耐候钢与大气腐蚀设计

什么是耐候钢——以及它不是什么

作为有意合金化低合金钢的耐候钢

耐候钢并非单一牌号，也不是简单地将普通结构钢不涂漆后置于环境中。它是一类低碳、低合金钢，其化学成分经过调整，以改变大气腐蚀的发展方式。铜、铬、镍、磷、硅和锰是传统的合金添加元素。也可能使用钼；此外，研究还考察了钨、钛、铝和稀土元素的添加。美国联邦公路管理局（Federal Highway Administration）2009年的评述指出，Mn、Si、Cr、Ni、Cu、Mo和P是历史上重点关注的合金化元素。

耐候钢形成的是有条件的大气腐蚀抗性，而不是变得完全不腐蚀。 Strong evidence

电化学腐蚀电化学腐蚀 金属通过电解质膜发生阳极溶解和阴极反应耦合所造成的腐蚀。

这些添加元素并不会阻止电化学腐蚀。它们会改变暴露过程中形成的锈层的成分、结构、附着性和渗透性。当钢材受潮时，阳极区域将铁释放到电解质中，而阴极区域则支持氧还原反应。由此形成的腐蚀产物可能变得相对致密并具有较强的附着性，从而减缓水和氧气的进一步进入。然而，反应仍会继续。“耐候”描述的是一种腐蚀行为，而不是免疫于腐蚀。

常见牌号包括：ASTM A242/A242M，高强度低合金结构钢；ASTM A588/A588M，具有改进大气腐蚀抗性的高强度低合金结构钢；以及ASTM A709/A709M桥梁用钢，其中包括在材料标准和项目文件中明确规定的Grade 50W和Grade HPS 50W等耐候钢牌号。欧洲耐候结构钢依据EN 10025-5进行牌号标识，包括S355J0WP、S355J2WP、S355J0W和S355J2W。后缀和牌号十分重要：化学成分限值、力学性能、焊接性规定和交货状态并不会仅仅因为每种产品都被称为“耐候钢”而相互通用。[1][1] Improved Corrosion-Resistant Steel for Highway Bridges. Federal Highway Administration. Federal Highway Administration research publication, 2011.

基于成分的 ASTM G101 腐蚀指数属于筛选或比较工具，不能替代针对具体现场的暴露环境和构造细节评估。 Limited evidence

[2][2] ASTM G101-04(2010), Standard Guide for Estimating Atmospheric Corrosion Data. ASTM International. ASTM International standard, 2010.

因此，合金成分只是设计决策的一部分。ASTM G101-04(2010)提供了利用较短期暴露数据估算长期大气腐蚀损失的方法，也提供了根据低合金钢化学成分估算其相对大气腐蚀抗性的方法。这类指数是筛选工具，而不是针对具体场地的认证。FHWA于2011年发表的研究报告称，大多数耐候钢的ASTM G101腐蚀指数值介于6和7之间；该研究的目标是在含氯化物的大气中获得接近或高于9.5的数值，以实现显著提高的抗腐蚀性。仅基于成分得出的数值，无法充分反映桥梁边缘可能滞留潮湿杂物的情况，也无法反映盐雾冲刷幕墙所造成的影响。

锈层形成与工厂施加的涂层

耐候钢锈层是在制造和安装完成后，于钢材表面形成的。它不是油漆、镀锌层、热喷涂层，也不是具有固定厚度和有保证覆盖率的车间施涂膜层。存在水分时，初始表面通常会相对迅速地发生腐蚀。随着反复暴露，腐蚀产物的成分和排列会发生变化，锈层中的一部分会变得附着性更强、渗透性更低。颜色可能依次呈现橙色、红棕色、深棕色和近黑色，但仅凭颜色并不能证明锈层已经稳定。

国家钢桥联盟（National Steel Bridge Alliance）在其2010年的入门指南中指出，保护性锈层的形成需要反复经历润湿和干燥。这一要求至关重要。降雨后干燥所促进形成的锈层，可能不同于持续凝露、积水或始终无法排水的缝隙中形成的锈层。避雨表面可能会保持脏污和潮湿，而不是形成所需的循环过程。反过来，即使经常受到雨水冲洗，只要沉积物滞留氯化物或酸性污染物，也不能保证形成保护作用。

锈层的形成还需要时间，而所需时间会因气候、朝向、钢材化学成分、表面状态和污染物负荷而异。轧制氧化皮、制造残留物、焊接飞溅物和油污都可能造成局部润湿和腐蚀差异。邻近混凝土、石材或涂层钢材上的锈水污染是另一个独立的设计问题：即使金属损失受到限制，径流也可能造成永久性的视觉损害。工厂涂层可以检查其连续性，可以按照干膜厚度进行规定，并可在明确的缺陷处进行修补。锈层则不能依据同样的假设来验收。它的形成并不均匀，会受到每个接缝和排水构造的影响，还可能因清洁、磨损或后续维修而受到破坏。

[3][3] Guidance Note 1.07: Weather Resistant Steel. Steel Construction Institute. SCI Guidance Note 1.07, 2015.

设计人员还应区分稳定的外露表面和缝隙部位。螺栓搭接处、狭窄的加劲肋间隙、箱形构造、拼接板、支座座面以及下侧凹袋都可能滞留水分和杂物。钢结构研究所（Steel Construction Institute）于2015年发布的SCI Guidance Note 1.07指出，持续潮湿或湿润的环境、高氯化物或盐雾暴露、集中的工业烟气以及埋地条件，均属于不适合或限制使用未涂层耐候钢的应用环境。这些条件可能使表面无法达到较低腐蚀速率的状态，或者即使整体颜色看起来美观，也可能导致严重的局部腐蚀。

大气腐蚀抗性与耐腐蚀免疫[4][4] ISO 9223:2012 Corrosivity of Atmospheres. International Organization for Standardization. International Standard, 2012.

“改进的大气腐蚀抗性”是一项有条件的性能声明。它并不意味着该钢材适用于所有室外暴露环境，也不意味着厚度损失会变得可以忽略。ISO 9223:2012依据标准试样第一年的腐蚀速率对大气腐蚀性进行分类，并将温度—湿度影响、二氧化硫污染和空气中的盐分列为关键因素。该分类描述的是大气环境；它并不会将某一耐候钢牌号转变为普遍安全的材料。[5][5] Uncoated Weathering Steel in Bridges. Federal Highway Administration. Federal Highway Administration guidance, 2003.

同样的区别也适用于项目选材。FHWA于2003年发布的指南要求，在选择未涂层耐候钢之前，针对具体场地考察湿润持续时间、氯化物暴露、工业污染物、排水条件、几何构造和维护要求。排水通畅的干燥内陆场地，可能有利于实现预期的腐蚀行为。暴露于含盐喷雾中的沿海结构、上方道路融冰盐水会被风吹落的结构，或存在高浓度烟气的工业场地，则可能不适用。反复润湿是锈层形成的必要条件，但含氯化物的润湿和持续潮湿会使腐蚀保持活跃，并促进点蚀。

在所引用的 AASHTO 处理中，点蚀通过将无涂层耐候钢母材指定为比可比非耐候钢低一个疲劳类别而得到认可。 Strong evidence

[6][6] Steel Bridge Design Handbook: Design for Fatigue. Federal Highway Administration. Federal Highway Administration handbook, 2016.

点蚀影响结构安全，而不仅仅是外观。FHWA疲劳设计指南说明，耐候钢通过交替的干湿循环形成锈层；同时还指出，AASHTO将未涂层耐候钢母材的疲劳类别定为比相当的非耐候钢低一个等级，原因在于点蚀。该规定承认，即使平均截面损失看似不大，局部腐蚀仍可能形成应力集中。因此，疲劳验算、焊接细节、检查可达性和腐蚀裕量仍必须作为结构设计的一部分。

正确的描述很明确：未涂层耐候钢表面是一种受管理的腐蚀系统。在适宜的大气暴露条件下，合金化学成分可以促使形成更具保护性的锈层；但排水、通风、接缝几何形状、污染物、氯化物控制、检查和维护，才决定这种潜力能否实现。它是耐候钢，而不是耐腐蚀钢；也不是钢厂已经预先提供永久涂层的钢材。

大气腐蚀环境

耐候钢并非不受大气腐蚀影响。它是一种低碳、低合金钢，其设计目的在于：当暴露条件允许腐蚀产物形成、干燥并重新组织，而不是被反复冲刷掉或始终处于潮湿状态时，能够形成相对致密且附着性良好的锈层。铜、铬、镍、磷、硅以及其他合金化元素会改变电化学反应和锈层结构，但化学成分无法补偿所有暴露条件的影响。

ISO 9223:2012 提供了描述大气腐蚀性的主要框架。该标准采用标准试样测得的第一年腐蚀速率对环境进行分类，并确定三项控制因素：温度—湿度状况、二氧化硫污染以及空气中的盐分。这些因素会相互作用于钢材表面。因此，同一标称牌号的钢材，在内陆农村环境、潮汐河口旁、工业烟羽下方或受遮蔽的桥梁构造细部内，可能表现出不同的腐蚀速率、锈蚀颜色、点蚀深度和锈层发育状况。

这一差异在设计阶段十分重要。在空气清洁、排水通畅且能够定期干燥的条件下，耐候钢梁可能形成稳定的保护层。而在桥面接缝漏水的相同标称钢梁上，接缝处可能持续发生主动腐蚀，尽管外露表面看起来已经成熟。大气腐蚀分类是评估的起点，不能替代对实际场地以及控制水分滞留的构造几何形状进行检查。

湿润时间与反复干湿循环

湿润时间湿润时间 金属表面持续被足够导电的水分膜覆盖、从而能够支持大气腐蚀的期间。

电化学腐蚀需要电解质。雨水、雾、露水、凝露以及沉积盐会在钢材表面提供这种电解质。保持足够导电性的表面液膜的持续时间，通常称为湿润时间。较长的湿润期通常会使阳极金属溶解和阴极氧还原更加充分，但这种关系并不是简单的计时关系：盐浓度、温度、氧气供应、表面污染以及锈层渗透性也会在暴露过程中发生变化。

反复湿润与干燥是形成保护性锈层所必需的环境条件。 Strong evidence

干燥并不只是腐蚀过程的暂停。对于耐候钢，交替出现的干湿阶段有助于将最初疏松的腐蚀产物转变为附着性更好、渗透性更低的锈层。国家钢桥联盟于2010年发布的入门资料指出，保护性锈层的形成需要反复的湿润与干燥。在湿润过程中，铁发生溶解，腐蚀产物析出；在干燥过程中，锈层收缩并进一步氧化，可能变得更加致密。反复循环可能逐渐降低水和氧到达钢材表面的速率。

当水分被困住时，这一过程会失效。水平凸缘、紧密搭接、堵塞的排水孔、加劲肋端部、螺栓凹槽或封闭的缝隙，在周围表面已经干燥后仍可能保持潮湿。由此形成的差异充气电池会导致局部腐蚀，而氯化物沉积会提高电解质的电导率。径流还可能将富含铁的水带到混凝土、路面或建筑表面上，即使截面损失程度中等，也会造成污渍。

因此，暴露历史比单独的年降雨量更为重要。短时而频繁的降雨事件随后伴随干燥，可能有利于锈层形成。长时间潮湿则可能维持主动腐蚀。盐分沉积与蒸发的循环尤其具有破坏性，因为蒸发会使表面的氯化物浓缩，而下一次潮湿期会重新激活这种浓缩的电解质。

FHWA 于2003年发布的指南要求，在选用未涂装耐候钢之前，应针对现场湿润时间、氯化物暴露、工业污染物、排水、构造几何形状和维护状况进行评估。这一要求是出于实际需要，而非官僚程序。干燥的内陆气候中的桥梁也可能存在持续潮湿的微环境；潮湿的沿海结构，其外露表面却可能很快干燥，而受遮蔽的接缝则可能无法干燥。

温度、湿度与凝露

相对湿度会影响表面液膜能否持续存在。当空气冷却至露点附近时，即使没有降雨，水分也会在钢材表面凝结。夜间降温、背阴表面、封闭箱形截面以及温暖潮湿空气下方的冷金属，都是常见原因。因此，在可测降水量很少的地点，钢材表面仍可能经历许多小时的湿润状态。

温度会同时改变反应速率和水分蒸发速率。较高温度通常会加快电化学反应，但也可能因蒸发增强而缩短湿润时间。在露点附近，轻微的温度变化就可能引发凝露并延长电解质存在时间。温度还会改变氧的溶解度、盐的结晶、锈层转化以及表面液膜的黏度或迁移性。ISO 9223:2012 通过温度—湿度影响对这些效应进行归类，而不是将湿度视为能够独立保证腐蚀速率的因素。

当存在可溶性污染物时，湿度的影响会更加显著。吸湿性盐能够从空气中吸收水分，即使相对湿度尚未达到清洁钢材保持潮湿的程度。因此，带有氯化钠、氯化镁或氯化钙的表面，可能在反复的潮湿阶段中持续保持电解活性。粉尘和工业沉积物也可能产生类似作用，尤其是在其聚集于水平或受遮蔽表面时。

锈层发育取决于这种平衡。启动并维持形成锈层的腐蚀反应需要一定的水分。过量或持续存在的水分会阻止锈层干燥，并可能使孔隙和裂纹持续处于电化学活跃状态。通风不良会减缓蒸发，从而使情况进一步恶化。钢结构研究所于2015年发布的 SCI Guidance Note 1.07 指出，持续潮湿或湿润的环境不适合使用未涂装耐候钢，或属于其受限制的应用环境；高氯化物或盐雾暴露、集中的工业烟气以及埋置环境也属于此类情况。

