我國橋梁用鋼現(xiàn)狀及耐候橋梁鋼發(fā)展

1、我國橋梁用鋼現(xiàn)狀及耐候橋梁鋼發(fā)展摘要:我國橋梁用鋼強度等級與韌性不斷提高,焊接性能持續(xù)改善,鋼板的適宜厚度逐步提高。鐵路橋梁 用鋼、公路橋梁用鋼、跨海大橋用鋼成為我國橋梁用鋼的主體。順應時代發(fā)展要求的高性能耐候橋梁鋼將是我 國橋梁用鋼發(fā)展的主要方向。耐候橋梁鋼在我國已經(jīng)有所應用,但需要系統(tǒng)建立或健全使用耐候橋梁鋼的相關 國家或行業(yè)標準。關鍵詞:橋梁,鋼,耐候1、前言建國以來,我國的橋梁建設事業(yè)有了很大的發(fā)展。新設計、新材料、新工藝的廣泛采用,使得我國橋梁的 設計建造水平不斷提高。懸索橋、斜拉橋、拱橋、梁橋,都展示出各自的獨特魅力。我國鐵路橋梁的發(fā)展自 1957年的武漢長江大橋 (A3開始,經(jīng)歷

2、南京長江大橋 (16Mnq,九江長江大橋 (15MnVNq到 1998年的蕪湖長江大橋 (14MnNbq,經(jīng)過四個標志性的階段,各階段都代表了一個時期的橋 梁技術的發(fā)展水平和冶金技術的發(fā)展水平。鐵路橋梁由鉚接、栓焊發(fā)展到蕪湖長江大橋的整體焊接節(jié)點,鋼梁 的跨度也由 128米發(fā)展到 312米。 已建成的亞洲最大的公路鐵路兩用橋蕪湖長江大橋, 其主跨達到 312米, 集數(shù)十項世界領先技術為一體,標志著我國鐵路橋梁的制造技術已達到世界領先水平。正在建設的南京大勝關 長江大橋 (WNQ570,是我國第一條大跨度高速鐵路橋梁,橋面為四線高速鐵路和兩線地鐵,設計時速為 300km/h,更是奠定了我國橋梁行

3、業(yè)在國際上的領先地位。公路橋梁自上世紀 50年代至 80年代經(jīng)歷了預應力鋼筋混凝土梁式 (鋼構 橋到預應力鋼筋混凝上梁式 (鋼 構 橋后, 80年代末隨著大跨度公路橋梁的建造,鋼結構現(xiàn)代索橋 (斜拉、懸索 顯示出強有力的競爭力,得到 快速發(fā)展。 在不足 10年的時間,國內(nèi)相繼建造了 10余座世界級的大跨度斜拉及懸索橋。 南京長江二橋及武漢 長江三橋為世界第三和第四大 (國內(nèi)第一、二 斜拉橋,其中南京長江二:橋采用全焊結構代替了以往的栓焊鋼 箱梁,跨度達到 628米,標志中國鋼結構公路橋梁建設水平已達到世界先進水平。我國跨海橋梁也有了飛速的發(fā)展,我國第一條跨海大橋東海大橋總長約為 31公里。大橋

4、按雙向六車道加 緊急停車帶的高速公路標準設計,設計車速 80公里 /小時。即將竣工的杭州灣跨海大橋全長 36公里,其中橋 長 35.7公里,雙向六車道高速公路,設計時速 100km 。即將建設的有廈漳跨海大橋、臺灣海峽通道西段工程 平潭跨海大橋等。順應我國橋梁工程的發(fā)展需要,我國橋梁用鋼也得到了飛速的發(fā)展。2、我國橋梁用鋼的發(fā)展現(xiàn)狀由于其工作環(huán)境和所承受的載荷的不同, 大型橋梁用鋼可分為公路橋梁用鋼和鐵路橋梁用鋼兩大類。 另外 跨海大橋用鋼由于其所處的海洋腐蝕性環(huán)境以及橋梁下部結構的不問,也有其不同的特點。2.1 鐵路橋梁用鋼自從前蘇聯(lián)援建武漢長江大橋以來, 我國已建造了大量的大跨度鐵路橋梁。

