要生成的像素数，m是用于控制颜色距离和空间距离的相对重要性的一个常数，当参数m为60，参数K为700时，SLIC超像素分割方法在无人机图像上实现了优越的处理性能。基于增强图像特征提取的FPN和PANet算法可以提高图像质量，训练后的腐蚀识别准确率可达97.15%。以天津津埠大桥为例，验证了该方法的实用性，其误差约为4%。结果表明，先处理图像后再使用训练过的人工智能的两级监测方法可以确定腐蚀面积的比例和结构的相对位置。所提出的方法可以通过与无人机相机功能的集成，用于桥梁钢结构腐蚀的初期和全面检测。

图10  文献^[20]中基于无人机图像的腐蚀率处理结果

图11  文献^[21]中基于卷积神经网络的腐蚀减薄程度评价方法

朱劲松等^[22]提出了一种基于深度学习的钢结构表观病害识别方法。该方法将卷积神经网络Inception-v4和迁移学习相结合，分别采用迁移学习中特征提取和微调2种训练方式获得2种模型，并与全新训练的Inception-v4模型进行对比。采用3365幅钢桥病害图像分别对特征提取模型、微调模型与全新训练模型进行训练和验证，对比了批大小（batch-size）和学习率对模型训练效果的影响，并对这2个参数进行了优选；最后，采用377幅病害图像进行测试，得到特征提取模型、微调模型和全新训练模型训练一个时期（epoch）的时间分别为47.2、119.2、121.8s，测试正确率分别为89.39%、97.88%与91.25% 。结果表明：迁移学习的2种模型较全新训练模型，减少了数据的需求量，提高了运行效率和病害识别准确率；微调模型经历较少的epoch，便可达到较高的测试准确率，更适于钢桥病害识别的实际应用。

Mohamed El Amine Ben Seghier等^[23]基于全球数据库，提出了一种新的预测模型，用于估算年腐蚀速率与周围环境特性的函数关系。将多层感知器（MLP）与海洋捕食者算法（MPA）这一新的元启发式算法结合起来，作为解决当前问题的新框架。此外，还实现了两种强大的算法，即粒子群算（PSO）和遗传算法（GA）来表示该框架的能力。还将该框架的性能与现有的机器学习模型支持向量回归的高斯核函数（SVR-RBF）进行了比较。与最优模型(SVR-RBF)相比，采用改进后的MLP、MLP- ga、MLP- pso和新MLP- mpa模型的改进值分别为3.54%、4.86%、9.59%和14.02%。此外，采用MPA优化的MLP混合模型在采用所有比较准则的板条箱预测中表现出良好的性能。MLP-MPA模型的预测性能优于本研究中所有其他人工智能模型，其预测能力较好，总体上产量R2最高(0.9532)，RMSE最低(13.183 lm/ year)。

图12  文献^[23]中基于元启发式算法的MLP自动优化模型

2.2  基于电磁原理的钢结构腐蚀检测

图13  文献^[24]中开发的检测设备及在斜拉桥上的应用

Xia, Runchuan等^[25]在利用自发磁漏原理检测钢结构内部病害时，初始结构磁场的分布受结构差异的影响很大，但仍存在局部起伏现象。波动的周期性规律可以看出，曲线的峰谷距离相对稳定，平均为237.8mm。腐蚀引起的SMFL信号受测量距离的显著影响。信号在10cm范围内迅速衰减，但当距离超过20cm时趋于稳定。此外，当测量距离为1cm时，腐蚀对磁场的影响面积约为腐蚀区的2倍。磁场曲线的极值与索力之间不存在明显的单调相关性。由于测量距离和初始结构的区别，直接比较磁信号来确定腐蚀程度是不可靠的。因此，考虑到初始结构磁场和测量距离的影响因素，可以采用无量纲损伤分析指数X和腐蚀比α进行定量研究。结合所有试件的数据分析，说明了钢绞线对指数X存在微小影响。最大指数与腐蚀比α之间存在着很强的相关性，随着腐蚀比α的增加，平均值显示出明显的增长趋势。通过三次多项式拟合，拟合优度达到0.9914。方差与腐蚀比α正相关，这表明由于结构差异，损伤分析指数X离散性增加。因此适合于微损伤识别。

