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1、我国桥梁用钢现状及耐候桥梁钢发展我国桥梁用钢现状及耐候桥梁钢发展摘要：摘要：我国桥梁用钢强度等级与韧性不断提高，焊接性能持续改善，钢板的适宜厚度逐步提高。铁路桥梁用钢、公路桥梁用钢、跨海大桥用钢成为我国桥梁用钢的主体。顺应时代发展要求的高性能耐候桥梁钢将是我国桥梁用钢发展的主要方向。耐候桥梁钢在我国已经有所应用，但需要系统建立或健全使用耐候桥梁钢的相关国家或行业标准。 关键词：关键词：桥梁，钢，耐候1、前言、前言建国以来，我国的桥梁建设事业有了很大的发展。新设计、新材料、新工艺的广泛采用，使得我国桥梁的设计建造水平不断提高。悬索桥、斜拉桥、拱桥、梁桥，都展示出各自的独特魅力。我国铁路桥梁的发展
2、自 1957 年的武汉长江大桥(A3)开始，经历南京长江大桥(16Mnq)，九江长江大桥(15MnVNq)到 1998 年的芜湖长江大桥(14MnNbq)，经过四个标志性的阶段，各阶段都代表了一个时期的桥梁技术的发展水平和冶金技术的发展水平。铁路桥梁由铆接、栓焊发展到芜湖长江大桥的整体焊接节点，钢梁的跨度也由 128 米发展到 312 米。已建成的亚洲最大的公路铁路两用桥芜湖长江大桥，其主跨达到 312米，集数十项世界领先技术为一体，标志着我国铁路桥梁的制造技术已达到世界领先水平。正在建设的南京大胜关长江大桥(WNQ570)，是我国第一条大跨度高速铁路桥梁，桥面为四线高速铁路和两线地铁，设计时
3、速为 300km/h，更是奠定了我国桥梁行业在国际上的领先地位。公路桥梁自上世纪 50 年代至 80 年代经历了预应力钢筋混凝土梁式(钢构)桥到预应力钢筋混凝上梁式(钢构)桥后，80 年代末随着大跨度公路桥梁的建造，钢结构现代索桥(斜拉、悬索)显示出强有力的竞争力，得到快速发展。在不足 10 年的时间，国内相继建造了 10 余座世界级的大跨度斜拉及悬索桥。南京长江二桥及武汉长江三桥为世界第三和第四大(国内第一、二)斜拉桥，其中南京长江二：桥采用全焊结构代替了以往的栓焊钢箱梁，跨度达到 628 米，标志中国钢结构公路桥梁建设水平已达到世界先进水平。我国跨海桥梁也有了飞速的发展，我国第一条跨海大桥
4、东海大桥总长约为 31 公里。大桥按双向六车道加紧急停车带的高速公路标准设计，设计车速 80 公里/小时。即将竣工的杭州湾跨海大桥全长 36 公里，其中桥长 35.7 公里，双向六车道高速公路，设计时速 100km。即将建设的有厦漳跨海大桥、台湾海峡通道西段工程平潭跨海大桥等。顺应我国桥梁工程的发展需要，我国桥梁用钢也得到了飞速的发展。2、我国桥梁用钢的发展现状、我国桥梁用钢的发展现状由于其工作环境和所承受的载荷的不同，大型桥梁用钢可分为公路桥梁用钢和铁路桥梁用钢两大类。另外跨海大桥用钢由于其所处的海洋腐蚀性环境以及桥梁下部结构的不问，也有其不同的特点。2.1 铁路桥梁用钢自从前苏联援建武汉长
5、江大桥以来，我国已建造了大量的大跨度铁路桥梁。最初的武汉长江大桥采用的是前苏联生产的 A3 钢，其屈服强度仅要求大于等于 240MPa，桥梁的上段结构采用的是铆接菱形连续梁。1969 年建成通车的南京长江大桥，则是由完全由我国自主没计建造的大型公铁两用桥梁，采用的是16Mnq 钢，其屈服强度仅要求大于等于 320MPa。当时 16Mnq 在行业中虽然应用广泛，但使用部门反映，16Mnq 钢板采用 U 形缺口冲击，韧性指标偏低。同时也反映板厚效应严重，铁路桥仅能用到 32mm,超过此厚度冶金质量难以保证。受制于大跨度铁道桥梁的发展需求，迫切需求铁路桥梁用钢提高强度级别。1995 年建成的九江长江