5、 最初的武漢長江大橋采用的是 前蘇聯(lián)生產(chǎn)的 A3鋼,其屈服強度僅要求大于等于 240MPa ,橋梁的上段結構采用的是鉚接菱形連續(xù)梁。1969年建成通車的南京長江大橋,則是由完全由我國自主沒計建造的大型公鐵兩用橋梁,采用的是 16Mnq 鋼,其屈服強度僅要求大于等于 320MPa 。當時 16Mnq 在行業(yè)中雖然應用廣泛,但使用部門反映, 16Mnq 鋼板采用 U 形缺口沖擊, 韌性指標偏低。 同時也反映板厚效應嚴重, 鐵路橋僅能用到 32mm, 超過此厚 度冶金質(zhì)量難以保證。受制于大跨度鐵道橋梁的發(fā)展需求, 迫切需求鐵路橋梁用鋼提高強度級別。 1995年建成的九江長江大橋, 采用的就是 15M

6、nVNq 。和 16Mnq 鋼相比,這種鋼的強度確實有了顯著提高,屈服強度要求大于等于 412MPa(當板厚 16mm 時 。但由于采用加釩捉高強度的方法,導致鋼板低溫韌性和焊接性較差,給橋梁制 造帶來很多困難。九江長江大橋建成后,該鋼種一直未能得到推廣應用。橋梁鋼已成為制約鐵路橋梁發(fā)展的一 個突出矛盾。上世紀 90年代初,鐵路橋梁建設面臨蕪湖長江大橋的建設,主跨達 312米。橋梁鋼問題顯得愈加突出。 為了保證橋梁工程的安全性和加工制造的方便,需要突出解決鋼板的低溫韌性和焊接性等問題。為此中鐵大橋 局和武鋼聯(lián)合共同開發(fā)了大跨度鐵路橋梁用鋼 14MnNbq 。該鋼采用降碳加鈮合超純凈的冶金方法,

7、保證了屈 服強度 ReL 370MPa 的基礎上,具有優(yōu)異的 -40低溫沖擊韌性 (蕪湖橋標準要求 -40 Akv 120J 。同時 焊接性能也大大提高, 解決了板厚效應問題, 可大批量供應 3250mm 厚鋼板。 在蕪湖長江大橋 46000噸供 貨統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明:所供 1050mm 鋼板沖擊韌性平均實物質(zhì)量達到 -40 Akv 為 223J 的優(yōu)異水平。蕪湖長 江大橋橋建設后的 10年時間里, 14MnNbq 鋼在全面滿足了鐵路橋梁建設的需要,得到了極為廣泛的應用。 2000年, 14MnNbq 鋼納入橋梁鋼國家標準,成為 Q370qE 鋼。正在建設的京滬高速鐵路南京大勝關長江大橋,是京滬高速

8、鐵路和滬漢蓉鐵路于南京跨越長江的越江通 道,是我國鐵路橋梁史上的又一個里程碑,為六線鐵路橋梁,設計時速 300km/h,是京滬高速鐵路的控制性 工程。 該橋具有大跨、 重載、 高速三大特點。 主桁構件最大軸力高達 9000余噸, 中主墩最大支座反力約 15000噸。 如果繼續(xù)使用傳統(tǒng)的 14MnNbq 鋼, 則最大板厚必須使用到 120mm , 這將會給設計施工帶來極大的困難。 為此,武鋼和中鐵大橋局聯(lián)合開發(fā)了 WNQ570鋼,以滿足國家“十一五”重點工程京滬高速鐵路南京大 勝關長江大橋的工程需要。與我國現(xiàn)有橋梁鋼相比, WNQ570鋼有以下特點:強度明顯提高,不區(qū)分板厚效應,在 1268mm