图14  文献^[25]中损伤分析指数X平均值和方差随腐蚀程度的变化趋势

图15  文献^[26]中缆索索磁通损伤识别仪器测试位点

Jancula, M等^[27]研究了无损检测磁巴克豪森噪声检测技术（MBN）在钢结构上的应用。当腐蚀层厚度较低时，MBN包络线最大位置与拉应力的变化趋势与有效值的演变趋势相反。当腐蚀层的厚度在MBN读数深度中占主导地位时，MBN包络线最大位置随拉应力逐渐增长，MBN包络线最大宽度随腐蚀层厚度的增加以及叠加拉应力而降低，MBN波动的数量最初随着应力下降，随后随拉应力的增加而提前饱和。因此，建议使用MBN参数组合来评估拉应力和腐蚀层厚度。

图16 文献^[27]中MBN脉冲高度分布（a）腐蚀1天；（b）腐蚀65天

综合桥梁全生命周期来看，对钢材本身进行防腐是最高效的手段。耐候钢是在低碳钢的基础上添加耐腐蚀的金属元素，使钢材表面形成致密和附着性很强的保护膜，阻碍锈蚀往内部扩散和发展，保护锈层下面的基体，以减缓其腐蚀速度。除了关注于特定元素对钢材耐腐蚀的影响，还发现在实际的使用中耐候钢的性能表现可能会受到较多因素的影响。

王岳峰^[28]实验设计了3种不同铬含量的耐候桥梁钢，Cr含量的增加会提高钢材的屈服强度和抗拉强度，但会降低伸长率，高含量的Cr会使冲击吸收功减小幅度较大。拉伸破坏属于韧性断裂，但随着Cr含量的提高，韧性断裂区所占比例减小。通过实验室加速腐蚀实验，测定腐蚀后锈层的组成和铬元素对腐蚀的影响。在海洋大气环境中，锈层由三层组成：内锈层，外锈层，最外层锈层。Cr只存在于内锈层中，在腐蚀的中后期纳米晶粒开始形成，在这一阶段中Cr含量提高会影响锈层的保护性能，Cr的含量增加速率与防腐性能提高速率呈反比。在工业大气环境中，锈层由内锈层与外锈层组成，内锈层的结构受Cr含量的影响而不同。在腐蚀初期，Cr含量提高反而不利于耐候钢腐蚀性能的提升，在腐蚀中后期，Cr含量的提高会导致非晶物质的生成，对防腐蚀性能的提高起到决定性作用。

王如玉^[29]以Q420qENH 钢为试验材料，对添加不同含量Ti元素的试验钢进行力学性能测试并进行显微组织观察。显微观察发现随着Ti含量从0.044%-0.144%的增加，块状铁素体数量显著减少，粒状贝氏体数量增加，M-A组元数量增加，晶粒尺寸细化，耐候钢的屈服强度由439MPa增加到596MPa，抗拉强度由603MPa显著增强至793MPa，试验钢强度得到显著提高，但冲击功由212J降低到12J。原因为TiN夹杂物尺寸由4.31µm增加到10.61µm；TiN夹杂物的存在导致试验钢在-40℃下冲击韧性显著恶化。在初期腐蚀试验中，TiN夹杂物周围的试验钢基体在腐蚀介质的作用下首先发生溶解，形成蚀坑；随着腐蚀时间的增加，在TiN夹杂物处聚集有大量的γ-FeOOH和少量的α-FeOOH，可以阻碍点蚀进一步发生，使耐候钢发生均匀腐蚀。

汪志甜等^[30]选取普通低碳钢Q345qD和耐候钢Q345DNH进行挂片试验对比，试验在室外进行，采用挂片+浇水的方式进行，腐蚀液选用0.01mol/L的NaHSO3溶液和3.5%的NaCl溶液。实验发现两种钢材在8周的加速试验后宏观形貌并无明显区别，腐蚀过程中两种钢材的重量损失均随时间的延长而增加，但耐候钢的失重速率明显低于低碳钢,，说明耐候钢的锈层对基体有一定的保护作用，耐蚀性能较好。实验中还发现，在浇3.5%的NaCl溶液时，随着时间的延长，耐候钢和碳钢表面均发生了严重的局部腐蚀，形成了较深的腐蚀坑槽，表面发生了鳞片状剥离，说明该种Q345DNH耐候钢不适合在海洋大气中使用，在使用除冰盐时也要注意及时清除。

