我國橋梁用鋼現(xiàn)狀及耐候橋梁鋼發(fā)展

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(qiáng)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(yīng)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(yīng)用，但需要系統(tǒng)建立或健全使用耐候橋梁鋼的相關(guān)國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)鍵詞：橋梁，鋼，耐候1、前言建國以來，我國的橋梁建設(shè)事業(yè)有了很大的發(fā)展。新設(shè)計、新材料、新工藝的廣泛采用，使得我國橋梁的設(shè)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(biāo)志性的階段，各階段都代表了一個時期的橋梁技術(shù)的發(fā)展水平和冶金技術(shù)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(dá)到312米，集數(shù)十項世界領(lǐng)先技術(shù)為一體，標(biāo)志著我國鐵路橋梁的制造技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。正在建設(shè)的南京大勝關(guān)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(shè)計時速為300km/h，更是奠定了我國橋梁行業(yè)在國際上的領(lǐng)先地位。公路橋梁自上世紀(jì)50年代至80年代經(jīng)歷了預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁式(鋼構(gòu))橋到預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝上梁式(鋼構(gòu))橋后，80年代末隨著大跨度公路橋梁的建造，鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)代索橋(斜拉、懸索)顯示出強(qiáng)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(jié)構(gòu)代替了以往的栓焊鋼箱梁，跨度達(dá)到628米，標(biāo)志中國鋼結(jié)構(gòu)公路橋梁建設(shè)水平已達(dá)到世界先進(jìn)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。大橋按雙向六車道加緊急停車帶的高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)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(shè)計時速100km。即將建設(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)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。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(qiáng)度僅要求大于等于240MPa，橋梁的上段結(jié)構(gòu)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(qiáng)度僅要求大于等于320MPa。當(dāng)時16Mnq在行業(yè)中雖然應(yīng)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(biāo)偏低。同時也反映板厚效應(yīng)嚴(yán)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(qiáng)度級別。1995年建成的九江長江大橋，采用的就是15MnVNq。和16Mnq鋼相比，這種鋼的強(qiáng)度確實有了顯著提高，屈服強(qiáng)度要求大于等于412MPa(當(dāng)板厚≤16mm時)。但由于采用加釩捉高強(qiáng)度的方法，導(dǎo)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(yīng)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(jì)90年代初，鐵路橋梁建設(shè)面臨蕪湖長江大橋的建設(shè)，主跨達(dá)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，保證了屈服強(qiáng)度ReL≥370MPa的基礎(chǔ)上，具有優(yōu)異的-40℃低溫沖擊韌性(蕪湖橋標(biāo)準(zhǔn)要求-40℃Akv≥120J)。同時焊接性能也大大提高，解決了板厚效應(yīng)問題，可大批量供應(yīng)32～50mm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10～50mm鋼板沖擊韌性平均實物質(zhì)量達(dá)到-40℃Akv為223J的優(yōu)異水平。蕪湖長江大橋橋建設(shè)后的10年時間里，14MnNbq鋼在全面滿足了鐵路橋梁建設(shè)的需要，得到了極為廣泛的應(yīng)用。2000年，14MnNbq鋼納入橋梁鋼國家標(biāo)準(zhǔn)，成為Q370qE鋼。正在建設(shè)的京滬高速鐵路南京大勝關(guān)長江大橋，是京滬高速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(shè)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(gòu)件最大軸力高達(dá)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(shè)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(guān)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(qiáng)度明顯提高，不區(qū)分板厚效應(yīng)，在12～68mm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(shù)，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(kuò)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(qiáng)度僅在500MPa級別以下、焊縫低溫沖擊韌性僅能達(dá)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(qiáng)度大于570MPa，同時-40℃沖擊韌性可以達(dá)到48J以上。我國鐵路橋梁發(fā)展的標(biāo)志性工程見表1。