中國焊接鋼橋四十年

1、.中國焊接鋼橋四十年清華大學陳伯蠡 中國鋼橋發(fā)展概況常見的鋼橋型式有：梁橋 （ I 型板梁、桁梁、箱梁） ，拱橋 （系桿拱、下承拱、上承拱、中承拱），以及 懸索橋 和斜拉橋 等。大跨徑公路鋼橋主要是懸索橋（圖1 a ）和斜拉橋（圖1b）；鐵路鋼橋多為梁橋和拱橋。圖 1c 為低塔斜拉公鐵兩用梁橋。按造橋方法， 鋼橋可分為：abCd圖 1焊接鋼橋的幾種橋型a- 西陵長江大橋 (公路橋 )； b- 南京長江二橋（公路橋） ；c- 蕪湖長江大橋（公鐵兩用橋）； d-貴州北盤江大橋（鐵路橋）鉚接橋 ( 工廠制造和工地拼接均為鉚接) 、栓焊橋 ( 工廠制造為焊接，工地拼接為高強度螺栓連接 ) 和全焊橋 (

2、 工廠制造和工地拼接均為焊接) 。 栓焊橋 和全焊橋 統(tǒng)稱為 焊接橋 。我國僅在長江上已有各種型式的橋梁29 余座，其中接近半數(shù)為鋼橋。 “萬里長江成了中國當代橋梁的展臺。 ”（北京日報， 2002.07.17）。關于焊接鋼橋，可以公路橋為對象作比較，按大跨徑懸索橋的跨徑L 600m，大跨徑斜拉橋 L 400m，進行不完全統(tǒng)計， 90 年代以來中國已建成大跨徑懸索橋7 座，大跨徑斜拉橋10 座；同時期國外建成的大跨徑懸索橋有10座（其中日本 6 座），大跨徑斜拉橋有15 座（其中日本6 座）。按跨徑大小排序12，在世界上建成的全部懸索橋中排名前十位的焊接鋼橋中，中國有2 座：江陰長江大橋（L=

3、1385m）排名第四，香港青馬大橋（L=1377m）排名第五；日本明石海峽大橋L=1990m，居首位；丹麥的 Great Belt大橋 L=1624m，排名第二。而在全部斜拉橋排名前十位的焊接鋼橋中，日本的多多羅大橋L=890m，居首位；中國有 6座橋，排名第三、四、五、六、七和第九（南京長江二橋L=628m，排第三位；武漢長江三橋L=618m，排第四位） 。其中“不少已躋身世界級 橋梁，展示出中國當代建橋技術達到了世界先進水平”。（北京日報2002.07.17 ）。1996 年布達佩斯國際焊接鋼橋會議中，日本東京大學伊藤教授在題為“東亞焊接橋的.技術進展” 2 (p.67) 中講了日本的情況

4、，并著重評述了中國鋼橋的發(fā)展，“中國當前正在蓬勃開展經(jīng)濟工作， 條件允許， 也需要在廣闊的中國大地上大規(guī)模建設永久性基礎設施。在建設大跨度 索承載橋（ cable-supportedbridge ）方面，中國僅次于日本， 也有顯著的成就。 ”“（中國）目前正在非常積極地開發(fā)焊接橋梁。”“關于焊接橋，中國工程技術人員正努力開發(fā)幾百米跨徑的全焊結構。 ”實際上他還并不完全了解中國的發(fā)展情況。這時中國已經(jīng)建成第一座全焊鋼橋，即西陵長江大橋（L=900m，單跨懸索鋼橋，1996 年）。當然，這較之世界上第一座全焊懸索鋼橋Severn 大橋（英國，1966 年， L=987.6m）晚了30 年。在 2中

5、，伊藤教授提到： “日本鋼結構的生產(chǎn)超過了其它所有國家”，“研究開發(fā)了多種用于日本鋼橋的焊接技術，但迄今為止，關于工地焊接方面似乎還有些保守?！边@說明當時日本還未全力開發(fā)全焊鋼橋。 看來，中國焊接鋼橋已經(jīng)開始疾步趕上并進入了世界的先進行列。為了便于了解，將我國近 50 年來有代表性的鋼橋按建成年代排序，如表1 所示。所謂有代表性，不涉及任何方面評價問題，而是為說明各時期橋型、鋼材及鋼梁制造安裝方法等的演變。中國焊接鋼橋的發(fā)展并不是一蹴而就的，而是設計、 冶金、焊接各方面工程技術人員和技術工人密切配合，經(jīng)歷了幾個階段，努力不懈地試驗研究，攻克一個個難關，才可以取得令世人矚目的成果。 中國鋼橋是從