9、 范 圍內(nèi),均要求 Rm 570MPa 。而 15MnVNq 鋼和 14MnNbq 鋼在板厚為 68mm 時,僅為 Rm 530MPa 或 Rm 490MPa 。由于采用一系列精煉技術,同時隨著軋制力的提高,鋼板由傳統(tǒng)的最大使用板厚為 50mm 擴 展到 68mm 。在焊接材料上,革新傳統(tǒng)的 C-Mn 、 Si-Mn 系焊材的焊縫強度僅在 500MPa 級別以下、焊縫低 溫沖擊韌性僅能達到 -30時 48J 的狀況,研制新型針狀鐵索體型橋梁用鋼的手工焊、氣保焊、埋弧焊焊接材 料,焊縫強度大于 570MPa ,同時 -40沖擊韌性可以達到 48J 以上。我國鐵路橋梁發(fā)展的標志性工程見表 1。 2

10、.2 公路橋梁用鋼由于公路橋梁的受力狀況和鐵路橋梁有諸多不同,因此,公路橋梁用鋼多選用 Q345、 Q370等鋼種,也 有使用 Q420的,但供貨技術條件中強度一般都是隨板厚的增加而遞減。鋼板的規(guī)格也比較薄,需求較大,該 品種的競爭主要集中在價格、鋼廠資源等方面。2.3 跨海大橋用鋼跨海大橋用鋼主要集中于管樁鋼、通航主橋的橋梁鋼、橋面護欄以及帶肋鋼筋,其中管樁鋼、通航主橋的 橋梁鋼占鋼材總量的 60%,僅管樁鋼就占其鋼材總量的 50%左右。管樁鋼的材質(zhì)主要為 Q345C ,規(guī)格范圍 為 1625mm 之間,大部分為熱軋卷板,并采用螺旋焊管形式,跨海大橋的管樁用鋼量特別大,杭州灣跨海 大橋就使用

11、了武鋼生產(chǎn)的管樁鋼 Q345C 約 39萬噸。 通航主橋的橋梁鋼的材質(zhì)主要集中于 Q345D 級別, 規(guī)格 為 1050mm 之間,主要為平板產(chǎn)品;護欄用鋼的材質(zhì)為 Q345D/Q390D,規(guī)格為 425mm 之間。上述 三個產(chǎn)品種對鋼材的耐蝕性都有較高的要求, 杭州灣跨海大橋甚至第一次明確提出了使用壽命 100年以上的要 求,因此,橋梁用鋼的耐蝕性能成為設計者選材的重要考慮部分。3、國外耐候橋梁用鋼的發(fā)展隨著大型鋼結構橋梁向全焊接結構和高參數(shù)方向發(fā)展, 對橋梁結構的安全可靠性要求越來越嚴格。 這不僅 對設計者提出了更高的要求,而且對鋼板質(zhì)量提出了更高的水準,即不僅具有高強度以滿足結構輕量化要

12、求, 而且還應具有優(yōu)良的低溫韌性、焊接性和耐蝕性等,以滿足鋼結構的安全可靠、長壽等要求。傳統(tǒng)的高強度橋梁鋼不僅沖擊韌性、焊接性、疲勞性較差,而且不能耐大氣、海水腐蝕。因此,國內(nèi)外材 料工作者提出了高性能鋼 (High Performance Steel, HPS 的概念。高性能鋼材主要是指材料的某項或幾項 性能較傳統(tǒng)鋼材得到改善的鋼材,除了具備較高強度外,鋼材的焊接性能、低溫韌性,尤其是耐腐蝕性能有較 大幅度提高。近年來,應用在橋梁上的高性能鋼已成為國際鋼鐵材料研究的熱點,如美國 ASTM709中的 HPS-70W 鋼、 HPS-100W 鋼和日本的 SMA570W 系列鋼等。耐候橋梁用鋼作為