合金化学成分仍然重要。历史上，耐候钢采用锰、硅、铬、镍、铜、钼和磷等元素来影响腐蚀产物及其附着性。FHWA 于2009年发布的研究还考察了钨、钛、铝和稀土元素的添加。然而，合金元素无法消除箱形截面内的凝露，也无法排空积水陷阱。环境与构造细节仍然相互关联。

二氧化硫、氯化物与空气中的盐分

二氧化硫之所以重要，是因为它会溶解于表面水分中，形成亚硫酸以及氧化后形成的硫酸类物质。这些酸性液膜会提高电导率，并可能破坏锈层的稳定化。工业燃烧源过去曾造成严重的二氧化硫环境，但排放量会因地区和污染源不同而有很大差异。炼油厂、冶炼厂、发电厂或交通密集走廊附近的钢材，所承受的污染物负荷可能不同于附近农村监测站测得的负荷。

氯化物通常具有更强的持续性，局部危害也更严重。海浪飞溅、破碎波、风吹海洋气溶胶、除冰盐以及受污染的径流，都会将氯离子沉积在钢材上。氯化物会渗入锈层的孔隙和缺陷，促进局部阳极溶解；同时，由于吸湿性残留物会重新吸收水分，干燥过程的保护作用也会减弱。风向、标高、距海岸线的距离、飞溅暴露以及雨水冲洗都会影响沉积量。“沿海”并不足以完整描述暴露条件；一个容易收集盐分的受遮蔽构造细部，可能比距离海洋更远的完全外露表面具有更强的腐蚀性。

ISO 9223:2012 将空气中的盐分视为主要腐蚀性因素，现场评估应同时考虑盐分的沉积和滞留。FHWA 于2011年发布的改进型耐腐蚀钢研究报告指出，大多数耐候钢的 ASTM G101 腐蚀指数值介于6和7之间；而该研究的目标是在含氯化物大气中达到约9.5或更高的数值，以获得显著改善的耐蚀性。ASTM G101-04(2010) 提供了根据短期暴露数据估算长期大气腐蚀损失以及根据化学成分估算低合金钢相对大气腐蚀耐力的方法；但它并不会将成分指数转化为免疫能力。

污染物和盐分还会影响结构后果。点蚀会形成应力集中，而 FHWA 的疲劳指南说明，AASHTO 将未涂装普通耐候钢基材的疲劳类别定为比相应的非耐候钢低一级，这是因为存在点蚀。因此，大气腐蚀设计必须将 ISO 9223 暴露条件、ASTM G101 基于成分的估算、排水以及检查可达性与疲劳构造细节联系起来。标称上相同的钢材并不是暴露于单一的大气环境中。结构每平方米区域的实际腐蚀环境，是气候、沉积物、湿润历史和构造几何形状共同作用的结果。

风化钢保护性锈层的形成过程

风化钢并不是以具有防腐蚀性能的表面出厂的。它的耐大气腐蚀性能是在暴露过程中逐步形成的，而最终结果取决于钢材的化学成分、周围空气，以及水分到达和离开表面的方式。ASTM A588 等牌号以及 ASTM A709 规定的风化钢牌号，均属于低碳低合金钢，其中含有经过特意添加、能够改变腐蚀产物形成过程的合金元素。传统成分主要强调 Mn、Si、Cr、Ni、Cu、Mo 和 P；美国联邦公路管理局的研究还考察了 W、Ti、Al 以及稀土元素的添加作用。

这些元素并不会阻止构成大气腐蚀的阳极反应和阴极反应。相反，在适宜的暴露条件下，它们会影响氧化物和羟基氧化物的形成种类、锈层形成的致密程度，以及锈层与基材保持结合的强度。因此，保护性锈层是一种不断演变的腐蚀产物，而不是外加的涂层，也不能保证永久性保护。

初始腐蚀与锈层转变

新加工的钢材表面通常带有氧化皮、车间污染物、热切割产生的氧化物，或搬运和安装过程中残留的物质。一旦水分在裸露钢材表面形成连续或半连续的电解质，局部阳极区域就会释放铁离子：

$$\mathrm{Fe}\to {\mathrm{Fe}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$$

阴极反应消耗氧气和水，并生成氢氧根离子。早期腐蚀产物包括结构无序程度较高的羟基氧化铁和水合氧化物。其外观可能由鲜橙色或黄褐色转变为较深的红褐色；在某些暴露条件下，还可能出现近乎黑色的区域。颜色并不能可靠地反映保护程度。深色表面下方仍可能在沉积物下发生活跃点蚀，而较浅色的锈层中也可能存在相对牢固附着的区域。

随着暴露持续，初始锈层会反复经历溶解、再沉淀、脱水和重组。常见的腐蚀产物包括纤铁矿，通常写作 γ-FeOOH；针铁矿，写作 α-FeOOH；以及磁铁矿 Fe₃O₄。各种产物的比例及其物理排列，会随润湿持续时间、氧气供给、污染物、温度以及钢材合金含量而变化。与普通结构用碳钢形成的锈层相比，风化钢中的合金元素可能促进形成更细密、更紧凑的腐蚀层，但它们无法在每个地点都形成完全相同的矿物结构。

锈层稳定化锈层稳定化 在规定期间内，锈层与环境共同产生相对稳定且通常较低的腐蚀速率的状态；这并不意味着腐蚀已经结束。

这种区别对钢材表面十分重要。疏松、开裂或附着不良的锈层，会使水和氧气反复到达新鲜金属表面。较致密的锈层则会限制传输，减少易于接触的金属面积，从而使腐蚀速率降低。这是反应条件的改变，并不意味着表面转变成了不透水的屏障。即使相邻的大面积表面看起来已经成熟，裂纹、冲击损伤、切割边缘、缝隙，以及积聚碎屑下方的区域仍可能继续腐蚀。

ASTM G101-04(2010) 通过提供相关方法，体现了这种随时间变化的行为：这些方法可根据较短期的暴露数据估算长期大气腐蚀损失，并根据化学成分估算低合金钢的相对大气腐蚀耐久性。采用该标准并不能免除针对具体暴露条件进行判断的必要。化学成分可以显示某种倾向，但单凭化学成分无法说明存在泄漏的接头、氯化物沉积物或长期潮湿的下表面等问题。

交替的干湿暴露

保护性锈层是在反复循环中形成的。在潮湿阶段，雨水、凝露、喷溅水或沉积水分会形成电解质。离子迁移和氧还原反应促进腐蚀，可溶性铁化合物则可能在湿润层中迁移。在干燥阶段，蒸发会提高残余盐分的浓度，并改变氧气的供给条件。一些腐蚀产物会在孔隙和缺陷中沉淀，另一些则会被冲走。当暴露条件适宜时，这种反复的溶解和沉淀过程有助于使最初疏松的锈层转变为结构更稳定的层状物。

“交替”一词十分重要。持续处于湿润状态的表面不会经历有助于固结腐蚀层的同样干燥阶段。SteelConstruction Institute《指导说明 1.07》指出，持续潮湿或湿润的环境、高氯化物或盐雾暴露、集中的工业烟气，以及埋地条件，均属于未涂覆耐候钢不适用或应用受到限制的环境。National Steel Bridge Alliance 同样指出，保护性锈层的形成需要反复经历润湿和干燥。

干燥并不意味着腐蚀会永久停止。表面看起来已经干燥后，孔隙、接头和粗糙区域中仍可能残留薄薄的水膜。氯化物能够吸引水分并延长潮湿持续时间，使腐蚀能够在比洁净表面更低的相对湿度下重新开始。二氧化硫和其他工业污染物可能使表面水分酸化，或形成改变腐蚀反应的沉积物。ISO 9223:2012 使用标准试样第一年的腐蚀速率对大气腐蚀性进行分类，并将温度—湿度效应、二氧化硫污染和空气盐分列为主要环境因素。这些变量有助于解释：为什么采用相同牌号制造的两座结构，可能形成外观明显不同的锈层。

几何形状对干湿循环的控制作用并不亚于气候。水平凸缘、拼接板、加劲肋间隙、螺栓连接细节以及部分密封的空腔，都可能滞留水分和沉积物。受遮蔽的表面可能干燥缓慢，而暴露于风中的表面则可能经历短时降雨和快速蒸发。从一块钢材表面流下的水，可能将富含铁的水带到另一块钢材上，从而形成锈水污迹，但不一定形成同等程度的保护。来自混凝土、镀锌构件或受污染表面的径流，也可能带入改变局部腐蚀过程的物质。

因此，FHWA 指南要求在选用未涂覆风化钢之前，对潮湿持续时间、氯化物暴露、工业污染物、排水、几何形状和维护条件进行评估。在排水良好的桥梁主梁上形成的保护性锈层，不能假定会以相同方式形成于漏水的桥面接缝下方或充满碎屑的连接部位内部。

保护性锈层的稳定化与稳态腐蚀

“稳定化”并不意味着腐蚀已经结束。它描述的是这样一种状态：在一定时期内，锈层与环境共同作用，形成相对稳定、通常较低的腐蚀速率。在平均金属损失趋于稳态变化趋势的同时，锈层仍可能继续增厚、开裂、变得更加致密，并发生矿物形态变化。稳定化所需时间并不是一个普适数值，而会随合金化学成分、表面处理、朝向、降雨、湿度、污染、盐分、温度、排水状况以及润湿和干燥的频率而变化。

大气腐蚀研究综述尤其强调，必须区分稳定化时间与稳态腐蚀速率。短期暴露可能记录的是锈层尚未完成重组之前的早期强腐蚀阶段，也可能恰好处于异常潮湿的季节或临时污染事件期间。因此，长期预测模型必须将瞬态腐蚀与后期腐蚀速率区分开来，并说明预测所依据的暴露条件。ASTM G101-04(2010) 提供了估算方法，但在低估腐蚀损失会造成严重后果的情况下，现场检查仍然不可或缺。

合金成分决定了可达到性能的一部分上限。FHWA 2011 年关于改进型耐腐蚀钢的研究报告指出，大多数风化钢的 ASTM G101 腐蚀指数介于 6 和 7 之间；而该研究的目标是在含氯化物大气环境中实现约 9.5 或更高的指数，以获得显著改善的耐腐蚀性。这一结果并不能确定与地点无关的使用寿命；它说明了为什么基于成分的指数和针对氯化物环境的试验十分重要。

同样，外观已经成熟的保护性锈层也不能免除结构设计方面的责任。点蚀会造成局部截面损失和应力集中。FHWA 疲劳设计指南指出，AASHTO 将无涂层风化钢母材的疲劳类别定为比相应的非风化钢低一个等级，原因在于点蚀。因此，检查必须重点查看积水部位、缝隙、边缘、紧固件区域，以及锈皮或碎屑掩盖钢材的区域。如果持续润湿、氯化物积聚或排水失效，预期的较低稳态腐蚀速率可能根本不会形成。保护性锈层只有在化学成分、暴露条件和构造细节相互适配的前提下，才会产生保护作用；它并不是自动形成的永久涂层。

合金化学成分与腐蚀机制

耐候钢是一种低碳、低合金钢，其大气环境性能取决于暴露后形成的锈层。该锈层并非工厂预先施加的涂层，也不会使基体金属免受腐蚀。在适宜条件下，腐蚀产物会变得相对致密、附着牢固，并且比普通碳钢上形成的疏松锈层具有更低的渗透性。其结果是长期腐蚀速率降低，而不是完全不发生腐蚀。

合金化学成分会影响锈层的组成、结构和附着性，但化学成分不能脱离暴露条件单独考察。ISO 9223:2012 根据标准试样第一年的腐蚀速率对大气腐蚀性进行分类，并将温度—湿度条件、二氧化硫污染和空气中盐分列为主要影响因素。在农村大气环境中能够趋于稳定的钢材，在海水飞溅区、碎屑下方，或持续保持潮湿的接头内部，仍可能继续发生截面损失。

传统合金元素：Mn、Si、Cr、Ni、Cu、Mo 和 P

传统耐候钢方法通常采用多种含量适中的合金添加元素，而不是依赖某一种元素。FHWA 的研究将传统关注点概括为锰（Mn）、硅（Si）、铬（Cr）、镍（Ni）、铜（Cu）、钼（Mo）和磷（P）。这些元素的作用会通过钢材洁净度、偏析、相的形成以及腐蚀产物的化学成分相互交叠。

锰通常作为提高强度和改善加工性能的添加元素存在，并以硫化锰夹杂物的形式结合硫。这些夹杂物会影响局部电化学活性和点蚀，尤其是在其形状和分布不利的情况下。硅主要用作脱氧剂，并有助于提高强度；它还可能影响含硅腐蚀产物组分及其致密程度。单独考察这两种元素，都无法预测一根桥梁主梁是否会形成稳定的保护性锈层。

铬与更加致密、溶解度更低的腐蚀产物有关，并可促进保护性氧化物或羟基氧化物相在钢材—锈层界面富集。其作用取决于含量和暴露条件。在许多耐候钢成分中，镍尤其重要，因为它能够提高大气耐蚀性，同时不会产生某些其他合金元素过量添加可能带来的同等程度的不利焊接性能或脆化问题。在含氯化物的条件下，含镍钢材因其降低局部腐蚀严重程度和改变锈层组成的能力而受到研究。

铜是耐候钢的特征性添加元素。随着腐蚀进行，铜往往会在金属—锈层边界附近富集，并可促进形成附着性更强、渗透性更低的锈层。铜并不能阻止氧化的初始阶段；水分仍会引发铁的阳极溶解。随着腐蚀产物不断积累，反复的润湿与干燥改变其结构，铜的作用才会逐渐显现。