6、大桥，采用的就是 15MnVNq。和 16Mnq 钢相比，这种钢的强度确实有了显著提高，屈服强度要求大于等于412MPa(当板厚16mm 时)。但由于采用加钒捉高强度的方法，导致钢板低温韧性和焊接性较差，给桥梁制造带来很多困难。九江长江大桥建成后，该钢种一直未能得到推广应用。桥梁钢已成为制约铁路桥梁发展的一个突出矛盾。上世纪 90 年代初，铁路桥梁建设面临芜湖长江大桥的建设，主跨达 312 米。桥梁钢问题显得愈加突出。为了保证桥梁工程的安全性和加工制造的方便，需要突出解决钢板的低温韧性和焊接性等问题。为此中铁大桥局和武钢联合共同开发了大跨度铁路桥梁用钢 14MnNbq。该钢采用降碳加铌合超纯净
7、的冶金方法，保证了屈服强度 ReL370MPa 的基础上，具有优异的-40低温冲击韧性(芜湖桥标准要求-40Akv120J)。同时焊接性能也大大提高，解决了板厚效应问题，可大批量供应 3250mm 厚钢板。在芜湖长江大桥 46000 吨供货统计数据表明：所供 1050mm 钢板冲击韧性平均实物质量达到-40Akv 为 223J 的优异水平。芜湖长江大桥桥建设后的 10 年时间里，14MnNbq 钢在全面满足了铁路桥梁建设的需要，得到了极为广泛的应用。2000 年，14MnNbq 钢纳入桥梁钢国家标准，成为 Q370qE 钢。正在建设的京沪高速铁路南京大胜关长江大桥，是京沪高速铁路和沪汉蓉铁路于
8、南京跨越长江的越江通道，是我国铁路桥梁史上的又一个里程碑，为六线铁路桥梁，设计时速 300km/h，是京沪高速铁路的控制性工程。该桥具有大跨、重载、高速三大特点。主桁构件最大轴力高达 9000 余吨，中主墩最大支座反力约15000 吨。如果继续使用传统的 14MnNbq 钢，则最大板厚必须使用到 120mm，这将会给设计施工带来极大的困难。为此，武钢和中铁大桥局联合开发了 WNQ570 钢，以满足国家“十一五”重点工程京沪高速铁路南京大胜关长江大桥的工程需要。与我国现有桥梁钢相比，WNQ570 钢有以下特点：强度明显提高，不区分板厚效应，在 1268mm 范围内，均要求 Rm570MPa。而
9、15MnVNq 钢和 14MnNbq 钢在板厚为 68mm 时，仅为 Rm530MPa或 Rm490MPa。由于采用一系列精炼技术，同时随着轧制力的提高，钢板由传统的最大使用板厚为50mm 扩展到 68mm。在焊接材料上，革新传统的 C-Mn、Si-Mn 系焊材的焊缝强度仅在 500MPa 级别以下、焊缝低温冲击韧性仅能达到-30时 48J 的状况，研制新型针状铁索体型桥梁用钢的手工焊、气保焊、埋弧焊焊接材料，焊缝强度大于 570MPa，同时-40冲击韧性可以达到 48J 以上。我国铁路桥梁发展的标志性工程见表 1。2.2 公路桥梁用钢由于公路桥梁的受力状况和铁路桥梁有诸多不同，因此，公路桥梁
10、用钢多选用 Q345、Q370 等钢种，也有使用 Q420 的，但供货技术条件中强度一般都是随板厚的增加而递减。钢板的规格也比较薄，需求较大，该品种的竞争主要集中在价格、钢厂资源等方面。2.3 跨海大桥用钢跨海大桥用钢主要集中于管桩钢、通航主桥的桥梁钢、桥面护栏以及带肋钢筋，其中管桩钢、通航主桥的桥梁钢占钢材总量的 60%，仅管桩钢就占其钢材总量的 50%左右。管桩钢的材质主要为 Q345C，规格范围为 1625mm 之间，大部分为热轧卷板，并采用螺旋焊管形式，跨海大桥的管桩用钢量特别大，杭州湾跨海大桥就使用了武钢生产的管桩钢 Q345C 约 39 万吨。通航主桥的桥梁钢的材质主要集中于 Q3
11、45D 级别，规格为 1050mm 之间，主要为平板产品；护栏用钢的材质为 Q345D/Q390D，规格为 425mm 之间。上述三个产品种对钢材的耐蚀性都有较高的要求，杭州湾跨海大桥甚至第一次明确提出了使用寿命 100 年以上的要求，因此，桥梁用钢的耐蚀性能成为设计者选材的重要考虑部分。3、国外耐候桥梁用钢的发展、国外耐候桥梁用钢的发展随着大型钢结构桥梁向全焊接结构和高参数方向发展，对桥梁结构的安全可靠性要求越来越严格。这不仅对设计者提出了更高的要求，而且对钢板质量提出了更高的水准，即不仅具有高强度以满足结构轻量化要求，而且还应具有优良的低温韧性、焊接性和耐蚀性等，以满足钢结构的安全可靠、长