13、高性能橋梁鋼的一個發(fā)展方向,在國外 得到了較為廣泛的發(fā)展。對于鋼材耐候性的研究,在上世紀初到 60年代,人們注重不同合金元素對鋼材耐大氣腐蝕能力的作用, 從而出現(xiàn)了以 Corten 鋼為代表的耐大氣腐蝕系列用鋼; 60年代以后開始注重環(huán)境因素對耐候鋼表面腐蝕產(chǎn)物 的影響,并闡明了耐候鋼抗大氣腐蝕機理。從 90年代至今,很多研究者將目光轉向低成本、高強度、耐蝕性 能更高的新型高性能耐候鋼開發(fā),并且取得了一定成果。在美國早期應用最普遍的耐候鋼主要為高 P 、 Cu 加 Cr 、 Ni 的 Corten A系列和以 Cr 、 Mn 、 Cu 合金化 為主的 Corten B系列。 1974年, AS

14、TMA709中出現(xiàn)了 70W 和 lOOW 等高強度耐候橋梁鋼,但是這些鋼中 碳含量較高 ( 0.12%, 對焊接工藝要求也高。 為了改善焊接性能, 在 1997年 ASTM A709中出現(xiàn)了 HPS70W 鋼,近期 HPS 100W鋼也將納入標準,這些鋼中的碳含量較 70W 和 100W 有了一定程度的降低,焊接性能 也有所改善。 1950年,耐候鋼被引進到日本,并在日本得到發(fā)展和應用, 1968年日本將低磷系焊接用鋼作為 “ JIS G3114焊接結構用耐候性熱軋鋼材”, 1971年將高磷系焊接用鋼作為“ JIS G3125高耐候性軋制鋼 材”實現(xiàn)了 JIS 標準化,其中含抗拉強度為 56

15、9MPa 級的高強度鋼。國內(nèi)外高強度耐候鋼的主要發(fā)展歷程見圖 1。對于高強度耐候橋梁鋼,一般有三種研制路線,一種是傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)生產(chǎn)工藝路線,如美國橋梁用結構鋼標 準 (ASTMA709/A709M-95中的 70W(碳含量 0.12%,其對焊接工藝要求較高,需要焊前預熱,因此生 產(chǎn)周期較長,成本較高。第二種就是低碳 TMCP 工藝路線, 鋼中碳含量一般在 0.070.11%。 這種鋼雖然不用進行調(diào)質(zhì)處理, 但 由于碳含量仍然相對較高,在應用中還存在一些問題。如鋼板愈厚其焊接敏感性系數(shù)愈高,在焊接時需要預熱; 在采用大線能量焊接時,還存在韌性降低的問題。第三種是超低碳貝氏體鋼路線。超低碳貝氏體鋼的

16、碳含量嚴格控制在很低的范圍 (小于 0.05%,在具有 高強度高韌性的同時,具有極佳的焊接性。所得到的貝氏體組織均勻性較好,微區(qū)間電極電位差較小,增強了 耐蝕能力。由于其不用調(diào)質(zhì)處理,降低了生產(chǎn)成本,縮短了生產(chǎn)周期,是當前高強耐候橋梁鋼的發(fā)展趨勢。 上述三種不同生產(chǎn)工藝路線的鋼種特點見表 2。由以上情況及表 2可以看出, 高強度耐候鋼的性能在隨著新鋼種的不斷推出而提高, 在化學成分上, 碳含 量不斷下降,這就導致了碳當量和焊接冷裂紋敏感性系數(shù)的降低,焊接性能逐步得到改善;生產(chǎn)工藝由淬火 +回火向 TMCP 發(fā)展,降低了生產(chǎn)成本,縮短了生產(chǎn)周期;組織由馬氏體向貝氏體、針狀鐵素體發(fā)展,這種貝氏 體