钼能够通过影响羟基氧化铁及蚀坑的化学环境，提高包括氯化物相关腐蚀在内的局部腐蚀抗力。在盐沉积物持续保持湿润的情况下，钼并不能保证不会发生点蚀。历史上，一些耐候钢采用磷，是因为磷能够提高大气腐蚀抗力，并有助于形成致密锈层。然而，磷含量过高可能损害韧性、焊接性能或断裂性能，因此其允许含量受到钢材规范和设计要求的限制。

因此，该机制是一个连续过程。在润湿期间，电解质膜使铁发生溶解，并使阴极氧还原得以进行。在干燥期间，溶解离子浓缩，腐蚀产物发生转变，锈层可能变得导电性更低、渗透性更小。合金化会改变这些反应的速率及其产物。反复循环至关重要：National Steel Bridge Alliance 指出，保护性锈层的形成需要经历润湿和干燥；而持续潮湿的钢材可能会继续发生活跃腐蚀，因为锈层始终未经历稳定化所需的干燥阶段。

这种区别也会影响疲劳性能。即使平均腐蚀损失不大，蚀坑仍会形成应力集中点。FHWA 的疲劳指南指出，AASHTO 将未涂装耐候钢基材的疲劳类别定为比相当的非耐候钢低一个等级，原因在于点蚀。合金化学成分可以减轻腐蚀损伤，但并不能免除对疲劳细节进行验算、检查蚀坑，以及控制焊缝、连接部位和翼缘边缘处水分的必要性。

W、Ti、Al 和稀土添加元素的前沿研究

研究人员已对钨（W）、钛（Ti）、铝（Al）和稀土添加元素进行了研究，以改变锈层成核、离子传输和蚀坑发展。这些研究并未确立一种可普遍取代传统耐候钢化学成分的方案。每种添加元素除会影响腐蚀外，还可能影响夹杂物、析出相、焊接行为、韧性和制造工艺。

钨被研究用于其可能形成更加致密、化学稳定性更高的锈层的作用，尤其是在氯化物暴露条件下。钛能够细化晶粒，并形成稳定的碳化物、氮化物或碳氮化物颗粒；这种细化可能影响腐蚀的均匀性，但控制不当的夹杂物也可能形成局部电化学电池。铝能够改变脱氧产物和氧化物的化学成分。稀土元素可能改变夹杂物的形状和分布、改善钢材洁净度，或改变腐蚀产物的附着性和形貌。其作用高度取决于具体元素、添加浓度和加工工艺路线。

FHWA 关于改进型耐蚀钢的项目清楚地区分了实际应用方向。传统耐候钢围绕 Mn、Si、Cr、Ni、Cu、Mo 和 P 开发，而后续研究则考察了 W、Ti、Al 和稀土添加元素，以改善材料在含氯化物大气中的性能。FHWA 于 2011 年报告称，大多数耐候钢的 ASTM G101 腐蚀指数值介于 6 和 7 之间，而研究目标是达到约 9.5 或更高。该目标是用于显著改善抗氯化物腐蚀能力的研究判据，并不是一个一般性阈值，不能据此证明未涂装构件适用于所有沿海地点或除冰盐环境。

这一点很重要，因为传统耐候钢化学成分与改进型耐蚀钢研究针对的是不同的暴露限制。FHWA 的场址选择指南要求评估湿润时间、氯化物暴露、工业污染物、排水、构造几何和维护情况。2015 年发布的 SCI Guidance Note 1.07 将持续潮湿或湿润的环境、高氯化物或盐雾暴露、集中的工业烟气以及埋置条件，列为未涂装耐候钢不适用或受限制的应用环境。任何合金添加元素都无法弥补一个会无限期滞留水分和道路盐分的构造细节。

ASTM G101 下基于成分的腐蚀指数

ASTM G101-04(2010) 提供了一个具有两种不同用途的估算框架：一是根据短期暴露数据估算长期大气腐蚀损失，二是根据低合金钢的化学成分估算其相对大气耐蚀性。基于成分的腐蚀指数将规定的合金元素含量转换为一种经验性指标，用于钢材之间的比较。它并不是对桥梁构件使用寿命的直接计算。

该指数的实用价值在于将化学成分与可测量的性能预期联系起来。在建立该关系所依据的范围和条件内，较高的数值通常表示较高的大气耐蚀性。FHWA 给出的数值——大多数现有耐候钢约为 6 至 7，而所研究的耐氯化物腐蚀成分约为 9.5 或更高——说明了该指数如何用于指导合金开发。但这并不意味着所有高于 9.5 的钢材都能在充满盐分的缝隙中形成稳定锈层，也不意味着所有低于 9.5 的钢材都会在干燥的内陆大气中失效。

ASTM G101 还受到其输入参数的限制。化学成分无法描述径流路径、缝隙几何形状、沉积物、干燥时间、二氧化硫浓度、飞溅暴露或维护情况。它无法表示这样一种翼缘下表面：由于伸缩缝泄漏而长期保持潮湿。ISO 9223:2012 提供大气腐蚀性的框架，而 FHWA 指南提供场址和构造细节方面的评估问题；这两者都不允许用化学成分取代暴露条件评估。

对于桥梁建设中使用的钢材，材料规范仍然具有重要意义。ASTM A709/A709M 涵盖桥梁结构用钢，包括耐候钢牌号；而设计验算必须考虑截面损失、连接、焊缝、断裂韧性和疲劳。根据 ASTM G101 得出的正确结论是有限但有用的：合金化学成分能够提高或降低锈层稳定化的可能性，也能够支持对候选成分进行比较。但保护性锈层仍须通过适当的润湿和干燥过程形成，避免持续污染，并通过检查加以验证。

ASTM G101 与基于成分预测的局限性

ASTM G101-04(2010)涉及两个相关但不同的任务。该标准提供了根据短期暴露数据估算长期大气腐蚀损失的方法，也提供了根据低合金钢化学成分估算其相对大气腐蚀耐蚀性的方法。无论哪一种方法，都不能将钢材牌号转化为有保证的服役寿命数值。

这一点对于 ASTM A588 等耐候钢，以及 ASTM A709 所涵盖的耐候钢级别而言十分重要。这类钢材的耐蚀性取决于相对致密且附着牢固的锈层的形成与保持。合金并不会因此对腐蚀免疫，且在所有暴露条件下，锈层都不是能够永久保持保护作用的涂层。ASTM G101 可以为工程评估提供支持，但不能替代现场特征分析、构造细节审查、暴露试验或检验规划。

根据短期暴露估算长期损失

短期暴露可以为估算较长期的腐蚀记录提供起点，但估算结果取决于该暴露是否能够代表所处环境以及所模拟的腐蚀阶段。在表面反复受潮、干燥、锈蚀并脱落松散腐蚀产物的早期阶段，腐蚀可能相对较快。随着更加稳定的锈层形成，后期腐蚀速率可能下降。这一转变既不是瞬时发生的，也不会在每个地点以相同方式发生。

因此，ASTM G101 将长期损失视为基于暴露数据和腐蚀行为的估算问题，而不是将数月数据固定换算为数十年数据。一块在开放环境中暴露的试板所测得的短期失重，可能无法说明桥梁中一块因接缝泄漏而长期保持潮湿的拼接板的情况。空气流动良好的试验架所得到的结果，也可能不同于被鸟类排泄物、道路砂砾或积聚盐分覆盖的主梁翼缘。

当暴露周期未涵盖重要的季节性条件时，不确定性会进一步增大。冬季除冰盐、夏季凝露、海洋气溶胶和工业排放可能引发短期试验所遗漏的腐蚀事件。相反，如果施工期间存在严重污染，而该污染并不代表正常运行条件，则施工期的重度污染可能会夸大长期平均腐蚀水平。

ISO 9223:2012 提供了更广泛的大气腐蚀性框架。该标准使用标准试样第一年的腐蚀速率对腐蚀性进行分类，并将温度—湿度影响、二氧化硫污染和空气传播的盐分确定为关键因素。其腐蚀性类别描述的是大气环境，而不是某一特定耐候钢构件的确切损失量。现场类别可以为选材提供参考，但局部缝隙、台阶和排水路径可能形成比名义分类所显示的环境更严苛的微环境。

因此，在可能的情况下，长期预测应采用暴露记录、可比腐蚀数据以及实际构件几何形状。试片试验可以提高评估可信度，尤其适用于特殊的工业、沿海或除冰盐环境。即便如此，测得的截面损失也只是设计问题的一部分。在平均厚度损失尚未显著之前，点蚀、层状缺陷暴露、螺栓孔扩大以及对疲劳敏感的缺口都可能已经成为控制因素。

根据化学成分评估相对腐蚀耐蚀性

ASTM G101 中的成分法根据规定的合金元素计算腐蚀指数。该指数具有比较性质。它有助于表明某种低合金钢在大气暴露条件下相对于另一种低合金钢的可能表现，但不能像现场专用模型那样，以每年毫米级的精度预测某个项目的腐蚀速率。

传统耐候钢的化学成分设计重点关注锰、硅、铬、镍、铜、钼和磷。这些元素会影响锈层、电化学反应，以及腐蚀产物变得孔隙更少、附着性更强的倾向。美国联邦公路管理局 2009 年开展的耐腐蚀钢研究还考察了钨、钛、铝和稀土元素的添加。该研究反映出一个重要事实：可以通过成分设计提高耐蚀性，但该指数只是最终腐蚀机制的替代指标。

美国联邦公路管理局在 2011 年报告称，大多数耐候钢的 ASTM G101 腐蚀指数值在 6 至 7 之间，而其研究针对的是在含氯化物大气中具有显著改善耐蚀性的、接近或高于 9.5 的指数值。这些数值对于比较候选化学成分很有用。但这并不意味着指数为 9.5 就能保证钢材在撒盐道路旁裸露使用时具有可接受的性能，也不意味着指数为 6 的钢材在所有内陆地点都会失效。

较高的指数可能表明合金成分配比更加有利，但化学成分并不能描述表面污染、焊接区域、氧化皮状态、径流或受潮持续时间。它也不能反映合金元素与大气之间的所有相互作用。即使两炉钢均满足同一牌号的限值，其锈层形成情况也可能因成分的细微差异、加工历史、表面处理和暴露方向而不同。

还必须将该指数与牌号区分开来。ASTM A588 规定了一种具有明确化学和力学要求的耐候钢产品，但并不保证其在所有环境中都遵循同一条腐蚀损失曲线。ASTM A709 包含桥梁钢级别及相关要求，但选择符合标准的钢级并不能免除对暴露条件和构造细节进行评估的需要。材料符合性是所规定钢材的必要条件，但不能替代腐蚀设计。

为什么暴露条件仍然决定结果

耐候钢需要经历交替的受潮与干燥，才能形成具有保护作用的锈层。如果表面持续潮湿，腐蚀产物可能保持多孔且具有活性，而不是趋于稳定。SCI Guidance Note 1.07 将持续潮湿或湿润的环境、高氯化物或盐雾暴露、浓度较高的工业烟气以及埋地条件列为不适合或限制使用裸露耐候钢的应用环境。这些条件可能压倒有利成分指数所暗示的耐蚀优势。

氯化物尤其具有破坏性，因为它会在沉积物中富集，并破坏具有保护作用的锈层。海洋飞沫、车辆携带的除冰盐、桥面板接缝泄漏以及受污染的径流，即使在总体大气环境看似中等的情况下，也可能造成严重的局部暴露。二氧化硫和其他工业污染物可能提高电解质酸度或改变锈层化学性质。受遮蔽表面的腐蚀速度可能快于暴露表面，因为前者受到雨水冲洗较少，且干燥较慢。

排水和几何形状往往决定锈层能否稳定形成。拼接板处的积水区、加劲肋端部、连接部位的封闭凹槽、未密封的搭接部位以及水平台阶，都会造成反复或持续受潮。碎屑会滞留水分和氯化物。桥面下方或箱形截面内部通风不良也会产生同样的影响。构造细节必须将水引离钢材，而不能使水流过敏感的连接部位并在下方聚集。

设计后果并不局限于平均大气腐蚀损失。点蚀会造成应力集中；FHWA 疲劳设计指南指出，AASHTO 对于平整、未涂覆的耐候钢母材所规定的疲劳类别，比相应的非耐候钢低一个等级，这是由于点蚀的影响。因此，即使计算得到的一般腐蚀损失看似不大，结构仍可能需要重点关注疲劳问题。

当 ASTM G101 的结果被视为证据而非保证时，该标准才具有真正的价值。可信的决策应将成分指数与 ISO 9223 大气信息、氯化物和污染物评估、受潮时间、排水审查、几何形状、维护可达性以及检验措施结合起来。如果现场条件无法支持反复干燥和稳定锈层的形成，则无论钢材计算出的指数是多少，都可能需要采用涂装、防护措施或其他腐蚀控制手段。

设计决策中的 ISO 9223 腐蚀性等级

ISO 9223:2012 为大气腐蚀性提供了通用语言，但它并不是未涂覆耐候钢的批准证书。该标准采用标准试样的第一年腐蚀速率对大气进行分类，并将结果与环境参数相关联，尤其是温度和相对湿度、二氧化硫污染以及空气传播的盐分。这些输入参数描述了大气对参比金属的侵蚀性，但它们本身并不能预测结构上每一种合金、连接部位、缝隙、焊缝或排水细节的状况。

标准试样的第一年腐蚀速率

第一年腐蚀速率上限（μm/year）

对于普通碳钢标准试样，ISO 9223:2012 规定的第一年腐蚀速率范围如下：

这些数值是分类界限，并不是结构钢在整个服役期内的保证性厚度损失。第一年也具有特殊性。裸钢在暴露初期通常腐蚀得更快；随着锈层形成，氧气、水分和污染物到达金属表面的路径会发生变化。耐候钢的设计目的在于形成相对致密且附着牢固的腐蚀层，因此其后续腐蚀速率可能与普通碳钢参比试样的速率存在显著差异。

