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： a b         C d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)

2、、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(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?！叭f里長江成了中國當代橋梁的展臺?！保ū本┤請螅?002.07.17）。關(guān)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L600m，大跨徑斜拉橋L400m，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

3、陰長江大橋（L=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(shù)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(shù)進展”2(p.67)中講了日本的情況，并著

4、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(shè)永久性基礎(chǔ)設(shè)施。在建設(shè)大跨度索承載橋（cable-supported bridge）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?！薄瓣P(guān)于焊接橋，中國工程技術(shù)人員正努力開發(fā)幾百米跨徑的全焊結(jié)構(gòu)?！睂嶋H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，伊藤教授提到：“日本鋼結(jié)構(gòu)的生

5、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(shù)，但迄今為止，關(guān)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(shè)計、冶金、焊接各方面工程技術(shù)人員和技術(shù)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(guān)，才可以取得令世人矚目的成果。中國鋼橋是從建設(shè)鐵路橋起步的，相當長的時間里是采用鉚接制造

6、技術(shù)。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(shè)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(shè)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100萬套?！八ê附Y(jié)構(gòu)基本上代替了鉚接結(jié)構(gòu)，是我國鋼橋技術(shù)的一次重大改革，并為我國鋼橋的進一步

7、發(fā)展提供了大量實踐的經(jīng)驗，起到了促進作用?！? 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(shù)可靠性的疑慮，而妨礙焊接技術(shù)在橋梁鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)改變?yōu)殂T接結(jié)構(gòu)。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(yīng)用于九江長江大橋，建成L=216m公鐵兩用三跨連續(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(jié)構(gòu)跨徑/m

8、鋼材制造安裝11957武漢長江大橋公鐵兩用桁梁三跨連續(xù)128CT.3（相當Q235）鉚接鉚接21968南京長江大橋公鐵兩用桁梁三跨連續(xù)16016Mnq鉚接鉚接31970迎水河橋（成昆鐵路）鐵路系桿拱剛性梁11216Mnq焊接栓接41991上海南浦大橋公路斜拉結(jié)合梁423StE355焊接栓接51992九江長江大橋公鐵兩用系桿拱三跨連續(xù)21615MnVNq焊接栓接61993上海楊浦大橋公路斜拉結(jié)合梁602StE355焊接栓接71995孫口黃河大橋鐵路桁梁四跨連續(xù)108SM490C焊接栓接81996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箱梁90016Mn

9、q焊接焊接101997香港青馬大橋公鐵兩用懸索三跨連續(xù)箱梁1377BS 4360Gr.500YS焊接栓接111997虎門大橋公路懸索單跨箱梁88816Mnq焊接焊接121999廈門海滄大橋公路懸索三跨連續(xù)箱梁64816Mn焊接焊接131999江陰長江大橋公路懸索單跨箱梁1385 Fe510D(S355J2G3)焊接焊接142000蕪湖長江大橋公鐵兩用低塔斜拉三跨連續(xù)桁梁31214MnNbq焊接栓接152001南京長江二橋公路斜拉三跨連續(xù)箱梁62816Mnq焊接焊接162001宜昌長江大橋公路懸索單跨箱梁960Q345E焊接焊接172001天津塘沽海河大橋公路單塔斜拉混合箱梁310Q345E焊接

10、焊接182001貴州北盤江大橋鐵路拱鋼管砼236Q345D焊接焊接192001武漢軍山長江大橋公路斜拉三跨連續(xù)箱梁460Q345C焊接焊接20在建巫峽長江大橋公路拱鋼管砼460Q345C焊接焊接21在建舟山桃夭門大橋公路斜拉混合箱梁580Q345D焊接焊接22在建潤揚長江大橋北汊大橋公路斜拉三跨連續(xù)箱梁406Q345D焊接焊接進入90年代，經(jīng)濟發(fā)展對交通建設(shè)的需求日益增長，高速公路網(wǎng)的建設(shè)和跨江河、跨海灣通道的建設(shè)，迫切要求修建大跨度鋼橋。同時，我國冶金技術(shù)在不斷進步，優(yōu)質(zhì)低合金高強鋼有了長足發(fā)展。除了山海關(guān)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

11、擔大跨徑鋼橋的制造任務(wù)，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(jié)合梁）、楊浦大橋（1993年，L=602m，結(jié)合梁）、徐浦大橋（1996年，L=590m，混合梁）。正在建設(shè)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(jié)構(gòu)的單跨鋼箱梁懸索橋：西陵長江大橋（L=900m）、虎門大橋(L=888m)。以后陸續(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=

12、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(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)大跨度或超大跨度焊接鋼橋。2. 中國焊接鋼橋的若干

13、技術(shù)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S345Mpa級，如16Mn（Q345）。少數(shù)大橋應(yīng)用了S420Mpa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，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=290390Mpa),但僅供應(yīng)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

14、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焊絲代替H08A,焊劑HJ431也作了優(yōu)化，結(jié)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，

15、不能適應(yīng)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(guān)。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(yīng)用的幾種同類鋼材作對比，列于表3，從表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(shè)計的最大板厚為38mm，屈服點S420Mpa，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)

16、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(yīng)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16Mn0.140.180.0250.0100.11.5YB(T)10-81 16Mnq0.120.200.0350.0352323表3 改進工藝的 16Mn與同類鋼的

17、低溫韌性對比   鋼號a KU /J.cm-2AKV /J-400-20-401優(yōu)化16Mn5140200-1002Q345C（*巫峽橋，#軍山橋）-70280 *50260 #-3Q345D(潤揚長江大橋北汊橋)-80250-4 Q345E（宜昌長江大橋）-65180514MnNbq（蕪湖長江大橋）-1902206日本SM490C（孫口黃河大橋）-1402707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&

18、#160;化學成分 / %力學性能CPSs /mpa5 /%aKU /J 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(yīng)進行優(yōu)化，表5列出焊絲與焊劑的匹配結(jié)果。所謂焊絲優(yōu)化，就是盡量降低焊絲中的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：H08AH08E；H10Mn2H08Mn2E；H08MnAH08MnE 。這些焊絲目前正在廣泛應(yīng)用于鋼橋的制造中。表5 優(yōu)化的15Mn

19、VNq鋼埋弧焊焊絲焊劑匹配結(jié)果6焊絲焊劑S /MPa5 / %AKV (-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(shù)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)據(jù)，如表6所示。比較表6和表4，顯然，當時“優(yōu)化”的結(jié)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

20、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6 Q345D的化學成分和力學性能（山海關(guān)橋梁廠2002年數(shù)據(jù)）鋼廠板厚/mm化學成分 / %力學性能CPSCeq *S /MPa5 /%AKV (-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(chǔ)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