图17  文献^[30]中耐候钢锈层的外观

陈尧^[16]开展了无防护碳钢（碳钢）、镀锌防护碳钢（镀锌钢）同时在 4200h 模拟海洋大气环境和 960h 模拟工业大气环境下的腐蚀行为试验研究，采用万能试验机和电化学工作站相结合的方法，研究了外加应力与腐蚀环境耦合作用对碳钢和镀锌钢腐蚀速率的影响，并通过失重法进行了验证，结果表明：应力的存在能够显著地减小碳钢和镀锌钢表面电阻，提高电解质在钢材表面的溶解速率，从而加快钢材腐蚀速率。钢材的腐蚀速率与弹性应力水平、腐蚀电解液、钢材防护条件有关。随着弹性应力的增大，腐蚀速率加大。腐蚀电解液的差异和钢材强度等级的不同对腐蚀加速效应的影响很小。

Zhang, Yu等^[31]制备了20个美国常用的高性能钢HPS70W试样和20个中国常用的典型耐候钢Q345CNH试样，以研究其腐蚀性能，包括均匀腐蚀和点蚀。通过加速腐蚀试验和疲劳试验，建立了该钢在自然环境和实验室环境中的疲劳性能之间的联系。腐蚀试验表明，点蚀缺陷以簇状随机分布在试样表面，HPS 70 W比Q345CNH具有更好的抗点蚀性。在60、120和180次腐蚀循环后，HPS 70 W母材的疲劳强度降低分别为31.9%、32.5%和35.7%。同样，在60、120和180次腐蚀循环后，Q345CNH的疲劳强度分别降低了22.6%、29.1%和38.3%。在腐蚀初期，HPS 70 W疲劳强度降低的速率更快。失效试样的断面分析表明，点蚀缺陷是腐蚀疲劳过程中产生疲劳裂纹的主要原因。腐蚀HPS和WS的疲劳性能与腐蚀程度，尤其是点蚀深度有关。此外，裂纹点蚀缺陷的深度是不同腐蚀循环后HPS 70 W疲劳强度降低程度不同的原因，因此更深的点蚀缺陷会导致疲劳强度的降低。经过腐蚀试验，锈层具有较高的强度和致密性。然而，腐蚀试样的疲劳试验表明，当应力范围低于222.2MPa时，锈层会开裂并破裂。在应力范围高于244.4 MPa的情况下，整个锈层在5000次加载循环中迅速分解，所以耐候钢的防腐与应力状态有重要的联系。

图18  文献^[31]中耐候钢在222mPa产生裂缝

图19  文献^[32]中钢箱梁腐蚀后内部的形貌

图20  文献^[33]中在腐蚀试验箱中暴露3个月后的螺栓（a）B6（b）B8

苏翰等^[34]为了研究腐蚀作用对耐候钢对接焊缝疲劳性能的影响，试验研究了南京大气暴露腐蚀1年后耐候钢对接焊缝试样8个应力幅下的疲劳性能，并采用扫描电子显微镜和超景深三维显微镜研究了试样的疲劳破坏机理。由95%置信度S-N曲线求得的疲劳强度比未腐蚀试样低14.4%，但仍比设计疲劳强度高25．6%；大气暴露腐蚀试样的疲劳破坏是由多个点蚀坑同时作为裂纹源导致裂纹萌生并扩展所引起。

Han, Xu等^[35]研究了A709-50CR梁在老化多梁钢桥中替代锈蚀碳钢梁的应用。A709-50CR是一种在美国和加拿大生产的作为双相不锈钢的低成本替代品的防腐钢材，A709-50CR在损伤桥梁的维护保养中具有潜在经济效益。对仅由碳素钢梁组成的桥梁上部结构和由两种钢梁组成的桥梁上部结构，进行了系统可靠度分析，得到了时变可靠度曲线。基于可靠性剖面和相关的失效风险，进行生命周期优化，以确定何时和哪些梁需要更换。对于海洋环境中受大气腐蚀的桥梁，A709-50CR的腐蚀速率约为碳钢的0.1%-5.3%。A709-50CR具有较高的耐蚀性，不需要对A709-50CR主梁进行油漆/重漆或其他与腐蚀相关的维护。A709-50CR用于主梁更换时，可有效减少重大维修动作次数。因此，与使用碳钢相比，使用A70950CR代替锈蚀梁具有相当高的成本效益。成本效益取决于A709-50CR对碳钢的成本溢价和对碳钢主梁的重新粉刷的成本。但仍需考虑碳钢重漆的价格水平和耐候钢的溢价。由于碳钢与A709-50CR界面处存在电偶腐蚀，在现有的碳钢桥架上使用A709-50CR时应注意。这种腐蚀机制可以通过添加非金属填充板等特殊措施来缓解。