17、或針狀鐵素體組織對提高鋼的強韌性、焊接性、耐候性以及加工制作性能都是有好處的。現(xiàn)在耐候鋼在國外已逐步完善起來了。在設計上,對銹蝕層的折減計算,疲勞,構造細節(jié)加以規(guī)定;在鋼 種上,對耐候鋼、耐候焊接材料、耐候高強度螺栓、耐候支座加以嚴格要求;在特性上,對穩(wěn)定的銹蝕,腐蝕 因素、硬度試驗加以周密的分析;在制造、運輸、架設上,對耐候鋼表面的處理、清掃、保護、補修等加以嚴 格把關;在經(jīng)濟上,對耐候鋼的使用作追蹤調(diào)查,詳細進行經(jīng)濟比較。從發(fā)展趨勢來看,國外已將耐候鋼逐漸 當作一種普通鋼種來廣泛使用。它被橋梁界稱為“不朽的美”。表 3記述了耐候橋梁鋼在國外發(fā)展的歷史情況。 4、我國耐候橋梁用鋼的發(fā)展新鋼種

18、的出現(xiàn),不僅講實用性,還要講經(jīng)濟效益,否則就失去其實用價值,也失去推廣的前提。銹蝕不僅 給結構物帶來損害,也給工務部門增加了繁重的管理、維護負擔,同時周期性的再涂裝也耗費了大量的人力和 資金。據(jù)鐵道部有關部門統(tǒng)計, 19841987年 4年間,再涂裝鋼橋 1260余孔、耗用優(yōu)質(zhì)涂料幾千噸,耗資 巨大。而耐候鋼由于冶煉工序的增加,材質(zhì)的一次性投資略高于同等級普通低合金鋼。但從橋梁成品角度看, 由于在工廠和現(xiàn)場減少了部件的表面處理和涂料,所以無論是近期還是遠期都是具有一定經(jīng)濟效益的。為此 1993年 7月日本一家鋅化處理株式會社建筑材料事業(yè)部做了一項經(jīng)濟計算, 真實地反映了耐候鋼的經(jīng)濟效益。 計算

19、表明:經(jīng)過 40年的使用,普通鋼 +涂裝的經(jīng)費 (3次反復涂裝 已超過了耐候鋼裸使用的 2倍。可以看到耐 候鋼潛在的經(jīng)濟效益是巨大的。國內(nèi)關于耐候鋼方面的研究,最早始于 60年代, 1965年試制出 09MnCuPTi 耐候鋼,并制造了我國第 一輛耐候鋼鐵路貨車。但隨后發(fā)展緩慢,自從 80年代初期列入國家重點技術攻關項目以后,發(fā)展十分迅速, 經(jīng)過“六五”、“七五”攻關,研制出以 09CuPTiRE , 09CuPCrNi 為代表的耐候鋼,并早已大規(guī)模生產(chǎn)。但 是,在我國耐候橋梁鋼的應用尚未得到廣泛的推廣。1989年底,在鐵道部鄭州鐵路局公務處的大力支持下,由鐵道部科學研究院研究開發(fā),武鋼試制,

20、鐵道 部專業(yè)設計院主持設計,寶雞橋梁廠制造了三孔耐候鋼箱梁,鋼號為 NH35q, 與現(xiàn)在常用的 16錳橋鋼系同一 強度等級。作為試驗,將其中一孔梁采用裸使用,其余兩孔涂面漆, 1991年已經(jīng)投入使用:這座橋架設于京 廣鐵路巡司河上, 是我國第一座耐大氣腐蝕鋼橋。 5年掛片實驗結果表明, 耐大氣腐蝕性能比普碳鋼提高 1.5 2倍,各項實際性能與國外的 Cor-ten B和 SMA50鋼水平相當。此鋼種是目前國內(nèi)開發(fā)的第一個耐大氣腐蝕 橋梁專用鋼,其化學成分見表 4。但是,自從該鋼成功開發(fā)以后,并沒有得到廣泛的應用。究其原因,大致有以下幾點:橋梁鋼耐候性的重 要性在當時并未引起包括橋梁制造部門的應