6、建設鐵路橋起步的，相當長的時間里是采用鉚接制造技術。采用的鋼材是低碳鋼。60 年代初，開始栓焊鋼橋的研制，并于1962 年和 1964 年分別建成雒容 (L=44.62m) 和浪江 (L=61.44m) 兩座試點鋼橋，取得了初步經(jīng)驗。修建成昆鐵路時，西南鐵路建設總指揮部于1965 年組成 “栓焊梁戰(zhàn)斗組” ，集合有鐵路系統(tǒng)內(nèi)外19 個單位共 68 人。其中，清華大學與哈爾濱焊接研究所擔負焊接試驗工作，中國科學院聲學研究所負責超聲波探傷開創(chuàng)工作。以成昆鐵路建設為契機，中國開始進入了栓焊鋼橋時代。 成昆鐵路全線共建成栓焊鋼橋44 座 122 孔，用鋼量 1.2 萬噸 (16Mnq），高強螺栓100

7、 萬套?！八ê附Y構基本上代替了鉚接結構，是我國鋼橋技術的一次重大改革，并為我國鋼橋的進一步發(fā)展提供了大量實踐的經(jīng)驗，起到了促進作用?！?3我國在 7080 年代，橋梁用鋼的質(zhì)量不理想，同時也存在對焊接技術可靠性的疑慮，而妨礙焊接技術在橋梁鋼結構上的應用。1966 年列為當時重點工程的枝城長江大橋（701橋），為三跨連續(xù)桁梁鐵路橋，L=160m，原設計為栓焊梁。 專為該橋開發(fā)了新橋梁鋼15MnVNq，并進行了全部的焊接性和焊接工藝試驗；但最終仍將栓焊結構改變?yōu)殂T接結構。只當15MnVNq鋼經(jīng)過不斷優(yōu)化，并將白河大橋作為試驗橋取得成功后，才在1992 年應用于九江長江大橋，建成 L=216m公鐵兩

8、用三跨連續(xù)系桿拱栓焊鋼橋（最大板厚為56mm）。表 1中國鋼橋的發(fā)展概況年代橋名類別橋型結構跨徑鋼材制造安裝/m公鐵三跨CT.3（相當11957武漢長江大橋桁梁128鉚接鉚接兩用連續(xù)Q235）21968南京長江大橋公鐵桁梁三跨16016Mnq鉚接鉚接兩用連續(xù)31970迎水河橋（成昆鐵路系桿剛性梁11216Mnq焊接栓接鐵路）拱41991上海南浦大橋公路斜拉結合梁423StE355焊接栓接51992九江長江大橋公鐵系桿三 跨 連21615MnVNq焊接栓接兩用拱續(xù)61993上海楊浦大橋公路斜拉結合梁602StE355焊接栓接71995孫口黃河大橋鐵路桁梁四 跨 連108SM490C焊接栓接續(xù).8

9、1996上海徐浦大橋公路斜拉混合梁590S355N焊接栓接91996西陵長江大橋公路懸索單跨90016Mnq焊接焊接箱梁101997香港青馬大橋公鐵懸索三 跨 連1377BS 4360焊接栓接兩用續(xù)箱梁Gr.500YS111997虎門大橋公路懸索單跨88816Mnq焊接焊接箱梁121999廈門海滄大橋公路懸索三 跨 連64816Mn焊接焊接續(xù)箱梁131999江陰長江大橋公路懸索單跨1385Fe510D焊接焊接箱梁(S355J2G3)142000蕪湖長江大橋公鐵低塔三 跨 連31214MnNbq焊接栓接兩用斜拉續(xù)桁梁152001南京長江二橋公路斜拉三 跨 連62816Mnq焊接焊接續(xù)箱梁1620

10、01宜昌長江大橋公路懸索單跨960Q345E焊接焊接箱梁172001天津塘沽公路單塔混合310Q345E焊接焊接海河大橋斜拉箱梁182001貴州鐵路拱鋼管砼236Q345D焊接焊接北盤江大橋192001武漢公路斜拉三 跨 連460Q345C焊接焊接軍山長江大橋續(xù)箱梁20在建巫峽長江大橋公路拱鋼管砼460Q345C焊接焊接21在建舟山公路斜拉混合580Q345D焊接焊接桃夭門大橋箱梁22在建潤揚長江大橋公路斜拉三 跨 連406Q345D焊接焊接北汊大橋續(xù)箱梁進入 90 年代，經(jīng)濟發(fā)展對交通建設的需求日益增長，高速公路網(wǎng)的建設和跨江河、跨海灣通道的建設，迫切要求修建大跨度鋼橋。同時，我國冶金技術在