图21 文献^[35]中与失效模式相关的年度可靠性指标（a）低碳钢梁（b）A709-50CR梁

除提高钢材自身耐腐蚀性外，可通过涂装、阴极保护、湿度控制等被动或主动措施来防止桥梁腐蚀，或已经遭受腐蚀损伤的桥梁进行维护。

Li, Shengli等^[36]研究了外加电流阴极保护（ICCP）方法在桥梁索结构中的应用。因为钢丝所在的大气环境几乎不能为ICCP系统提供电解质溶液，所以很少用于桥梁索结构（如斜拉索）高强度钢丝的腐蚀保护。然而，雨水在降雨条件下会积聚在电缆表面并形成水沟，这种雨水水沟可以用作高强度钢丝ICCP系统的电解质溶液，所以在此基础上提出了降雨环境下高强钢丝的ICCP防腐方法，并在模拟动态雨水环境中研究了不同保护电流密度对斜拉索钢丝腐蚀速率的影响。结果表明：与未加保护的钢丝相比，有ICCP保护的钢丝表面在腐蚀试验后更平整，腐蚀坑数量和尺寸显著减少，腐蚀速率显著降低。因此，ICCP在整个试验期间都发挥着保护作用;但不同流量下保护效率略有不同。在0.7mL/min的流速下，钢丝在任何保护电流密度下都能得到有效保护，而在7mL/min和14mL/min的流速下，保护电流密度为20mA/m2时，腐蚀速率仍随时间显著增加，当保护电流密度达到60mA/m2时钢丝才能得到有效保护。

图22  文献^[36]中在不同电流条件下28℃腐蚀20天后的平均腐蚀率

图23  文献^[37]中的缆索除湿系统

新型防腐涂层是近年来研究热点，高性能的涂层有更强的防腐蚀性能和耐久性，近期有许多新开发的涂层材料被应用与钢结构桥梁的建设和维护中。

王涛等^[38]通过对多元素粉末共渗、不含重金属的水性硅酸盐钝化液钝化和调色封闭成套技术（PCA）的研究，开发出一种以PCA方法进行防腐处理的钢材并进行防腐蚀试验，结果显示:经多元素粉末共渗技术处理后的钢构件，其表面共渗层为含锌、铁、铝元素的合金层，与基体结合紧密;使用不含重金属的硅酸盐钝化液在共渗工件表面形成钝化膜，对工件表面渗层缺陷具有良好的修复与钝化能力。钝化处理的共渗样品具有良好的耐盐雾性能，钝化后样品盐雾1200h未见红锈;使用水性单组分烤漆对试样进行封闭处理可以提高其耐腐蚀性能和耐老化性能;经过PCA技术处理的钢横梁整体耐中性盐雾可达1200h以上。通过现场2年多的实际使用，效果良好。

乔娟等^[39]对一种公路桥梁钢结构专用重防腐底漆进行了研究，该底漆以双酚A型环氧树脂、聚四氢呋喃200、聚酰胺等为原料。并且合成了一种新型电位添加剂，将该电位添加剂与锌粉适配后，漆膜的耐盐雾性能会大大提高，锌粉含量越高，底漆耐盐雾性越好，但锌粉质量分数超过80%时，底漆力学强度有所下降。试验对该漆膜的力学性能、耐盐雾性能进行了测定和分析，结果表明该底漆的不挥发分、适用期、弯曲性能、耐冲击性、耐盐雾性能等性能指标均好于普通底漆。在防止锈蚀方面有明显改善。综合评价该底漆综合性能要优于普通底漆。