这种差异并不意味着 ISO 等级无关紧要。它确定了环境条件的起点。例如，C3 大气并不自动意味着不适用于耐候钢，但与 C2 内陆大气相比，需要进行不同的评估。同样，CX 等级表明，在这类条件下，氯化物沉积、海洋气溶胶、持续性潮湿或强烈的工业污染可能会阻碍腐蚀层稳定形成。

ISO 9223 将标准化试样的行为与环境测量值及估算值结合起来。在实际应用中，某一地点可能根据温度—湿度条件和污染数据获得初始等级，然后在考虑当地暴露特征后，被确定为更高或更低的实际严重程度。遮蔽表面、构件底面细节以及道路附近位置所处的微环境，可能比暴露试验架所处的环境更具破坏性。即使广域区域分类显示为中等，含氯化物的飞溅区仍可能保持强烈侵蚀性。

因此，应将标准中的腐蚀速率视为大气环境基准，而不能将其作为沉积量测量、同类结构检查或拟建结构几何形状评估的替代方法。

将腐蚀性分类作为输入参数

在初步筛选阶段，该等级具有实用价值。它有助于确定未涂覆耐候钢方案是否值得进一步评估，是否应从一开始就考虑防护涂层体系，以及设计团队是否需要现场特定的暴露数据。应同时记录该分类的来源和依据，例如实测腐蚀速率、气候计算、污染数据、距海距离或工程判断。

仅凭一个等级，无法决定未涂覆耐候钢是否可接受。美国联邦公路管理局的指南要求，在选择未涂覆耐候钢之前，评估润湿时间、氯化物暴露、工业污染物、排水、几何形状和维护条件。这些因素之所以重要，是因为保护性锈层的形成依赖于交替的干湿循环。美国钢桥联盟指出，必须反复经历润湿和干燥，才能形成具有保护作用的锈层。如果某一表面因泄漏的接缝而长期保持潮湿，即使处于名义上中等的大气环境中，也可能继续腐蚀。

设计审查应当追问：ISO 等级掩盖了哪些具体情况？构件是否会受到海浪飞溅、除冰盐或风载氯化物的影响？水能否从翼缘和节点板排走，还是会在拼接处、加劲肋或支座后方积聚？是否存在狭窄缝隙、水平凸台、层间锈蚀滞留区或容易积存杂物的细节？工业二氧化硫、酸性冷凝物或异种金属接触是否会形成局部腐蚀电池？检查通道是否足够，以便在点蚀影响疲劳性能之前发现问题？

合金化学成分同样是该决策的一部分。耐候钢依赖有意添加的 Mn、Si、Cr、Ni、Cu、Mo 和 P；研究还考察了 W、Ti、Al 以及稀土元素的添加。ASTM G101-04(2010) 提供了利用短期暴露数据估算长期大气腐蚀损失的方法，并提供了根据化学成分估算低合金钢相对大气耐蚀性的方法。其基于成分的指数可用于比较，但仍然只是估算值，并不能保证特定现场的性能。美国联邦公路管理局的研究报告指出，大多数耐候钢的 ASTM G101 指数值介于 6 和 7 之间；而对于含氯化物大气环境中耐蚀性显著提高的研究目标，该指数接近或高于 9.5。

所选产品标准仍必须控制材料要求。对于桥梁工程，《钢桥设计手册》将耐候钢相关规定列入 ASTM A709 桥梁钢的材料和设计考虑事项中。材料的化学成分、力学性能、可焊性和制造控制要求，不能根据 ISO 腐蚀性等级推断。

疲劳问题需要单独处理。即使平均厚度损失看起来很小，点蚀也会降低有效疲劳强度。美国联邦公路管理局的疲劳设计指南指出，AASHTO 将未涂覆普通耐候钢母材的疲劳类别规定为比相应的非耐候钢低一级，原因在于点蚀。因此，腐蚀性分类应作为疲劳审查的输入，而不仅仅用于计算腐蚀裕量。

厚度裕量和暴露等级的解释

ISO 等级可以为厚度裕量的确定提供依据，但该裕量必须与实际暴露条件、设计寿命、腐蚀模型以及暴露面的数量相对应。将名义第一年腐蚀速率乘以服役年限通常过于粗略：腐蚀速率会随着锈层形成而变化，遮蔽表面的表现不同于自由暴露表面，而且在均匀腐蚀损失达到关键程度之前，局部点蚀可能已经控制结构性能。

SCI《指导说明 1.07》将耐候钢的厚度裕量与暴露等级及钢材表面所处条件相关联。其设计方法要求工程师确定构件属于外部暴露、受到遮蔽，还是处于会抑制锈层形成的条件下，然后针对预期服役期采用相应的裕量。暴露等级并不是装饰性标签；它会改变假定的腐蚀需求，从而改变抗力验算中可用的剩余厚度。

厚度裕量还必须与构造细节相适应。增加 1 毫米厚度，无法弥补翼缘多年滞留含盐水的问题。同样，它也不能使埋地钢材、持续潮湿的钢材或盐雾表面等同于排水良好的暴露表面。SCI《指导说明 1.07》将持续湿润或潮湿环境、高氯化物或盐雾暴露、集中的工业烟气以及埋地条件列为未涂覆耐候钢不适用或受限制的应用场景。在这些位置，与其增加腐蚀裕量，可能更需要采用涂层体系、改进排水、封闭细节或改变材料方案。

设计人员应区分以下几类厚度需求：用于保持结构抗力的腐蚀裕量、制造公差所需的金属厚度、安装损伤的补偿以及对未来检查不确定性的预留。应按减薄后的状态验算钢板，并检查连接部位是否存在层间锈蚀、截面损失和积水区。排水孔在杂物和腐蚀产物积聚后仍必须保持有效。

实际步骤是明确的：确定 ISO 9223 等级，核实环境参数，识别当地暴露修正因素，选择并核实耐候钢牌号，采用适用设计指南中的暴露相关厚度规定，然后检查排水、疲劳、检查和维护条件。ISO 9223 是决策的起点，而不是终点。

未涂装耐候钢变得具有风险的场地选择

未涂装耐候钢并非仅仅因为结构位于室外就适用。其大气腐蚀抗力取决于特定的暴露模式：钢材表面必须反复经历受潮和干燥，同时合金逐渐形成相对致密且附着牢固的锈层。该锈层可以降低后续腐蚀速率，但并不是一种自动形成且永久有效的涂层。若场地使钢材长期保持潮湿、持续提供氯化物、滞留受污染的水，或使工业烟气聚集，就可能阻碍锈层稳定形成。

因此，在选择未涂装系统之前，必须进行环境筛查。美国联邦公路管理局（FHWA）要求设计人员在选用未涂装耐候钢之前，评估潮湿时间、氯化物暴露、工业污染物、排水、几何构造以及维护条件。这些检查应在初步设计阶段完成，而不是等到出现锈水污染、截面损失或裂纹之后才进行。

ISO 9223:2012 为此类筛查提供了一个有用的框架。该标准利用标准试样第一年的腐蚀速率对大气腐蚀性进行分类，并将温度—湿度影响、二氧化硫污染和空气传播的盐分视为主要影响因素。该分类本身并不能批准某一耐候钢应用。它只能提供环境方面的证据，而这些证据必须结合合金化学成分、暴露几何条件以及场地腐蚀后果进行解读。

海洋、盐雾和含氯化物大气

海洋暴露是最明确的风险条件之一。海浪飞沫、破碎波、风携盐分以及除冰盐会将氯离子沉积到钢材表面。氯化物会使锈层的导电性和化学活性增强，保持水分，并促进沉积物下方的局部腐蚀。表面可能不再形成相对均匀且附着牢固的保护性锈层，而是形成点蚀和松散的腐蚀产物。锈层即使看起来颜色深且已经成熟，其下方的腐蚀仍可能持续。

盐分暴露并不局限于海岸线。桥面和匝道可能反复施用氯化钠或氯化钙，盐雾会被带到主梁、支座、横向框架和下翼缘上。风可以将盐分带入内陆。沿海工业场地还可能同时存在空气盐分、含硫化合物和持续高湿度。相关问题不仅是钢材距海多远，还包括到达钢材表面的氯化物数量、沉积频率，以及雨水能否将其冲洗掉。

FHWA 的限制规定直接涉及海洋环境和富含氯化物的环境。在氯化物污染严重，或含盐水分反复润湿钢材表面而又没有充分冲洗和干燥条件的场所，不应选用未涂装耐候钢。钢结构研究所的 SCI Guidance Note 1.07 将高氯化物暴露或盐雾暴露认定为未涂装耐候钢不适用或受到限制的条件。飞溅区尤其容易出现问题：钢材交替处于浸没、受喷溅和接触氧气的状态，无法获得普通大气锈层形成所需的稳定干湿循环。

钢材牌号的化学成分很重要，但化学成分无法消除恶劣暴露环境的影响。FHWA 于 2011 年发表的研究报告指出，大多数耐候钢的 ASTM G101 腐蚀指数介于 6 和 7 之间，而该研究所针对的是在含氯化物大气中显著提高耐蚀性所需的约 9.5 或更高的指数。ASTM G101-04(2010) 提供了根据短期暴露数据估算长期大气腐蚀损失，以及根据化学成分估算低合金钢相对大气腐蚀抗力的方法。这些指数可用于比较，但不能构成场地豁免依据。

疲劳设计进一步说明了必须认真对待氯化物暴露。点蚀会产生局部应力集中，而腐蚀损失可能在很短距离内发生显著变化。FHWA 疲劳设计指南指出，AASHTO 将普通未涂装耐候钢母材的疲劳类别设定为比相应的非耐候钢低一个等级，原因在于点蚀。因此，处于盐分暴露环境中的桥梁必须同时评估材料损失以及点蚀对疲劳抗力的影响。可能有必要对易受影响的表面进行涂装、改善排水，或选用其他防腐蚀系统。

持续潮湿、埋置和通风不良的位置

保护性锈层需要交替的干湿循环。美国国家钢桥联盟（NSBA）指出，保护性锈层的形成需要反复受潮和干燥。持续潮湿会中断这一过程。贴附在钢材表面的水会在某些区域限制氧的传输，同时在其他区域支持电化学腐蚀；沉积物还可能形成差异充气腐蚀电池，导致形成的腐蚀产物长期保持松软、多孔且附着不牢。

即使区域气候较为温和，设计细节也常常会造成这种状况。水平凸缘、箱形截面、加劲肋间隙、拼接板、背靠背角钢、折弯板以及堵塞的排水孔，都可能滞留雨水或受污染的沉积物。狭窄缝隙的外露边缘可能已经干燥，而根部仍保持潮湿。这种不均匀暴露会促进局部腐蚀，而不是大气设计所假定的较为均匀的表面变化。

FHWA 指南要求针对具体场地审查排水和几何构造。水必须能够迅速离开结构，构造细节还必须防止碎屑形成积水潮湿区。通风同样重要。封闭或受遮蔽的空间在外露表面干燥后仍可能保持高湿度，尤其是在空气流动较弱并发生冷凝的情况下。SCI Guidance Note 1.07 将持续湿润或潮湿的环境以及通风不良列为未涂装耐候钢受到限制或不适用的条件。

埋置钢材是另一项独立警示，不属于普通大气暴露应用。土壤会持续提供水分、溶解盐分，以及在某些场所存在的酸性或具有微生物活性的条件。土壤接触还会阻止大气耐候所依赖的开放环境干湿循环。钢材部分嵌入混凝土、路面、填土或积聚沉积物中的情况也存在同样问题，只要界面保持潮湿即可。地下截面、挡土构造、埋置支撑以及基础处钢材，都需要针对土壤或浸没暴露设计防护策略，而不能依赖大气环境中的保护性锈层。

材料过渡部位也可能滞留水分。密封胶、膜材、防火材料、不相容金属以及安装不当的盖板，都可能形成长期潮湿的缝隙。一个构件上的径流可能排放到另一个构件上，使氯化物和腐蚀产物集中在狭窄的线状区域。泄漏的伸缩缝或桥面排水孔下方的飞溅区尤其需要注意，因为钢材可能反复受到受污染水的润湿，却很少获得有利的干燥条件。

工业烟气和污染物聚集

即使没有明显的盐雾，工业大气也可能具有腐蚀性。燃烧和加工厂排放的二氧化硫会溶解在表面水分中，并形成酸性化合物；随着氧化过程进行，还可能形成亚硫酸和硫酸。其他污染物，如硫化氢、氯化物、氮氧化物、酸性气溶胶和工艺粉尘，也会改变锈层的化学性质。沉积粉尘可能从潮湿空气中吸收水分，使降雨结束后的潮湿时间延长。

ISO 9223:2012 明确将二氧化硫污染列为大气腐蚀性分类的影响因素。污染物浓度和沉积模式都很重要。靠近烟囱、冶炼厂、化工厂、化肥设施、废物处理设施或高度工业化港口的场地，所承受的污染物负荷可能远高于区域监测站所显示的水平。局部烟羽、受遮蔽的凹部和背风面，可能在同一结构内部形成严重不同的微环境。

因此，FHWA 的限制规定将工业污染物的集中存在列为需要谨慎评估或排除的条件。SCI Guidance Note 1.07 同样将集中的工业烟气认定为未涂装耐候钢不适用或受到限制的环境。问题并不在于合金是否含有铜、铬、镍、磷或其他有意添加的元素。耐候钢属于低碳钢，其腐蚀行为通过合金化进行调整；FHWA 记录了传统上对锰、硅、铬、镍、铜、钼和磷的关注，后续研究还考察了钨、钛、铝和稀土元素的添加。合金设计可以在适宜的暴露条件下提高耐蚀性，但不能将一个充满酸性污染物且持续潮湿的表面变成受保护的表面。