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(yuǎn)期都是具有一定經(jīng)濟(jì)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(jì)計算，真實地反映了耐候鋼的經(jīng)濟(jì)效益。計算表明：經(jīng)過40年的使用，普通鋼+涂裝的經(jīng)費(fèi)(3次反復(fù)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(jì)效益是巨大的。國內(nèi)關(guān)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(shù)攻關(guān)項目以后，發(fā)展十分迅速，經(jīng)過"六五"、"七五"攻關(guān)，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(yīng)用尚未得到廣泛的推廣。1989年底，在鐵道部鄭州鐵路局公務(wù)處的大力支持下，由鐵道部科學(xué)研究院研究開發(fā)，武鋼試制，鐵道部專業(yè)設(shè)計院主持設(shè)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(qiáng)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(shè)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(jié)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-tenB和SMA50鋼水平相當(dāng)。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(xué)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(yīng)用。究其原因，大致有以下幾點：橋梁鋼耐候性的重要性在當(dāng)時并未引起包括橋梁制造部門的應(yīng)有重視。當(dāng)時的橋梁工程并不多，跨度也不大，設(shè)計者一般只考慮起強(qiáng)韌性，抗沖擊性和焊接性等方面；相關(guān)單位未能對NHq35進(jìn)行強(qiáng)有力的推廣；鋼種開發(fā)未能系列化，不適應(yīng)橋梁工程發(fā)展的多種需求。在設(shè)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(guān)長江大橋采用的是武鋼在國內(nèi)率先研制的新型高強(qiáng)度耐候鐵路橋梁鋼WNQ570。該鋼以超低碳貝氏體(ULCB)為設(shè)計主線，并充分利用組織細(xì)化、組織均勻等關(guān)鍵技術(shù)，使開發(fā)鋼種具有高強(qiáng)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(shè)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(qiáng)其耐腐蝕能力。WNQ570鋼耐腐蝕性的具體特點如下：①化學(xué)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(yīng)區(qū)枝晶間合金元素的富集。在這一包晶反應(yīng)區(qū)，由于體心立方的δ-Fe向面心立方的奧氏體的轉(zhuǎn)變，枝晶間產(chǎn)生附加的收縮。由于液相也參與這一反應(yīng)，合金元素很自然會在枝晶間富集。如果降低碳含量，由于δ區(qū)的擴(kuò)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δ-Fe中的擴(kuò)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(qiáng)了耐腐蝕能力。②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γ→α的轉(zhuǎn)變過程中，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ε碳化物或Fe3C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。③適宜的化學(xué)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。④潔凈度和晶粒度經(jīng)真空循環(huán)脫氣處理，全流程保護(hù)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(shù)，使組織充分細(xì)化，超細(xì)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(jié)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(shè)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(jì)型耐候鋼的設(shè)計理念。煉鋼時充分利用廢鋼中所含的殘余元素Cu，適當(dāng)添加耐候性元素Cr、Ni等，并采用精煉工藝，充分降低S含量等。使得鋼卷在不明顯提高成本的同時，提高其耐腐蝕性能，以為市場所接受。在不涂裝耐候橋梁鋼方面，國內(nèi)目前還未見其他報道，但在一些不影響環(huán)境美觀、交通不便的山區(qū)或峽谷地帶，由于人工維護(hù)不便，可以選取一些小型橋梁推廣使用不涂裝耐候橋梁鋼。5、我國耐候橋梁用鋼發(fā)展中所存在的問題盡管我國在耐候橋梁鋼方面做了一些研究工作，在鋼材的耐候性機(jī)理，在成分與工藝控制、在組織的選擇與保證上都作了深入的研究工作，但是我國耐候橋梁鋼的應(yīng)用并不廣泛。從橋梁鋼構(gòu)件的制作到后期維護(hù)的整體上看，使用耐候橋梁鋼具有經(jīng)濟(jì)性，但是由于合金成本增加，購買鋼板的單項投資要略高于同等級普通橋梁鋼，這一點很難為市場接受。使用耐候橋梁鋼的相關(guān)國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還未建立或健全，影響設(shè)計者對耐候橋梁鋼選用的積極性。如在銹層的折減計算、耐候性鋼板的構(gòu)造細(xì)節(jié)、制作與拼裝的配套材料如焊材、螺栓等都缺乏系統(tǒng)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)。鋼鐵企業(yè)、橋梁設(shè)計部門、制造部門需要通力協(xié)作，對耐候橋梁鋼(涂裝、不涂裝)的設(shè)計與施工中所遇到的一些細(xì)節(jié)問題進(jìn)行周密而系統(tǒng)的研究，并對正在服役的耐候性橋梁進(jìn)行跟蹤，了解其在使用中所存在的問題，以期建立相應(yīng)的企業(yè)或行業(yè)與國家標(biāo)準(zhǔn)，便于設(shè)計者選取，才能為耐候橋梁鋼的應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)。6、結(jié)束語