Li, M L等^[40]通过3-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）与α-磷酸锆（α-ZrP）的共价反应，制备了一种新型的α-ZrP有机衍生物磷酸锆/3-氨丙基三乙氧基硅烷纳米复合材料（K-ZrP）。通过优化配方制备了水性环氧防腐复合涂料，并将其应用于Q235钢基体上。KH550可以实现纳米填料、聚合物基体和基体之间的交联，改善无机填料颗粒在聚合物基体中的分散性。表征结果表明，引入含胺端基的KH-550可有效改善环氧树脂基体与ZrP纳米片的相容性，进而提高水性环氧防腐涂料的性能。根据电化学测试结果，涂有以K-ZrP为功能填料的水性环氧复合涂层（KWEPc）的Q235钢基体的腐蚀速率（每年4.3×10^-6毫米）与不添加任何颜料的水性环氧涂料（WEPc）（每年4.54×10^-5毫米）相比显著降低，防腐性能提高大约10倍。

图24  文献^[40]中水性环氧防腐复合涂料的制备流程

叶黎鹏^[41]根据目前防腐技术，选取3种典型桥梁钢结构大气区防腐涂层配套对比，按ISO 12944-9：2017进行4200h循环老化测试。得出结论三种涂层均能满足规范CX级别防腐的要求。在工程实例厦门第二东通道钢箱梁外表面的应用中，对比实验的三种涂层组合的结果，选用第二种方案，采用环氧富锌底漆、环氧云铁中间漆和氟碳面漆的方案，氟碳涂料由于氟元素的电负性大，C－F键长短、键能强而不容易在紫外光的照射下断裂，具有优异的耐老化性，其涂层表面能较低，漆膜坚韧，耐冲击性、耐磨性和抗屈曲性等力学性能较好，对于长期行车而产生应力的桥梁而言具有显著优势，此外，氟碳涂料与环氧云铁中间漆具有良好的配套性。综合成本和性能来讲适合作为该工程实例的防腐涂层使用。

孙大斌^[42]重点研究石墨烯锌底漆涂层的耐盐雾性能，并开展了相关试验。试验设计的样板涂层厚度均为25µm，干膜锌含量均为60%，石墨烯含量分别为0%、0.1%、0.2%、0.5%、1%，其余配方完全一致。试验结果表明：不添加石墨烯的样板涂层样板耐盐雾24h划痕处有红锈，400h样板表面起泡严重，不能对样板达到很好的保护效果。添加石墨烯后，可有效提高涂层的耐盐雾性能，随着石墨烯添加量的增加，涂层的耐盐雾性能逐渐变好，但当石墨烯添加量达到1%时，过量的石墨烯以及其高比表面积会造成涂层孔隙率增大，涂层耐盐雾性能变差。实际使用后检测发现：厚度80µm的石墨烯锌底漆涂层耐盐雾性能试验4500h，样板表面无起泡、无生锈、无开裂、无剥落，划痕处24h无红锈，其他各项性能指标均满足或优于铁路行业标准性能指标要求。涂层耐人工加速老化性能试验6800h，漆膜无明显变色、无粉化、无开裂、无起泡、无生锈、无剥落，保光率≥90%，新型石墨烯锌基氟碳超耐久防腐涂装体系防腐性能优异，设计防护年限可达30～50年。研究成果可应用于不同大气腐蚀环境下铁路桥梁及其他领域的钢结构长效防腐涂装设计。

图25  文献^[42]中不同石墨烯添加量的底漆耐盐雾性能

佘安宇等^[43]对高分子弹性密封材料在钢结构防腐的应用进行了研究。高分子弹性密封材料具有优异的密封性和弹性，使用后能隔离水、酸、碱、盐等环境对钢结构的腐蚀，相比传统油漆材料的脆性防腐，具有更长的有效使用寿命，被越来越多地用于桥梁钢结构的防腐密封。目前，桥梁领域用于钢结构弹性防腐密封材料依据主体材料结构可分为聚硫密封材料、硅改性聚醚密封材料、改性聚硫密封材料三类，选取了采用这三种材料进行防腐处理的试件并进行测试。综合测试数据得出：聚硫、硅改性聚醚和改性聚硫三种材料结构中，聚硫密封材料的本体防水密封性明显优于硅改性聚醚和改性聚硫结构密封材料，弹性密封材料主体结构相同时，配方组成也会影响与钢结构的防腐密封效果。所以，充分结合工程工况评估弹性防腐密封材料的本体密封性和老化耐久性能，进行合理选材，才能切实提高桥梁工程的防腐质量及有效年限。