可靠的场地决策应将大气数据与现场调查相结合，调查内容包括氯化物沉积、污染源、主导风向、冷凝、排水路径、飞溅区域、封闭空间、土壤接触和检查可达性。ASTM G101 计算和 ISO 9223 分类可以为评估提供依据；对于情况不确定的场地，还可以考虑使用暴露试片或开展局部腐蚀监测。如果结构无法干燥、无法检查，或将受到集中的氯化物或工业烟气作用，则应在构造细节确定之前拒绝采用未涂装耐候钢，或对其使用范围加以限制。

结构细化：排水、杂物与通风

防止积水和杂物积聚

耐候钢无法弥补不良的几何构造。只有当表面反复经历湿润与干燥时，合适的合金才能形成相对致密且附着牢固的锈层；长期保持潮湿、滞留淤泥或承受集中径流的接缝，其腐蚀速度可能快于由耐腐蚀性较低的钢材制成的暴露表面。National Steel Bridge Alliance 的技术入门资料（2010年）指出，交替的干湿循环是保护性锈层形成的条件。其实际含义十分直接：与名义上的材料选择相比，构造细节同样能够强有力地控制腐蚀。

SteelConstruction.info 和 SCI Guidance Note 1.07 将水和杂物积聚列为未涂覆耐候钢性能不理想的主要原因之一。水平凸缘尤其容易出现问题。翼缘突出部、加劲肋、托架、支座搁板或建筑收边部位可能截留树叶、砂砾和鸟巢材料，随后使雨水贴附并滞留在钢材表面。即使可见表面已经干燥，杂物仍会延长潮湿持续时间，并可能保留道路喷溅水或海洋气溶胶中的氯化物。狭窄的搁板并不会仅仅因为宽度小就变得安全；毛细作用可能使其下表面及相邻焊缝持续潮湿。

因此，构造细节应使水排走，而不是将水储存起来。倾斜的上表面、圆滑或渐缩的过渡部位、两端开放的槽道以及便于接近的表面，都有助于减少水分滞留。若结构上必须设置搁板，其宽度、坡度和边缘处理应防止沉积物滞留，且其下表面应便于目视检查。加劲肋不应终止于狭小的封闭凹腔内。板件之间的交接处需要留有足够间隙，以便排水，并使检查人员能够看到相关焊缝和母材。

缝隙尤其需要重点关注。搭接板、间断焊缝、螺栓搭接接头、衬垫条以及未密封的折边，都可能形成狭窄的氧浓差电池。水会从开口处进入，而接缝内部的蒸发受到限制。由此产生的局部腐蚀可能比一般表面腐蚀严重，并可能在缝隙入口处形成点蚀。名义上具有耐腐蚀性的材料成分，并不能消除这一电化学问题。

同一原则也适用于施工公差。图纸上能够排水的细节，在板件变形、焊接收缩、沉降或排水口堵塞后，可能变成积水点。排水孔的位置应确保其在预期的制造和安装公差范围内仍能有效工作，而不应仅仅将其标示在理想化图纸的最低点。小孔可能被锈垢或淤泥堵塞；排水孔的尺寸和检修条件应根据可能到达该处的杂物类型确定。设计记录应标明排水口堵塞会导致长期潮湿的部位，并应在结构完工前提供检查通道。

疲劳设计不能与这些构造细节割裂开来。FHWA 的疲劳设计指南（2016年）报告称，AASHTO 将未涂覆耐候钢的普通母材疲劳类别定为比相当的非耐候钢低一级，原因在于点蚀。缝隙或杂物陷阱可能加剧局部点蚀，并形成比光滑板件计算中所假定的更尖锐的应力集中。因此，焊趾、切口转角、螺栓孔以及排水口附近区域，既需要采用适当的疲劳细节类别，也需要制定腐蚀检查方案。

设置排水与通风

排水路径应连续、清晰可见，并防止意外堵塞。进入箱梁、护栏、伸缩缝凹槽或加劲板的水，都需要有明确的排水路线通向出口。将水排放到另一钢材表面的排水口，只是把问题转移了。排水口的位置应避免使水淋湿下翼缘、支座、接头、人行通道以及容易受到锈渍污染的混凝土表面。如果排水必须越过结构表面，几何构造应防止水流沿接缝扩散或进入缝隙。

封闭凹腔是反复出现的失效部位。密封腔体虽然可以阻挡雨水，但仍可能含有制造过程中残留的水分、冷凝水或难以发现的微小渗漏。既未防水密封、又未设置通风干燥条件的腔体尤其危险。SteelConstruction.info 和 SCI Guidance Note 1.07 强调排水与通风的重要性，因为大气腐蚀受干燥时间影响，而不仅仅取决于降雨量。通风口的布置应允许空气流动和检查，同时避免直接收集雨水及盐雾。通风口还应具有适当尺寸，并采取措施防止鸟巢、昆虫和积聚的杂物进入。

通风不能替代排水。空气流动无法排除滞留在搭接板后方的积水，而开口可能引入潮湿空气或含氯化物的喷溅水。设计意图必须明确：水应依靠重力排出，通风则应减少冷凝并促进干燥。在箱形截面中，可能需要设置高位和低位开口，以促进空气交换和排水；但其布置必须考虑风驱雨，以及其中一个开口发生堵塞的可能性。

环境暴露评估应以现场条件为依据，而不能只看“耐候钢”这一名称。ISO 9223:2012 根据标准试件第一年的腐蚀速率对大气腐蚀性进行分类，并将温度—湿度条件、二氧化硫污染和空气传播的盐分确定为关键因素。FHWA 指南（2003年）要求在选用未涂覆耐候钢之前，评估潮湿持续时间、氯化物、工业污染物、排水、几何构造和维护条件。SCI Guidance Note 1.07（2015年）将持续湿润或潮湿的部位、高氯化物或盐雾暴露环境、集中的工业烟气环境以及埋置条件列为不适用或受限制的应用场景。

这一点对于会改变局部环境的构造部位尤为重要。桥面可能使一个表面暴露于雨水，同时因接缝渗漏而使另一个表面持续潮湿。临海护栏的临海侧可能受到盐雾，而其顶栏下方则可能滞留盐分沉积物。工业结构可能在工艺排放口处承受集中的二氧化硫或其他烟气。在每一种情况下，同一钢材牌号在结构的不同部位可能表现不同。排水、遮蔽和通风应结合环境暴露图进行审查，而不能等腐蚀出现后才处理。

检查必须包括从地面不易观察到的部位：搁板下表面、节点板后方、箱形截面内部、排水孔周围、搭接接头处以及积聚沉积物下方。检查间隔应确保在截面损失变得显著之前，及时纠正排水口堵塞和持续潮湿问题。检查记录应区分污渍、表面锈垢、活性点蚀和厚度损失；仅凭棕色外观不能证明保护性锈层已经稳定。

避免不相容金属接触及锈渍径流路径

不应假定耐候钢与所有相邻材料都具有电化学相容性。在存在电解质的情况下，与更高贵金属接触可能导致耐候钢发生电偶腐蚀；尤其当阴极材料的暴露面积较大，而钢材接触区域较小时，这种风险更为突出。不锈钢附件、含铜部件、青铜配件以及某些铝材组合，都需要针对接触、绝缘、积水和排水进行专项评估。问题并不只是干燥状态下的直接接触，而是连接两种金属的导电湿膜或滞留溶液。

在可行的情况下，构造应避免形成异种金属电偶；或者应使不同材料彼此电隔离，并防止一种金属上的径流流向另一种金属。紧固件、垫圈、垫片、支座部件、扶手配件和排水五金件，都需要作为连接整体的一部分进行审查，而不能被视为次要附件。隔离材料本身可能滞留水分或形成缝隙，因此在采取隔离措施后，构造细节仍必须便于检查和排水。

径流还会形成锈渍路径。来自未涂覆耐候钢表面的含锈水，可能污染混凝土、石材、抹灰层、铺装材料和涂漆钢材。即使结构腐蚀速率处于可接受范围内，这种污渍也可能无法接受。切口部位、护栏和暴露板件边缘的滴水，应通过有意设置的坡度、滴水边和受控排放点，引导至远离可见饰面的方向。将水排到下方翼缘的滴水边，只会把腐蚀集中到该处；因此必须考虑从受潮表面到最终排水口的完整路径。

混凝土界面需要谨慎处理，因为裂缝、接缝和多孔表面可能使受污染的水贴附并滞留在钢材附近。埋置或回填边缘尤其不适合采用未涂覆耐候钢，这与 SCI Guidance Note 1.07 中的限制一致。构造细节应确保钢材暴露于能够允许干燥的环境中，或者针对隐蔽环境采取适当的防护方案。

最后，图纸应标明易发生腐蚀的区域，以便接近和开展后续检查。遮蔽接头、堵塞排水口或将径流引向连接部位的几何构造，会增加对维护工作的依赖。耐候钢仍是一种有条件的大气腐蚀设计选择；其性能取决于合金、暴露环境和构造细节三者的共同作用。（1,047个词）

桥梁设计、点蚀与疲劳

耐候钢并不意味着可以免除桥梁耐久性设计。桥梁可以采用 ASTM A709/A709M Grade 50W 或其他耐候钢牌号，但如果水分、氯化物、碎屑或工业沉积物滞留在钢材表面，仍可能发生有害腐蚀。在适宜的暴露条件下，大气腐蚀抗力可以降低腐蚀速率并改变腐蚀形态；但它并不能提供免疫性，也不能免除疲劳细节设计、为检查提供通道或控制排水的必要性。

点蚀对结构和疲劳的影响

FHWA 的疲劳指南描述了在交替干湿环境下保护性锈层的预期形成过程。初始氧化会产生锈层，反复暴露可使该锈层转变为相对致密且附着牢固的表面膜，从而减缓进一步腐蚀。该过程取决于干燥条件。持续潮湿、受到盐雾喷溅或积聚受污染径流的表面，其暴露过程不同于处在开放环境中且能够自由排水的钢板。

这一差异十分重要，因为耐候钢的腐蚀并不总是表现为厚度均匀减薄。点蚀可能形成局部凹陷，其表面轮廓变化比平均腐蚀损失所显示的情况更为剧烈。平均厚度损失可能看似有限，但剩余钢材中可能存在穿透深度显著更大的小面积区域。在对疲劳敏感的位置，蚀坑会起到缺口的作用：提高局部应力、改变应力梯度，并可能成为疲劳裂纹的起始位置。

点蚀点蚀 形成凹穴或凹陷的局部腐蚀，其穿透深度大于周围的全面腐蚀。

始于蚀坑的裂纹，可能在不会导致光滑且名义上保持全厚度的母材产生裂纹的应力范围下继续扩展。在翼缘边缘、孔洞、焊趾、间歇接触面、横隔板连接、拼接区域以及其他原本就存在几何应力集中的细节处，这种风险更高。点蚀还会使超声波测厚更加复杂，因为单次读数可能无法测到不规则空腔的最深部位。因此，测量必须确定腐蚀的分布和最大侵蚀深度，而不能仅计算平均损失。

FHWA 手册的警示十分明确：点蚀会影响耐候钢的疲劳处理方式。因此，不应将保护性锈层描述为具有保证厚度或保证性能的永久涂层。保护性锈层是环境作用的产物，其质量取决于合金成分、暴露历史、表面几何形状以及湿润时间。氯化物沉积物尤其重要，因为它们可能保持吸湿性，延长表面潮湿时间，并破坏形成稳定锈层所需的条件。

合金化学成分会影响结果，但单靠化学成分无法弥补不良的细部设计。FHWA 于 2009 年发表的研究介绍了锰、硅、铬、镍、铜、钼和磷在耐候钢中的传统应用，同时还研究了钨、钛、铝和稀土元素的添加。其 2011 年关于改进型耐腐蚀钢的研究报告称，大多数耐候钢的 ASTM G101 腐蚀指数值介于 6 和 7 之间；该研究的目标是在含氯化物大气中获得接近或高于 9.5 的数值，以实现显著提高的耐腐蚀性。这些数值是比较性指标，并不意味着可以忽略桥梁所处的暴露环境。

ASTM G101-04(2010) 提供了利用较短期暴露数据估算长期大气腐蚀损失的方法，并提供了根据化学成分估算低合金钢相对大气腐蚀抗力的方法。ISO 9223:2012 采用标准试样第一年的腐蚀速率对大气腐蚀性进行分类，并将温度—湿度影响、二氧化硫污染和空气中盐分确定为关键因素。上述标准均不能将与场地无关的保护性锈层假设转化为结构设计依据。

AASHTO 疲劳类别处理

分配给桥梁细节的疲劳类别，用于描述其抵抗反复应力循环的能力；但疲劳类别并不单由名义钢材牌号决定。焊缝几何形状、连接类型、孔洞、附属构件、表面状况、残余应力和腐蚀暴露都会影响疲劳性能。耐候钢还带来一个特殊问题：局部腐蚀可能改变用于确定疲劳设计假设的表面状况。

FHWA 的《Steel Bridge Design Handbook: Design for Fatigue》解释称，按照其中引用的 AASHTO 处理方法，由于存在点蚀，未涂覆的裸露耐候钢母材所采用的疲劳类别，比可比的非耐候钢低一个类别。这是针对材料状态所作的设计折减，并不意味着每一种耐候钢连接都具有一个统一的疲劳类别。适用的 AASHTO LRFD 疲劳类别仍取决于实际细节及其控制性应力范围。

这一差别可以避免两种相反的错误。仅仅因为锈层看起来已经成熟，就将其赋予普通裸钢的疲劳性能，是错误的。同样，在未核查 AASHTO 细节分类的情况下，将每一种焊接或螺栓连接细节任意降低某一数值，也是错误的。采用 ASTM A709/A709M Grade 50W 的平板母材在裸露母材工况下，与采用同一规范的焊接附属构件，其处理方式不同，因为焊接细节具有自身的疲劳行为和应力集中特征。