21、有重視。當時的橋梁工程并不多,跨度也不大,設計者一般只考慮 起強韌性,抗沖擊性和焊接性等方面;相關單位未能對 NHq35進行強有力的推廣;鋼種開發(fā)未能系列化,不 適應橋梁工程發(fā)展的多種需求。在設計上未能考慮耐候鋼板的角度、位置、積水狀況等對腐蝕情況的影響。 資源節(jié)約型與環(huán)境友好型社會的發(fā)展, 要求在橋梁建造上采用耐候鋼的呼聲已經(jīng)重新引起橋梁鋼研發(fā)者的 重視。國內(nèi)以武鋼為代表的一些鋼鐵企業(yè)一直在做這方面的嘗試與開拓。在建的京滬高速鐵路南京大勝關長江大橋采用的是武鋼在國內(nèi)率先研制的新型高強度耐候鐵路橋梁鋼 WNQ570。該鋼以超低碳貝氏體 (ULCB為設計主線,并充分利用組織細化、組織均勻等關鍵技

22、術,使開發(fā)鋼 種具有高強度 (Rm 570MPa , 、 高韌性 (-40 Akv 120J 和優(yōu)異的焊接性 (Pcm 0.20 , 以及良好的耐候 性能等 (該鋼相對于 09CuPCrNi 的相對腐蝕率僅 0.63 。WNQ570鋼耐腐蝕性的設計思路就是以超低碳 (小于 0.02%, wt 輔之以適宜的 Cu 、 Cr 、 Ni 等耐候性 元素配比,經(jīng)高純凈化處理,并通過適宜的澆注與軋制熱處理等工藝,使鋼板得到組織均勻性較好的針狀鐵素 體組織,使得各微區(qū)之間電極電位差異較小,增強其耐腐蝕能力。WNQ570鋼耐腐蝕性的具體特點如下:化學成分的均勻性鋼中碳含量等于或接近碳在鐵素體中的最大溶解度

23、0.0218%, 以盡量減少成分偏析, 保證成分的均勻性。 因為低的碳含量可以減少偏析的趨勢,中碳鋼最大的危害就是在包晶反應區(qū)枝晶間合金元素的富集。在這一包 晶反應區(qū),由于體心立方的 -Fe 向面心立方的奧氏體的轉變,枝晶間產(chǎn)生附加的收縮。由于液相也參與這一 反應,合金元素很自然會在枝晶間富集。如果降低碳含量,由于 區(qū)的擴大,凝固溫度區(qū)間的減小,枝晶間的 偏析就會大大降低,而固溶原子在 -Fe 中的擴散速率是在奧氏體中的 100倍,所以這就有利于成分均勻化, 使各微區(qū)之間的電極電位差異較小,增強了耐腐蝕能力。組織的均勻性碳含量等于或接近碳在鐵素體中的最大溶解度 0.0218%。 在 的轉變過程

24、中, 由于 Nb(CN的析出, 鐵素體中碳的溶解度極限不容易被超過,從而在顯微組織中形成 碳化物或 Fe 3C 的可能性極小,高碳 M A C 組元的出現(xiàn)幾率也很小,即較少發(fā)生 C 原子的分配,并通過適宜工藝使鋼板最終組織以針狀鐵素體為主, 與傳統(tǒng)的珠光體-鐵索體鋼而言,這種組織均勻性更好,各微區(qū)之間電極電位更趨于一致,提高了其耐候性能。 適宜的化學成分通過適宜的 Cu-Cr-Ni 耐候性元素配比，通過其在鋼板內(nèi)銹層的富集來保證耐候性。 潔凈度和晶粒度 經(jīng)真空循環(huán)脫氣處理，全流程保護性澆注，同時控制 S 含量在 0.006%以下，以盡量減少夾雜，提高鋼 質(zhì)純凈度。通過 TMCP+回火技術，使組織充分細化，超細晶粒降低了晶界上的夾雜物含量，顯著提高了晶界 的潔凈度，結果造成了鋼的耐候性提高。 即將通車的杭州灣跨海大橋，處于海洋性腐蝕環(huán)境，設計者所提出的使用壽命為 100 年以上使得橋梁用 鋼的耐腐蝕性顯得非常突出。其使用的管樁用鋼就采用了經(jīng)濟型耐候鋼的設計理念。煉鋼時充分利用廢鋼中所 含的殘余元素 Cu，適當添加耐候性元素 Cr、Ni 等，并采用精煉工藝，充分降低 S 含量