董鑫等^[44]结合乍浦港大桥的实例，在C5-X腐蚀环境下采用了一种石墨烯改性重防腐涂层，对该涂层2年运营后的性能评价综合等级进行了评估。石墨烯是碳原子以特殊方式排列组成的新型二位片状材料，理论直径只有0.335nm，具有优异的导电、导热和光学性能。采用环氧石墨烯锌底漆、环氧石墨烯中间漆、碳氟面漆的涂装方案，在桥梁通车运行两年后，对大桥表面防护涂层的防护性能进行监测，检测指标包括涂层外观、附着力、漆膜厚度、耐老化性能等，综合比较后认为该桥梁对乍浦港大桥钢箱梁防护性能良好。

图26  文献^[43]中涂层老化24个月后与涂装前光泽对比测试数据

图27  文献^[45]中波形钢腹板表面涂层磨蚀率分布云图

赵富康^[46]通过ANSYS模拟钢混组合梁防腐涂层在汽车活载等疲劳应力作用下表面漆层的变化，得出改变防腐质量的影响因素主要有温度循环次数、温变荷载和静应力有关，不同工况的面漆、中间漆和底漆涂层附着力随温度循环次数的增大呈减小趋势；静应力和温变荷载对钢-混组合梁面漆涂层的劣化影响较大，无静载作用下的面漆涂层仅在温度循环下的附着力减少了近30%，0.7倍屈服荷载下中间漆附着力较无静载条件下降低一半左右。将钢混组合梁简化设计实验试件，在环境模拟试验箱中模拟静载作用下由于环境温差导致的涂层的劣化过程，总结了影响涂层附着力的因素主要为静载大小和温度循环次数，提出了一个可以预测钢混组合梁涂层使用寿命的公式。通过推导的涂层剩余寿命预测公式，可预测钢-混组合梁涂层在实际静荷载与温变疲劳耦合作用下的使用寿命及力学性能。

Anseob Shin等^[47]研究了有机涂层在暴露于直接热源后的降解情况，包括涂层的外观、表面形貌、有机结构、机械性能、热特性和阻抗。材料色差(DE)在300℃时迅速增加，在400℃时，光泽值迅速下降，在300℃时，部分区域发生树脂溶胀和表面变形，导致表面形貌发生变化。在400℃聚合物炭化引发后，氟面漆被除去。在400℃以上，涂层的破坏程度迅速增加，说明与热源直接接触会导致树脂熔化，从而在加热的早期发生表面变形。有机成分分析也证实了300°c以上涂层的降解行为。对比TGA和DTG曲线，发现涂层的黄变和碳化分别是在280℃和388℃时检测到的第一次和第二次质量变化引起的。黄变和炭化与硬度和弹性模量的增加同时发生，这是由于低分子量物质(如增塑剂和溶剂)的减少导致聚合物流动性降低，从而增加了模量和硬度。电路模型的等效电路和阻抗特性的变化表明在400℃开始的降解导致涂层材料失去了其屏障性能。

图28  文献^[47]中对涂层加热后的热成像和高清形貌变化

唐寿洋^[48]利用理论分析和数值模拟的方法，对不同防腐维护策略作用下，钢桥全寿命周期成本和结构可靠性进行了深入分析。首先，基于等体积原理，通过将局部区域涂层钢材腐蚀量等效为钢构件表面平均腐蚀深度，提出涂层降解与钢材腐蚀同步发生的涂层钢材腐蚀分析模型。利用MATLAB有限元工作平台，基于设计验算点法，编写结构可靠指标分析程序。在四种防腐维护策略作用下，分析波形腹板钢箱-混凝土组合简支箱梁和波形腹板钢箱-混凝土组合连续箱梁的结构可靠性，发现当涂层降解率达到10%时，进行一次局部修补涂装维护，对涂层钢桥结构可靠性最有利。基于这种维护策略建立钢桥全寿命周期成本分析模型，随车流量增加成本也会增加，每次进行局部修补涂装对涂层钢桥运营服役期成本现值最有利，全寿命周期成本现值增加最少。对比分析涂层钢桥全寿命周期成本现值和A1010免涂装耐候钢桥全寿命周期成本现值。由于A1010免涂装耐候钢桥在营运过程中很少进行防腐维护，其全寿命周期成本现值主要由建设投资期成本现值组成，后期维护成本低，考虑物料价格和人工价格变化因素，耐候钢全寿命的资金投入或许比传统钢材更加经济。