疲劳设计必须考虑由车辆荷载、风荷载、温度效应、次生变形和约束产生的应力范围。即使名义应力范围计算正确，蚀坑、焊趾、切口、孔洞或腐蚀沟槽处的局部应力范围仍可能高得多。当腐蚀导致厚度减小时，同一作用力还会产生更高的名义应力。这些影响可能叠加：截面损失提高名义应力，而点蚀提高局部应力集中系数。

断裂问题也应纳入同一评估之中。小型疲劳裂纹可能在一段时间内保持稳定，随后在剩余净截面减小，或在具有脆性断裂关键特征且裂纹止裂能力有限的区域内迅速扩展。低温、拉伸残余应力以及不利的裂纹取向，可能进一步降低安全裕度。因此，应在综合考虑桥梁断裂控制要求、韧性规范、疲劳类别和检查计划的基础上，选择并设计耐候钢。

腐蚀、应力范围与检查的相互作用

场地决策应在确定钢材之前开始。FHWA 2003 年的指南要求，在选择未涂覆耐候钢之前，评估湿润时间、氯化物暴露、工业污染物、排水、几何形状和维护条件。跨越使用除冰盐的道路的桥梁、暴露于空气盐分中的沿海结构，以及能够快速干燥的乡村桥梁，并不处于同一种腐蚀环境中。ISO 9223:2012 提供了分类框架，但仍需要项目暴露数据和针对场地的细部设计。

积水部位同时属于疲劳细节和腐蚀细节。水平凸缘、加劲肋端部、未妥善密封的狭窄间隙、密封不良的拼接界面、碎屑积聚区以及堵塞的泄水孔，可能使钢材在邻近表面已经干燥很久之后仍保持潮湿。一个构件的径流可能将氯化物集中到另一个构件上。SteelConstruction.info 和 SCI Guidance Note 1.07 指出，持续潮湿或湿润的环境、高氯化物或盐雾暴露、集中的工业烟气以及埋置条件，均属于不适合或限制使用未涂覆耐候钢的情况。异种金属接触和通风不良还可能形成额外的局部腐蚀电池。

应将应力历史与可能的腐蚀形态联系起来。低周、高应力细节可能受少数几次严重事件控制，而承受数百万次卡车荷载循环的桥梁主梁，则对疲劳抗力的微小变化十分敏感。如果预计某个连接处会发生点蚀，设计就不应把名义腐蚀裕量当作均匀损失来使用。改善排水、密封缝隙、采用可更换构件、在特定区域设置防护涂层，或采用不同的钢材与维护策略，可能更加合适。

随后，通过检查验证设计假设是否仍然有效。检查人员应记录活性锈蚀、松散锈皮、蚀坑深度、积水、氯化物沉积物、层状锈、截面损失、类似裂纹的指示以及焊缝和附属构件处的变化。仅凭目视颜色提供的证据十分有限。深色或分层表面可能表明保护性锈层正在形成，但无法确定最大蚀坑深度或疲劳安全性。

检查间隔和方法应反映结构后果、细节类别、交通荷载、暴露严重程度以及接近难度。在疲劳敏感位置，详细目视检查可能需要超声波测厚成像、蚀坑深度计、磁粉检测、渗透检测或其他裂纹检测方法的辅助。检查结果必须反馈到结构模型中：测得的截面损失可能改变应力范围，而检测到的裂纹可能改变断裂评估和承载能力评定。

因此，大气腐蚀设计也是疲劳设计的一部分。在适当的干湿交替条件下，保护性锈层可以减缓持续腐蚀；但桥梁仍然是一个承受荷载的系统，具有局部应力集中、反复交通荷载循环和检查义务。可靠的耐候钢设计应规定合金和 AASHTO 疲劳处理方式，控制水分和污染物，预先考虑点蚀，并确保能够将检查结果切实转化为维修或加固措施。

ASTM A709桥梁钢实践中的耐候钢

ASTM A709材料与设计考虑因素

ASTM A709/A709M是桥梁钢材料标准，而不是对未涂装耐候结构的笼统 designation。该标准包含ASTM A709 Grade 36、Grade 50、Grade 50W、HPS 50W和HPS 70W等等级，此外还包括适用版本所规定的其他等级。“W”designation表示耐候钢要求，但其本身并不能确定桥梁在所有场地均可保持未涂装状态。等级选择、补充要求、可焊性、韧性、断裂控制、制造工艺和结构承载力，仍必须在项目设计中加以处理。

《Steel Bridge Design Handbook》将大气腐蚀抗力和耐候钢要求置于ASTM A709桥梁钢更广泛的材料与设计框架之内。这一点十分重要。桥梁工程师并不是先选择耐候钢等级，再把腐蚀作为单独的涂层决策来处理。材料 designation必须与所需的强度和韧性相匹配，而暴露环境评估则决定大气腐蚀相关条款能否按预期发挥作用。即使未规定涂装体系，连接设计、抗疲劳性能、焊接细节和检修可达性仍属于结构问题。

耐候钢是一种低碳合金钢，旨在经过反复的湿润与干燥后形成相对致密且附着性良好的锈层。该锈层并非不透水涂层，大气腐蚀抗力也不等于完全不发生腐蚀。当水分接触钢材时，初始氧化便会发生。如果表面在湿润期间能够干燥，锈层可以减缓后续的材料损失，但这一结果取决于合金成分、污染物负荷、氯化物沉积、温度、湿度以及构件的几何形状。

因此，应依据适用的ASTM A709/A709M等级和项目规范中的要求来处理化学成分，而不应依据假定的通用配方。FHWA的研究将历史上的合金化重点描述为锰、硅、铬、镍、铜、钼和磷；后续腐蚀研究还考察了钨、钛、铝和稀土元素的添加。ASTM G101-04(2010)提供了利用短期暴露数据估算长期大气腐蚀损失，以及根据低合金钢化学成分估算其相对大气腐蚀抗力的方法。这些方法有助于比较和预测，但并不能免除对实际桥梁环境进行检查的必要。

FHWA改进型耐腐蚀钢项目报告指出，大多数耐候钢的ASTM G101腐蚀指数值介于6和7之间，而该研究旨在针对含氯化物大气环境实现约9.5或更高的数值，以获得显著改善的耐腐蚀性能。这一结果警示人们，不应认为所有耐候钢 designation在服役中都具有等同性。成分会影响性能，但有利的指数无法弥补始终潮湿的翼缘、滞留盐分的连接部位或受到污染的排水路径。

桥梁规范中的大气腐蚀抗力

在接受未涂装ASTM A709耐候钢之前，应先对大气暴露环境进行分类。ISO 9223:2012以标准试件第一年的腐蚀速率为腐蚀性分类依据，并将温度—湿度影响、二氧化硫污染和空气传播的盐分确定为关键因素。该分类是环境评价框架，并不保证某一特定桥梁构件的使用寿命。局部暴露条件可能比笼统的场地描述更为严酷，尤其是在除冰盐使用道路、海岸线、工业设施以及会产生含盐喷雾的交通车道附近。

FHWA指南要求，在选择未涂装耐候钢之前，对湿润时间、氯化物暴露、工业污染物、排水、几何形状和维护条件进行针对场地的评估。这些因素会相互作用。开放式桥面下方的主梁可能很快干燥，而渗漏接缝下方的拼接板则可能长时间保持潮湿。总体上处于温和农村大气环境中的桥梁，也可能在排水孔被杂物堵塞，或径流在加劲肋端部汇集的部位产生有害腐蚀。

SCI Guidance Note 1.07将持续湿润或潮湿环境、高氯化物或盐雾暴露、集中的工业烟气以及埋置条件列为不适合或限制使用未涂装耐候钢的环境。盐分尤其棘手，因为氯化物沉积能够维持电解质水分，并破坏保护性锈层的稳定化。二氧化硫和其他工业污染物也可能提高腐蚀速率。如果无法控制暴露环境，可能需要采用保护性涂层体系、耐腐蚀细部、替代材料或综合措施；仅凭耐候钢 designation并不足以构成充分的规范要求。

National Steel Bridge Alliance的入门资料指出，保护性锈层的形成需要反复的湿润与干燥。这解释了为什么桥梁暴露的腹板表面可能呈现美观的棕色氧化物，而隐蔽的搁置面、拼接界面或下翼缘处的腐蚀仍在继续。有关大气腐蚀数据的综述文献还将稳定化时间、稳态腐蚀速率、暴露条件和长期预测不确定性视为彼此独立的问题。经过数个季节后看似均匀的锈层，并不能证明腐蚀已经停止；视觉颜色也不能确定设计腐蚀裕量。

疲劳设计还增加了一个与材料相关的特殊问题。FHWA疲劳指南解释说，耐候钢通过交替的湿润和干燥循环形成保护性锈层，但同时指出，AASHTO由于点蚀作用，将裸露未涂装耐候钢母材的疲劳类别定为比可比的非耐候钢低一个等级。该降低反映了局部表面损伤和应力集中。也就是说，腐蚀材料的选择不能脱离应力幅计算、细节分类和检查规划。

材料选择与结构细部之间的协调

耐候钢桥梁能否成功，取决于相互适配的材料选择和有利于排水的几何构造。细部设计应防止水和杂物积聚，为封闭或部分封闭空间提供排水条件，并使构件能够干燥、使检查人员能够观察关键表面。缝隙、狭窄搁置面、未密封的搭接处和通风不良的空腔，可能破坏形成保护性锈层所需的环境条件。设计还应控制径流污染，避免锈色排水影响混凝土、支座、伸缩缝或相邻财产。

排水孔必须保持可检修状态，并且排水时不得使另一钢材表面受潮。桥面接缝尤其需要关注，因为渗漏可能在主梁端部和横向联结处形成集中的氯化物来源。端横隔板、加劲肋细部和拼接区域应检查是否存在积水、盐分聚集以及清理通道不足的问题。不同金属之间的不相容性可能产生电偶效应，而埋置或部分嵌入的钢材表面所处的水分环境，也不同于自由暴露在大气中的钢材表面。

同样的审查还应考虑未来维护。无法清洗、检查或修复的细部，可能将本可控制的暴露条件转变为持续性腐蚀部位。检查间隔应根据氯化物使用情况、工业污染、排水性能和观察到的截面损失确定，而不应依赖保护性锈层永久存在这一固定假设。

因此，《Steel Bridge Design Handbook》的整体框架得出了明确的设计立场：ASTM A709/A709M等级 designation、材料要求、暴露环境分类、腐蚀预测、疲劳处理和结构细部设计必须统筹协调。未涂装耐候钢是一种有条件适用的体系。当合金、环境、排水和检查措施有利于保护性锈层形成时，它可以减少对涂装的依赖；但它不能替代环境评估或稳健的桥梁设计。

涂装、未涂装与混合腐蚀防护策略

耐候钢并不能免除腐蚀设计的需要。它改变的是防护措施的实施方式：设计人员不再主要依赖人工制造的涂层，而可以依靠在反复湿润和干燥过程中形成的、取决于合金成分的锈层。这种选择是有条件的。当环境无法支持稳定的保护性锈层时，可能需要采用涂层体系、局部腐蚀防护、改变构造形式，或综合采取这些措施。

这三种策略并不是可以互换的标签。未涂装设计对钢材化学成分、暴露环境评估和排水提出了更高要求。涂装设计则对表面处理、涂层规范、边缘处理、修补和检查提出了更高要求。混合设计分配了上述要求：对适宜的表面不进行涂装，同时保护那些因水、盐分或污染物而产生不可接受腐蚀风险的区域。

考虑采用未涂装耐候钢时

只有在综合评估服役环境和拟采用的构造细节之后，未涂装耐候钢才是合理选择。钢材必须接受大气暴露，并经历足够多的交替湿润与干燥过程，才能形成相对致密且附着牢固的锈层。National Steel Bridge Alliance 的入门资料（2010）指出，反复湿润和干燥是保护性锈层形成的条件；持续潮湿并不能提供相同的暴露过程。

材料牌号同样重要。大气腐蚀抗力取决于合金化学成分，而不仅仅取决于“耐候钢”这一名称。传统耐候钢成分主要关注锰、硅、铬、镍、铜、钼和磷。Federal Highway Administration 的研究还考察了钨、钛、铝和稀土元素的添加。ASTM G101-04(2010) 提供了根据化学成分估算相对大气腐蚀抗力，以及根据较短期暴露记录估算长期损失的方法。它是一种评估方法，并不能保证某一特定结构会形成可接受的保护性锈层。

ISO 9223:2012 提供了有用的环境评估框架。其大气腐蚀性等级采用标准试样第一年的腐蚀速率，并考虑温度—湿度效应、二氧化硫污染和空气传播的盐分。因此，仅根据总体气候对场址进行分类，可能掩盖重要的局部差异：背风的下表面、道路喷溅区、朝向海洋的立面以及工业排放羽流，可能在同一项目中经历不同的腐蚀条件。

FHWA 指南（2003）要求在选择未涂装耐候钢之前，具体考虑湿润时间、氯化物暴露、工业污染物、排水、几何形状和维护。这些因素应在构造细节层面进行检查。拼接板后方、加劲肋内部、堆积杂物下方或排水不良的翼缘处滞留的水，可能使钢材在相邻表面已经干燥很久之后仍保持湿润。由此产生的腐蚀可能持续集中在局部，而不是发展成一般大气暴露模型所假定的相对均匀的表面氧化。

几何形状可能决定最终结果。倾斜表面、敞开的端部、便于接近的台阶以及尺寸适当的排水路径，有助于水分离开结构。狭窄缝隙、水平积水腔、带有渗漏路径的封闭空腔，以及容易积聚砂砾或树叶的位置，都会妨碍保护性锈层的稳定形成。异种金属接触也需要关注，因为电偶效应可能改变局部腐蚀行为。