11、不斷進步，優(yōu)質(zhì)低合金高強鋼有了長足發(fā)展。除了山海關和寶雞兩個橋梁廠，大型船廠如滬東造船廠、江南造船廠、武昌造船廠及廣州造船廠等均有條件承擔大跨徑鋼橋的制造任務，并且已經(jīng)成功地制造出高質(zhì)量的焊接鋼橋。1991 年開始，上海率先先后建成三座斜拉式栓焊公路橋：南浦大橋（1991 年， L=423m，結合梁）、楊浦大橋（ 1993 年， L=602m，結合梁）、徐浦大橋（1996 年， L=590m，混合梁）。正在建設的上海盧浦大橋，L=550m，是世界上最大的一座鋼拱公路橋。1996 年、 1997 年相繼建成全焊結構的單跨鋼箱梁懸索橋：西陵長江大橋（L=900m）、虎門大橋 (L=888m) 。以

12、后陸續(xù)建成江陰長江大橋、汕頭石大橋、 武漢長江三橋、 宜昌長江大橋、 武漢軍山長江大橋、天津塘沽海河大橋及南京長江二橋等多座公路大橋。在建中的潤揚長江大橋南汊大橋，L=1490m，為我國當前跨距最大的公路懸索橋。鐵路鋼橋也有明顯進步，建造了諸如九江長江大橋、 孫口黃河大橋、 長東黃河二橋、 蕪湖長江大橋等公鐵兩用栓焊鋼橋或鐵路專用栓焊鋼橋； 而且結構型式由源于鉚接鋼梁的節(jié)點栓接到焊接整體節(jié)點，栓焊比例由初期 “少焊多栓”發(fā)展到全焊整體節(jié)點，鋼材由16Mnq發(fā)展到 14MnNbq，鋼板厚度由24mm 發(fā)展到 56mm。蕪湖長江大橋的建成，被鐵路系統(tǒng)“譽為繼武漢、南京、九江長江大橋之后我國橋梁建設

13、的第四座里程碑 4。” 這樣，中國自 90 年代開始了焊接鋼橋大發(fā)展的黃金時期。這表明，如實際有需要，中國完全具備條件有能力建設大跨度或超大跨度焊接鋼橋。2. 中國焊接鋼橋的若干技術進展2. 1 橋梁鋼的開發(fā)與優(yōu)化我國在發(fā)展焊接鋼橋的過程中主要是采用國產(chǎn)鋼材（表1），鋼的強度級別主要是屈服.點 S 345Mpa級，如 16Mn（ Q345）。少數(shù)大橋應用了S 420Mpa級的15MnVN。也采用過國外的鋼材，鋼的強度級別均相當于Q345，如 SM490C、 Fe510D、 StE355 之類。50 年代，武漢長江大橋采用的是前蘇聯(lián)提供的低碳鋼，牌號為CT.3 ( 相當于Q235)。60 年代，

14、南京長江大橋建橋初期，使用的也是前蘇聯(lián)提供的低合金鋼，牌號為2( S=290 390Mpa), 但僅供應少量后就停止了。從此開始了自力更生。鞍山鋼鐵公司全力以赴地開發(fā) 16Mnq鋼，以解南京長江大橋的“燃眉之急”。開始時，成材率很低，鋼的質(zhì)量不夠理想，也不夠穩(wěn)定；但在以后的發(fā)展中逐步改善，并成為國內(nèi)各個鋼廠長時期的基本產(chǎn)品。16Mnq鋼就是這樣誕生的。在制造成昆鐵路栓焊鋼梁時，使用了國內(nèi)幾個鋼廠的16Mnq鋼，曾遇到鋼板嚴重的碳偏析情況。標準規(guī)定碳的含量上限為0.20%，而有的鋼板碳含量高達0.24%。在工型桿件角焊縫埋弧焊時，焊縫產(chǎn)生熱裂紋。不得不進行焊絲的優(yōu)化工作，用H03MnTi 焊絲代

15、替 H08A,焊劑 HJ431 也作了優(yōu)化，結果才得以使用這批鋼板。 31985 年以前，由于16Mn鋼的生產(chǎn)工藝改進較小，鋼的質(zhì)量與國外同類鋼材差距較大，鋼中硫含量高， 非金屬夾雜物多， 鋼材性能低， 特別是低溫沖擊韌性差，不能適應市場需要。因而，冶金部組織力量在“六. 五”期間進行了科技攻關。在冶煉方面，采用了噴射冶金、稀土處理、微合金化等措施；在軋制方面，采取了控制軋制、熱機械控制處理（TMCP）、水幕冷卻等新工藝，使 16Mn鋼的質(zhì)量得到了很大提高，主要指標達到了當時國外同類鋼材的水平。 5表 2 列出新冶煉工藝的效果。將優(yōu)化的16Mn鋼與近些年應用的幾種同類鋼材作對比，列于表 3，從