叶明坤等^[49]经过对比与优选，综合对比了针对自锚式悬索桥锚固系统腐蚀维护的几个方案，包括油漆防腐、金属喷涂防腐、钢结构氧化聚合型包覆防腐蚀。结果认为采用钢结构氧化聚合型包覆防腐蚀技术作为锚固部件的腐蚀维护，可达到有锈除锈，无锈防锈的作用与目的。氧化聚合型包覆主要由防蚀膏、防蚀带及外防护剂三层配套体系组成；防蚀膏有铁锈转化因子，可将铁锈转化为性能稳定结构致密的螯合物，螯合物本身就是腐蚀保护层；因此可带锈施工。防蚀带是在柔软织物浸积特殊调制防蚀材，具有良好的隔离与屏蔽功能，并具备400N/m的粘接力，施工后，粘贴在金属结构表面的一侧，永久保持为非固化、柔软的弹性状态，从而达到最佳的隔离封闭效果。该技术具有成熟技术、防腐效果显著，耐候性、耐老化性能突出，防腐寿命长；表面处理要求低，可带锈施工；附着性和柔韧性好，位移追随性、拉伸性能好，振动不开裂不脱落；绿色环保，无味无毒无污染；施工便捷，后期需要维护少等优点。

随着我国钢结构桥梁建设尤其是一些大跨度、超大跨度桥梁工程的推进，桥梁高质量建造、长寿命服役以及全生命周期成本越来越受到重视，其中钢桥腐蚀与防腐技术也受到了更多的关注。结合本文介绍的各方面，进展和展望如下：

（1）钢桥腐蚀损伤机理方面，钢材腐蚀的理论基础已经较为完善，规范中对于不同腐蚀环境的设计要求也有明确的规定。随着桥梁服役环境日益复杂，对于高寒、高盐地区以及湿热地区钢桥腐蚀行为，以及缆索、锚室等内外环境差异显著的结构，需要针对其腐蚀环境、腐蚀作用开展进一步研究；另外高强桥梁钢、超高强缆索钢丝等材料在现代桥梁中应用日益增多，其腐蚀损伤机理与一般桥梁钢材差异如何尚待进一步厘清；桥梁腐蚀往往与应力状态及其他环境作用相耦合，对于多种环境条件、环境-荷载耦合作用以及异种钢材配合下的腐蚀损伤机理有待进一步明确。

（2）关于腐蚀检测技术方面，目前研究热点是基于图像处理的表面锈蚀检测和基于电磁原理的内部腐蚀检测。图像处理技术方面，得益于计算机技术和人工智能的发展，图像处理的效率和精度都在迅速提高，对于非暴露区域的图像获取是该技术应用的难点。电磁检测技术对于钢结构内部的损伤检测具有一定的精度，并在实际的工程结构中开展了实验性的应用，其检测精度有待进一步提高。大型钢桥中越来越多设置环境调控装置以防范、控制腐蚀发展，其中腐蚀速率监测为环境调控装置的有效运行提供前置参数，目前亟需发展高精度实时腐蚀监测技术。

（3）耐蚀材料方面，耐候钢和高性能钢材的使用，仍是近期的热点研究方向。针对耐候钢性能提升和能适应不同环境的耐候钢的开发是近年的研究趋势。通过对钢材中添加金属元素含量的改良，逐步提高耐候钢的防腐性能指标。试验也证明耐候钢的性能要高于传统钢材，目前也有关于耐候钢使用成本的研究，随着市场价格因素的变化，耐候钢大范围应用的可能性也越来越乐观。

（4）桥梁防腐技术方面，目前研究的热点集中于新型涂层的开发，各类涂层的区别比较明显，具有各自不同专长的防腐方面，在性能上与现有涂料对比有提升。对于已经建成的钢结构桥梁来说，后期维护保养仍以涂层的修补为主，对于新建于环境温和地区的桥梁来说，以低碳钢配合防腐涂层仍是最经济的方案。针对缆索结构和钢箱、钢塔、钢柱等结构，采用除湿系统可有效防止腐蚀，对于长大桥梁结构，如何提高除湿系统的可靠性与耐久性，涉及土木工程、电子电气、信息技术等多学科交叉研究，有较大的发展与应用前景。