选择未涂装方案时必须纳入结构后果。点蚀造成的应力集中可能大于相对均匀的厚度损失。FHWA 疲劳指南指出，AASHTO 将未涂装耐候钢素钢的疲劳类别定为比同类非耐候钢低一个等级，原因在于点蚀。因此，疲劳敏感细节不能仅依据一般腐蚀速率可能降低这一假设来论证。焊接连接、附属构件、螺栓孔以及承受反复应力的区域，都需要单独进行疲劳评估和检查评估。

即使周围空气看起来很洁净，合金仍可能不适用。FHWA 于 2011 年发表的研究报告称，大多数耐候钢的 ASTM G101 腐蚀指数值介于 6 和 7 之间，而该研究针对的是在含氯化物大气中实现显著改善抗力所需的接近或高于 9.5 的数值。这一发现支持一个明确的设计立场：普通耐候钢的化学成分不应被视为盐分污染暴露环境下的普遍解决方案。

环境约束要求采取额外防护时

当环境妨碍保护性锈层可靠形成，或局部腐蚀的后果十分严重时，采用涂层就更为合理。SCI Guidance Note 1.07（2015）将持续湿润或潮湿、高氯化物或盐雾暴露、集中的工业烟气以及埋地条件列为未涂装耐候钢不适用或受限的应用环境。这些约束并不只涉及开放性海洋暴露。道路除冰盐、交通车辆造成的喷溅、服务管线泄漏、封闭空间内的凝露以及受污染的径流，都可能产生类似问题。

额外防护可以覆盖整个构件，也可以只覆盖选定区域。当氯化物沉积、二氧化硫或持续凝露影响大部分暴露表面时，可采用全面涂装。在飞溅区、桥面排水路径、梁端、连接凹槽、隐蔽表面以及伸缩缝附近区域，则可以采用局部涂装。涂装钢材与未涂装钢材之间的边界必须经过细致设计，避免将水引向未受保护的边缘，或使水滞留在涂层终止处。

混合策略还可以将耐候钢构件与涂装的连接部件、密封界面或耐腐蚀紧固件结合使用，但必须满足电偶相容性要求和适用材料标准。不能认为涂装钢板就能消除螺栓连接、缝隙或受损边缘周围的全部风险。防护体系仍必须便于检查和修补。

改变构造细节所带来的益处，可能不亚于增加涂层。改善排水、消除杂物滞留区、在封闭空间设置通风开口、分隔异种金属，或防止含盐径流直接流经构件，都可能恢复有利于未涂装钢材更可预测地发挥性能的条件。相反，即使某个表面在视觉上处于开放环境中，如果其位置会受到集中污染，仍可能需要涂装。外观暴露程度并不等同于暴露环境分类。

涂层的选择必须与检查周期、预期损伤和修补方法相结合。表面处理、焊缝轮廓、尖锐边缘、螺栓、现场接头和涂层厚度都会影响服役性能。如果无法安全到达涂层受损部位，未涂装方案或采用不同构造细节的方案可能带来更易管理的维护负担。因此，正确的比较并不是“保护性锈层与油漆”的二选一，而是比较计划服役期内完整的腐蚀控制体系。

维护假设与可检查性

每种策略都包含维护假设。未涂装耐候钢假定检查人员能够观察锈层是否均匀形成，识别积水并在局部腐蚀加速之前清除杂物。它还假定径流污染、锈屑以及近距离检查所需的可达性，都是设计可以接受的后果。

涂层体系则假定按照计划进行检查，以发现开裂、起泡、剥离、机械损伤以及边缘或缺陷处的腐蚀。修补需要相容的材料、适宜的天气条件以及清理和重新涂装所需的作业条件。如果这些操作不太可能实施，就不应将名义涂层寿命作为设计的唯一依据。

在构件被封闭，或被设置在交通、水体或设备上方之前，必须确定检查通道。排水出口必须保持可见且畅通。隐蔽表面、支座区域、拼接部件内部和加劲肋端部，可能需要设置专用检修开口或制定专门的检查程序。监测记录不应只记录截面损失，还应记录其原因：积水、盐分积聚、涂层失效、杂物、泄漏或不适宜的暴露环境假设。

维护规划也会影响疲劳设计。应力集中处的点蚀和腐蚀，可能需要比大范围且轻微锈蚀的表面接受更仔细的检查。依赖早期发现的设计，应明确由谁进行检查、什么状况会触发修补，以及如何实施修补。没有这些规定，“未涂装”并不是免维护类别；它是一种将防护职责转移给排水、暴露环境控制和检查工作的设计。

测试、暴露数据与长期腐蚀预测

实验室与大气暴露测试

耐候钢的测试并不是简单地观察是否出现锈蚀。普通碳钢同样会生锈。真正相关的问题是：在现场实际经历的润湿、干燥、污染和清洁过程下，该合金能否形成附着足够牢固、渗透性相对较低的锈层。实验室测试可以测量这种倾向，但没有任何一种单独的加速测试能够再现所有大气暴露条件。

成分是首要变量。ASTM A242、ASTM A588，以及按 ASTM A709/A709M 规定的桥梁钢，都含有经过有意添加、能够改变腐蚀产物及其附着性的合金元素。传统合金化主要集中于锰、硅、铬、镍、铜、钼和磷。美国联邦公路管理局（FHWA）于 2009 年发布的研究还考察了钨、钛、铝和稀土元素的添加。其目的并非单纯提高合金含量，而是在不损害焊接性能、韧性、强度或疲劳性能的前提下，改变电化学反应和锈层结构。

ASTM G101-04(2010)规定了两种相关方法。该标准允许根据短期暴露结果估算长期大气腐蚀损失，也允许根据低合金钢的化学成分估算其相对大气耐腐蚀性。基于成分的腐蚀指数可用于比较不同炉次或钢种，但它并不是现场批准证书。FHWA 的研究报告指出，大多数耐候钢的 ASTM G101 指数值介于 6 和 7 之间，而后续的合金开发项目则以接近或高于 9.5 的数值为目标，以便在含氯化物的大气中获得显著提高的耐蚀性。这些数值表示的是指数，并不是有保证的使用寿命（以毫米计）。

ASM 手册中的章节《耐候钢的腐蚀》将暴露测试视为连接冶金学与服役条件的纽带。该章节涉及合金元素添加、基于成分的指数、锈层形成和腐蚀试验，同时强调缝隙、积存碎屑和持续潮湿等设计问题。实验室试片可以揭示某种拟议化学成分是否倾向于形成致密锈层，但无法判断一座桥梁的拼接部位是否能够保持足够干燥，从而以相同方式发挥作用。

大气暴露测试则补充了缺失的环境维度。试片被放置在具有代表性的地点，按照规定的时间间隔称重、清洗并再次称重，同时观察锈蚀外观、径流和局部腐蚀。ISO 9223:2012 采用标准试样第一年的腐蚀速率对大气腐蚀性进行分类。其框架考虑温度与湿度、二氧化硫污染以及空气传播的盐分所产生的综合影响。这种分类有助于描述暴露环境，但不能替代对拟建结构的检查。同一座桥梁中，处于遮蔽状态的梁翼缘、经雨水冲洗的腹板以及易积聚盐分的拼接部位，可能分别处于不同的腐蚀性条件下。

盐雾试验或循环腐蚀试验可以快速对材料进行排序，尤其是在设计工况包含氯化物污染时。然而，当试验持续提供电解质或省略干燥过程时，这些试验并不能很好地替代自然暴露。耐候钢需要反复经历润湿和干燥，才能形成其特征性保护锈层。持续保持湿润的试样可能遭受在自由排水的大气位置不会发生的腐蚀；而干燥过于强烈的试样则可能无法代表沿海或工业微环境。因此，腐蚀结果必须同时报告试验持续时间、溶液化学性质、温度、润湿循环和试样方向。

短期数据与长期行为

早期失重可能高估或低估后期性能。在初始暴露阶段，裸钢在阳极部位会迅速发生反应，锈层可能多孔、开裂或附着不良。在适当的循环条件下，腐蚀产物可能变得更加致密并具有更好的保护性，从而降低后期腐蚀速率。但这种降低并非自动发生。氯化物可能残留在孔隙中，二氧化硫可能使表面水膜酸化，而反复的磨损或径流则可能去除正在形成的锈层。

本文引用的大气腐蚀综述将稳定化时间与后期稳态腐蚀速率视为两个不同的量。试样在暴露数年后可能显示出下降的腐蚀速率，但达到该状态所需的时间取决于气候、污染物负荷、方向、遮蔽条件和合金化学成分。在稳定化之前结束的短期暴露，无法确定长期腐蚀速率。相反，强制进行氯化物润湿的短期试验，可能产生不适用于经雨水冲洗的内陆表面的腐蚀损失速率。

ASTM G101 通过利用短期暴露信息估算长期损失来处理这一问题，但该估算包含关于腐蚀速率如何随时间变化的假设。当暴露历史与预期服役环境相似，并且多个暴露周期显示出明确趋势时，这种外推更具合理性。当现场环境发生变化时，其可靠性会减弱。例如，经过多年相对清洁的暴露后，可能开始使用除冰盐；道路可能采用新的排水布局；工业排放可能减少，或附近新的排放源可能开始运行。在这些变化发生之前校准的模型，不能简单地不加修改地继续外推。

因此，FHWA 指南要求针对具体现场审查受潮时间、氯化物暴露、工业污染物、排水、几何形状和维护状况。SCI《指导说明 1.07》将持续潮湿或湿润的位置、高氯化物或盐雾暴露、集中的工业烟气以及埋地条件，列为未涂覆耐候钢不适用或受限的应用环境。SteelConstruction.info 同样强调排水、通风以及防止水分或碎屑积聚的重要性。这些并不是次要的细部设计偏好，而是决定腐蚀预测所采用的暴露条件能否在钢材表面保持有效的关键因素。

腐蚀损失还应与可见的变色区分开来。深色且均匀的保护锈层可能掩盖局部点蚀，而橙色径流看起来可能很严重，却未必对应相应的截面损失。测量内容应包括失重或厚度读数、点蚀深度、缝隙腐蚀，以及边缘、连接部位和接触表面的状况。对于对疲劳敏感的构件，即使平均厚度损失看似有限，局部点蚀仍然十分重要。FHWA 的疲劳指南记录了其设计后果：由于点蚀，AASHTO 将无涂层耐候钢基材划分为比相应非耐候钢低一个等级的疲劳类别。因此，只预测平均腐蚀损失的腐蚀模型，对于承受循环荷载的细部而言是不完整的。

锈层稳定化与预测模型

有用的预测应将保护锈层的形成视为一种随时间变化的响应，而不是制造时永久施加的涂层。交替的干湿循环使氧化产物发生转化并逐渐致密化；排水和通风则限制电解质与钢材接触的持续时间。随后，锈层可以降低进一步腐蚀的速率。但其性能仍取决于形成该锈层的同一环境平衡。

预测模型通常将腐蚀损失表示为暴露时间的函数，往往表现为初始损失速率较高，部分稳定化后速率降低。模型系数必须来自具有可比性的现场数据。根据农村地区试板建立的模型，不应直接用于含大量氯化物的沿海桥梁；ISO 9223 的第一年腐蚀性等级也不应被视为整个寿命期内恒定不变的参数。ISO 9223 通过标准试样描述初始大气环境负荷，但无法预测每一个受遮蔽的缝隙或未来维护条件的变化。

因此，长期预测应采用一个范围，而不是一个看似理想的单一数值。预测应说明所假设的润湿与干燥模式、污染物和氯化物水平、清洁或冲洗状况、径流路径、检查间隔，以及何时进行重新涂装或维修。现场试片、参照试板和按计划进行的厚度测量，可以检验所假设的稳定化是否确实发生。如果腐蚀仍在持续、点蚀不断加深，或潮湿沉积物长期存在，设计应对措施可能包括修正排水、进行冲洗、局部涂层处理，或改变腐蚀防护方案。

核心工程区分很简单：在适宜条件下，耐候钢可以降低大气腐蚀，但其未来腐蚀损失具有条件性，并且需要根据情况重新评估。化学成分决定形成保护锈层的能力；暴露历史、细部设计和维护状况则决定这种能力能否真正实现。

检查、维护与失效模式

耐候钢并非免维护材料。其大气腐蚀耐受性取决于锈层能否保持相对致密并牢固附着，而这又要求合适的合金化学成分以及反复的润湿与干燥过程。如果水分持续滞留、氯化物沉积物不断积累，或工业污染改变了腐蚀环境，保护性锈层可能变得多孔、开裂或附着不良。此后，腐蚀会在可见表面下方继续发展。

因此，检查是设计的一部分。检查的目的不是确认每个表面是否都呈棕色，而是判断选材和构造细节设计时所假定的暴露条件是否仍然存在。

识别异常腐蚀与积水

稳定的保护性锈层通常在湿润与干燥交替的条件下形成。2010年发布的 NSBA 指南指出，反复的润湿与干燥是保护性锈层形成的必要条件。持续处于潮湿状态的表面，并未经历与暴露且排水通畅的表面相同的环境循环。因此，它可能出现松散的橙色锈、深色潮湿污渍、剥落层、腐蚀瘤或局部点蚀，而不是相对均匀且附着牢固的保护性锈层。

水分滞留往往比构件的整体外观更为重要。检查人员应重点查看连接处下方的锈蚀条痕、搭接处连续的潮湿带、水平钢板上的积水、充满泥土的螺栓凹槽，以及连接板后方的潮湿区域。狭窄的渗漏通道可能造成严重的局部腐蚀，而构件其余部分看起来仍完好无损。在干燥期之后出现新鲜锈迹，尤其是在裂缝、排水口或紧固件周围，表明存在活性腐蚀，而非无害的颜色变化。