16、表3 可見，優(yōu)化的 16Mn鋼的韌性確已得到明顯改善。1966 年初，為滿足枝城長江大橋的需要，鞍山鋼鐵公司開始開發(fā)15MnVNq。針對設計的最大板厚為 38mm，屈服點 S 420Mpa，確定正火供貨，以保證韌性。起初，經(jīng)過焊接性和焊接工藝試驗， 發(fā)現(xiàn)，正火的 15MnVNq對焊接熱循環(huán)敏感，過熱區(qū)韌性降低幅度比較大，必須進一步優(yōu)化。 1976 年，15MnVNq的優(yōu)化工作取得了成果，并應用于白河大橋。該橋為單線鐵路橋，三跨連續(xù)桁梁，L=128m,作為試驗橋已運營多年。15MnVNq鋼的優(yōu)化，實際是利用先進冶煉工藝盡可能降低硫和磷的含量，并適當降低碳含量，表4 列出部分數(shù)據(jù)。表 2 改進冶煉

17、工藝后16Mn鋼化學成分和夾雜物的控制標準5標準化學成分 /%夾雜物級別CPS硫化物氧化物新工藝 16Mn0.14 0.18 0.0250.0100.1 1.5YB(T)10-81 16Mnq0.12 0.20 0.0350.0352 32 3表 3改進工藝的 16Mn 與同類鋼的低溫韌性對比a KU /J.cm-2AKV /J鋼號-40 0-20 -40 1優(yōu)化 16Mn 5140200-1002Q345C（* 巫峽橋， #軍山橋）-70 280*50 260 #-3Q345D(潤揚長江大橋北汊橋 )-80 250-4Q345E（宜昌長江大橋）-65 180514MnNbq（蕪湖長江大橋）-

18、190 2206日本 SM490C（孫口黃河大橋）-140 2707丹麥 Fe510D（ Storebaelt 橋）-234-注： #軍山長江大橋鋼料，武昌造船廠的-23試驗數(shù)據(jù)。Q345C、D 、E 按 GB/T1591-94 供貨，為多批.統(tǒng)計數(shù)據(jù)。表 4 15MnVNq 的優(yōu)化效果 6化學成分/ %力學性能CPSs/mpa5/%a /JKU優(yōu)化前0.180.0250.0324602430優(yōu)化后0.140.0160.0084402198九江長江大橋所確定的焊接方法主要是埋弧焊。為了與優(yōu)化的15MnVNq匹配，焊絲和焊劑也應進行優(yōu)化，表 5 列出焊絲與焊劑的匹配結果。所謂焊絲優(yōu)化， 就是盡量

19、降低焊絲中的S（ 0.01%）、P( 0.015%) ，適當減少C。這種優(yōu)化的焊絲，在鋼號尾部附以“E”。在孫口大橋、蕪湖大橋建造時也作了焊絲優(yōu)化工作：H08A H08E； H10Mn2 H08Mn2E； H08MnAH08MnE 。這些焊絲目前正在廣泛應用于鋼橋的制造中。表 5 優(yōu)化的 15MnVNq鋼埋弧焊焊絲焊劑匹配結果6焊絲焊劑 S /MPa 5 / %A KV(-20)H04MnMoEHJ 603(高堿度 )58426104HJ 3506072159顯然，鋼材的“優(yōu)化” ，實際就是提高鋼的純度。在今天的冶金技術看來已不是問題。茲再列舉一些潤揚長江大橋使用的Q345D鋼幾個具體批號的數(shù)

20、據(jù)，如表6 所示。比較表 6和表 4，顯然，當時“優(yōu)化”的結果遠未達到當前所用鋼種的性能水平。其實國外也經(jīng)歷過這種情形，在文獻2（ p.130 ）中寫有：法國“在發(fā)展了連鑄并同時采用電磁擾動，精煉除硫，促進了優(yōu)質(zhì)厚鋼板的發(fā)展，無層狀撕裂的缺陷。層狀撕裂，只是一個過去的幽靈”。我國鋼材的性能已達到相當高的水平，但似乎還有質(zhì)量穩(wěn)定性問題，尤其是低溫韌度常有低值出現(xiàn)，還需進一步改善。表 6Q345D 的化學成分和力學性能（山海關橋梁廠2002 年數(shù)據(jù)）鋼廠板厚化學成分 / %力學性能/mmCPSCeq * S /MPa 5 /%A KV (-20 ) /J舞陽300.130.0060.0020.4042028279,278,252650.160.0060.0020.4036031259,255,266鞍鋼120.140.0140.0060.3947526196,162,125武鋼200.150.0150.0010.3936031265,263,266* 注： Ceq 為碳當量在 16Mn微合金化優(yōu)化工作的基礎上，于 1994 年修訂完成 低合金高強度鋼國家標準GB1591-88，代之以 GB/T1591-94 。與此同時 , 武漢鋼鐵公司逐漸將14MnNbq鋼定型，并于 1994年開始在京九鐵路京杭運河橋（