12、寿等要求。传统的高强度桥梁钢不仅冲击韧性、焊接性、疲劳性较差，而且不能耐大气、海水腐蚀。因此，国内外材料工作者提出了高性能钢(High Performance Steel，HPS)的概念。高性能钢材主要是指材料的某项或几项性能较传统钢材得到改善的钢材，除了具备较高强度外，钢材的焊接性能、低温韧性，尤其是耐腐蚀性能有较大幅度提高。近年来，应用在桥梁上的高性能钢已成为国际钢铁材料研究的热点，如美国 ASTM709 中的 HPS-70W钢、HPS-100W 钢和日本的 SMA570W 系列钢等。耐候桥梁用钢作为高性能桥梁钢的一个发展方向，在国外得到了较为广泛的发展。对于钢材耐候性的研究，在上世纪初到
13、 60 年代，人们注重不同合金元素对钢材耐大气腐蚀能力的作用，从而出现了以 Corten 钢为代表的耐大气腐蚀系列用钢；60 年代以后开始注重环境因素对耐候钢表面腐蚀产物的影响，并阐明了耐候钢抗大气腐蚀机理。从 90 年代至今，很多研究者将目光转向低成本、高强度、耐蚀性能更高的新型高性能耐候钢开发，并且取得了一定成果。在美国早期应用最普遍的耐候钢主要为高 P、Cu 加 Cr、Ni 的 Corten A 系列和以 Cr、Mn、Cu 合金化为主的 Corten B 系列。1974 年，ASTMA709 中出现了 70W 和 lOOW 等高强度耐候桥梁钢，但是这些钢中碳含量较高(0.12%)，对焊接
14、工艺要求也高。为了改善焊接性能，在 1997 年 ASTM A709 中出现了HPS70W 钢，近期 HPS 100W 钢也将纳入标准，这些钢中的碳含量较 70W 和 100W 有了一定程度的降低，焊接性能也有所改善。1950 年，耐候钢被引进到日本，并在日本得到发展和应用，1968 年日本将低磷系焊接用钢作为“JIS G3114 焊接结构用耐候性热轧钢材”，1971 年将高磷系焊接用钢作为“JIS G3125 高耐候性轧制钢材”实现了 JIS 标准化，其中含抗拉强度为 569MPa 级的高强度钢。国内外高强度耐候钢的主要发展历程见图 1。对于高强度耐候桥梁钢，一般有三种研制路线，一种是传统的
15、调质生产工艺路线，如美国桥梁用结构钢标准(ASTMA709/A709M-95)中的 70W(碳含量0.12%)，其对焊接工艺要求较高，需要焊前预热，因此生产周期较长，成本较高。第二种就是低碳 TMCP 工艺路线，钢中碳含量一般在 0.070.11%。这种钢虽然不用进行调质处理，但由于碳含量仍然相对较高，在应用中还存在一些问题。如钢板愈厚其焊接敏感性系数愈高，在焊接时需要预热；在采用大线能量焊接时，还存在韧性降低的问题。第三种是超低碳贝氏体钢路线。超低碳贝氏体钢的碳含量严格控制在很低的范围(小于 0.05%)，在具有高强度高韧性的同时，具有极佳的焊接性。所得到的贝氏体组织均匀性较好，微区间电极电
16、位差较小，增强了耐蚀能力。由于其不用调质处理，降低了生产成本，缩短了生产周期，是当前高强耐候桥梁钢的发展趋势。上述三种不同生产工艺路线的钢种特点见表 2。由以上情况及表 2 可以看出，高强度耐候钢的性能在随着新钢种的不断推出而提高，在化学成分上，碳含量不断下降，这就导致了碳当量和焊接冷裂纹敏感性系数的降低，焊接性能逐步得到改善；生产工艺由淬火+回火向 TMCP 发展，降低了生产成本，缩短了生产周期；组织由马氏体向贝氏体、针状铁素体发展，这种贝氏体或针状铁素体组织对提高钢的强韧性、焊接性、耐候性以及加工制作性能都是有好处的。现在耐候钢在国外已逐步完善起来了。在设计上，对锈蚀层的折减计算，疲劳，构造细节加以规定；在钢种上，对耐候钢、耐候焊接材料、耐候高强度螺栓、耐候支座加以严格要求；在特性上，对稳定的锈蚀，腐蚀因素、硬度试验加以周密的分析；在制造、运输、架设上，对耐候钢表面的处理、清扫、保护、补修等加以严格把关；在经济上，对耐候钢的使用作追踪调查，详细进行经济比较。从发展趋势来看，国外已将耐候钢逐渐当作一种普通钢种来广泛使用。它被桥梁界称为“