应特别仔细检查排水路径。小型开口可能被树叶、淤泥、鸟巢材料、冰、焊渣或腐蚀产物堵塞。一旦堵塞，原本为间歇性暴露而设计的构造细节可能变成永久性蓄湿区。当桥面接缝向主梁渗漏、护栏将含盐径流引向翼缘，或密封胶接缝分离并使水进入钢板后方时，也会发生同样的失效。

周围的大气环境也可能发生变化。ISO 9223:2012 采用标准试样第一年的腐蚀速率对大气腐蚀性进行分类，并将温度与湿度、二氧化硫污染以及空气中的盐分列为关键因素。某一场地在结构建成时可能是可接受的，但在道路加大融雪盐使用量、港口扩建、工业生产工艺改变或交通量增加导致污染物沉积增多后，环境可能变得更具腐蚀性。ASTM G101-04(2010) 提供了利用短期暴露数据估算长期大气腐蚀损失，以及根据化学成分估算低合金钢相对大气腐蚀耐受性的方法；但它并不能将成分估算转化为对结构每一处细节的保证。

点蚀尤其值得关注，因为平均厚度损失可能掩盖小得多的局部截面损失。FHWA 的疲劳指南指出，AASHTO 将未经涂覆的普通耐候钢母材的疲劳等级定为比相当的非耐候钢低一级，原因在于点蚀。即使一般腐蚀程度看似有限，这一降级对于承受反复应力的构件仍然具有重要意义。焊趾、孔洞、加劲肋端部或连接线附近的深坑应进行测量和评估，而不能仅仅拍照记录。

检查隐蔽部位与易腐蚀构造细节

检查计划应依据水、碎屑和污染物在结构中的流动路径制定。接缝、拼接处、支承区域、翼缘过渡段、加劲肋端部、腹板开孔以及螺栓连接应优先检查，因为这些部位会阻断排水或形成缝隙。应查看拼接板和连接角钢下方、节点板后方、螺栓头和螺母周围，以及密封或部分密封构件的端部。隐蔽表面不能仅凭外露表面进行判断。

加劲肋可能形成狭窄通道，收集碎屑并阻碍干燥。应检查其端部是否存在积水、未完成的焊缝、焊接缝隙和锈胀。间断焊缝以及未焊接的接触线可能通过毛细作用滞留电解质。应检查水平凸缘上的沉积物和植物生长，因为二者都会延长潮湿持续时间。在通行受限的地方，检查可能需要使用反光镜、管道内窥镜、超声波测厚，或进行经过审慎选择的局部清理。在记录腐蚀机理之前，不得通过清理作业清除相关证据。

涉及异种金属的连接需要特别注意。当耐候钢构件与不锈钢、镀锌钢、铝或其他金属接触，且界面存在具有导电性的湿膜时，电偶腐蚀效应可能使腐蚀集中于接触区域。紧固件必须与规定的钢材及其暴露环境相容，任何涂层或隔离系统也必须在界面处持续有效。耐候钢保护性锈层的存在，并不能保护不相容的金属组合。

埋地、浸没或持续潮湿的位置应作为独立的暴露条件处理，而不能视为普通大气暴露表面。土壤接触、泄漏的公用设施、箱形截面内部的凝露以及飞溅区，均可能阻止形成保护性锈层所依赖的干燥循环。2015年发布的 SCI Guidance Note 1.07 将持续湿润或潮湿的环境、高氯化物或盐雾暴露、集中的工业烟气以及埋地条件列为不适合或限制使用未涂覆耐候钢的应用环境。

检查应将当前条件与原始设计依据进行比较。记录应明确腐蚀形态、点蚀深度、受影响区域、排水状况、污染物或氯化物来源，以及裂缝或变形是否发生变化。当存在对疲劳敏感的构造细节时，仅进行统一的目视调查是不够的。

将维护条件纳入原始设计

维护通道和清理措施必须在制造前确定，而不能等腐蚀出现后再行补充。设计人员应设置便于检查和疏通的排水孔，采用不会形成平坦积水区的坡度，设置足够宽以避免碎屑形成堵桥的间隙，并在封闭空间可能发生凝露时提供通风。详图应说明水如何排离接缝以及排向何处；如果径流被引向另一个易腐蚀表面，那么名义上的开口并不能构成有效的排水策略。

选用的钢材牌号和暴露环境分类也必须保持关联。FHWA 指南要求，在选用未涂覆耐候钢之前，应针对具体场地评估潮湿持续时间、氯化物暴露、工业污染物、排水、几何形状和维护条件。传统耐候钢的化学成分设计重点关注锰、硅、铬、镍、铜、钼和磷。FHWA 于2011年发表的研究报告指出，大多数耐候钢的 ASTM G101 腐蚀指数值介于6和7之间，而其改进型耐蚀钢研究则以接近或高于9.5的数值为目标，以便在含氯化物大气中获得显著更好的性能。这一结果有助于进行初步筛选和材料选择，但并不能为排水不良开脱。

维护计划应明确由谁负责疏通排水孔、清除碎屑、检查渗漏、记录点蚀测量结果以及修复受损细节。计划还应规定启动工程复核的条件，包括持续潮湿、新出现的氯化物暴露、松散或剥落的锈层、意外的截面损失、疲劳敏感构造细节处的腐蚀，或暴露条件从大气暴露变为埋地或飞溅暴露。修复措施可能包括恢复排水、隔离电偶腐蚀组合、更换受损钢材、密封渗漏处，或在局部区域施加涂层。在未清除水分来源的情况下，仅对明显锈蚀的表面进行涂装，通常只会掩盖失效，而不会阻止腐蚀。

原始设计假设可能在服役期间失效。保护性锈层是取决于环境条件的腐蚀产物，而不是永久性涂层。检查和维护能够使环境条件保持在钢材、几何构造和疲劳设计所依据的范围内。

实用的大气腐蚀设计工作流程

未涂层耐候钢的选用应通过一系列场地、材料和构造细节决策来确定，而不应依据牌号名称或预期的锈层颜色。该合金旨在适宜的交替干湿环境下形成相对致密且附着牢固的锈层。该锈层可以降低后续腐蚀速率，但并不是自动形成的永久性涂层。持续潮湿、盐分沉积、工业污染、排水不良或有遮蔽的缝隙，都可能使腐蚀在不均匀的表面膜下持续进行。

工作流程应在钢材牌号选择之前启动，并延续至检验规划阶段。ISO 9223:2012提供了大气腐蚀性评估框架；FHWA指南则补充了仅凭分类无法回答的场地特定问题。

对大气环境进行分类并识别污染物

首先应确定钢材表面的温度和湿度变化规律，而不应仅依赖区域气候数据。记录季节温度、相对湿度、降雨、凝露、雾、冻融循环，以及表面保持可见湿润或微观湿润的时段。ISO 9223:2012将温湿度影响、二氧化硫污染和空气传播的盐分视为主要大气因素，并采用标准试样测得的第一年腐蚀速率对腐蚀性进行分类。所得类别便于比较，但无法描述结构上每一个有遮蔽的翼缘、接头或排水路径。

湿润时间是连接气候与腐蚀的实际纽带。雨后在一小时内即可干燥的构件，与在拼接板下积水数日的构件，其暴露条件不同。应检查可能的润湿机制：直接降雨、飞溅、凝露、雾、接头渗漏、积雪和冲洗水。随后确定风、太阳辐射加热、封闭环境或邻近表面对干燥过程是促进还是阻碍。

盐分评估不能只表述为场地“靠近海岸”。应确定距海岸线的距离、主导风向、海浪或冲浪暴露、含盐飞沫、除冰盐使用情况，以及受污染径流的可能性。即使平均空气盐分浓度不高，氯化物也可能在水平凸缘和缝隙中积聚。跨越撒盐道路的桥梁，其下部翼缘所面临的氯化物问题可能比上部表面更严重。

对二氧化硫及其他污染物也需要进行基于来源的评估。应绘制重型交通、燃烧设备、化学加工、金属处理、化肥储存和封闭式工业排放源的位置分布。二氧化硫可能提高电解质酸度并改变锈层的形成过程。粉尘可能滞留水分和污染物；烟尘及工艺沉积物可能形成局部腐蚀性电池。应确认排放是持续性、季节性还是偶发性的，因为短暂但反复出现的污染物脉冲，在有遮蔽的构造细节处也可能产生重要影响。

因此，除记录ISO类别外，还应记录实测或估算的氯化物沉降量、二氧化硫浓度、湿润时间和局部污染源。ASTM G101-04(2010)可根据短期暴露数据估算长期大气腐蚀损失，并可根据低合金钢的化学成分估算相对耐蚀性。这是一种计算方法，不能替代暴露证据，也不能保证所选构件会形成具有保护作用的稳定锈层。

筛查材料、几何形状与暴露条件的组合

下一步应审查确切的材料名称、产品形式和适用标准。“耐候钢”是一个系列描述，并不是完整的技术规范。桥梁工程可能采用ASTM A709/A709M牌号，而其他结构可能采用国家产品标准规定的名称。化学成分限值、力学性能、厚度范围、焊接要求和交货状态必须与适用标准的具体版本相匹配。应核实钢厂质量证明书和炉次化学成分，而不能假定熟悉的牌号标签在所有标准中都具有相同的大气环境性能。

合金设计十分重要。传统耐候钢的化学成分设计主要关注锰、硅、铬、镍、铜、钼和磷。FHWA于2009年发布的研究还考察了钨、钛、铝和稀土元素的添加。ASTM G101指数值可用于筛查性比较：FHWA于2011年报告称，大多数耐候钢的指数值介于6和7之间，而其研究目标是在含氯化物大气环境中实现明显改善的耐蚀性，对应的目标值接近或高于9.5。这些数值并不构成普遍适用的验收阈值，而是说明必须综合考虑化学成分、污染物暴露和氯化物条件。

随后应将几何形状作为一个排水管理系统进行检验。每个表面都应具有可信的干燥路径。应消除积水凹坑、未密封的搭接部位、朝上的凸缘、狭窄缝隙、堵塞的泄水孔，以及会滞留树叶、泥土或鸟类残留物的构造细节。封闭空间应设置有效排水，并具备足够通风条件。对于水能够进入但无法蒸发的接头，应进行密封或采取其他保护措施。应特别关注加劲肋、拼接板、支座区域、箱形截面、节点板、连接角钢以及与混凝土的界面。

外观美观的锈层并不能证明隐蔽表面已受到保护。锈水痕迹可能表明其来自稳定区域的径流，但也可能意味着潮湿接头处正在发生截面损失。同样，橙色、棕色和黑色的不同色调，可能反映暴露历史、污染、保水情况或稳定化尚未完成，而不是代表某个可靠的性能阶段。

对于持续湿润或潮湿暴露、埋地接触、持续盐雾、集中的工业烟气或无法控制的除冰盐飞溅等应用，应予以否决或修改。SCI Guidance Note 1.07将这些条件列为不适用或受限制使用无涂层耐候钢的情形。如果无法改变暴露条件，可能需要采用涂层体系、重新设计排水、增加腐蚀裕量或采取其他材料策略。

在此阶段还应检查相邻材料。当电解质使异种金属相互连接时，铜、黄铜、不锈钢、镀锌构件和铝可能产生电偶腐蚀效应。风险取决于面积比、电气连接、污染物浓度和排水条件。必要时应将不相容金属隔离，防止较贵金属的径流流到耐候钢上，并规定相容的紧固件和垫圈。

最后，应评估结构后果，而不能将腐蚀仅视为外观问题。点蚀会减小有效截面，并产生局部应力集中。FHWA疲劳指南指出，AASHTO将无涂层普通耐候钢母材的疲劳类别定为比相当的非耐候钢低一级，原因在于点蚀。因此，易发生疲劳的桥梁、起重机构件、振动支承和薄壁构件，都需要明确的点蚀假设、连接分类、腐蚀裕量和检验可达性要求。

记录检验和维护假设

设计记录应说明无涂层使用必须持续满足的条件：预期腐蚀性类别、氯化物和二氧化硫条件、湿润时间假设、排水性能、通风条件、锈层稳定化周期以及排除的暴露区域。还应标明预计无法稳定的表面，例如持续潮湿的接头或受到道路飞溅的区域。

应根据后果、暴露条件和不确定性，确定架设完成后的首次检验时间以及后续检验间隔。早期检验应查找积水、异常盐分沉积、径流锈水痕迹、施工损伤、焊接区域、缝隙和不均匀腐蚀，而不能只观察总体颜色。应在具有代表性的部位和疑似部位测量蚀坑深度及截面损失，并保留照片和固定参照点，以便比较变化情况。

维护说明应规定清除杂物、恢复堵塞的排水设施、修复渗漏接头和去除污染物沉积物。不得不加区别地规定冲洗：如果排水和干燥受到控制，积存的水可能会将氯化物带入新的缝隙。任何修补涂层都应根据实际环境和表面状况进行选择，并记录涂层边界及表面处理要求。

记录还必须规定触发阈值。例如，持续潮湿、反复盐分污染、超过设计腐蚀裕量的可测点蚀、蚀坑处出现裂纹、排水堵塞，或腐蚀细节附近发生疲劳损伤。一旦达到这些条件，响应措施可能包括修正排水、局部清理、涂层保护、厚度测量、承载能力评估或更换。

任何单一指数、牌号名称、腐蚀性类别或锈层颜色，都不能替代这项综合评估。大气腐蚀耐受性是一种有条件的性能。只有当化学成分、暴露条件、几何形状、结构需求和后续检验相互支持时，设计才是可接受的。

参考文献

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