程 鼎，夏 勐，吳保橋，彥井成，黃 琦，彭林

(馬鋼股份公司技術中心 安徽馬鞍山 243000)

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國內(nèi)外橋梁結構用鋼的現(xiàn)狀

程 鼎，夏 勐，吳保橋，彥井成，黃 琦，彭林

(馬鋼股份公司技術中心 安徽馬鞍山 243000)

國外已開發(fā)出屈服強度960 MPa的高強度橋梁結構用鋼，以及屈服強度690MPa的耐候橋梁結構用鋼產(chǎn)品，均已在工程中實際應用；國內(nèi)開發(fā)出與HPS 70W接近的高性能橋梁結構用鋼，并已實際使用，但產(chǎn)品在在可焊性、耐候性方面的差距較大。

橋梁，結構鋼，高性能

隨著橋梁建設地域的擴展，其面臨的惡劣服役條件對橋梁結構用鋼，在力學性能、工藝性能和耐候性能等方面提出了更高的要求，目前正沿著“碳錳鋼→高強鋼(High Strength Steel，HSS)→高性能鋼(High Performance Steel，HPS)”的軌跡發(fā)展，應用于橋梁結構的高性能鋼已成為目前各國研究熱點。

1 國外橋梁結構用鋼

1.1 高強韌性

以往橋梁建設多采用碳錳鋼，相同構件采用高強鋼能夠減小橋梁結構厚度以降低其自重，有利于增大跨距，改善施工和養(yǎng)護條件，加上鋼橋的推廣應用，刺激了橋梁建設對高強鋼(屈服強度不小于345MPa)的市場需求并逐步替代碳錳鋼(屈服強度接近235 MPa)，尤其在鋼梁、鋼桁等關鍵部位。

美國在高強度橋梁結構用鋼方面的研究起步較早，ASTM A709/A709M-11標準中涵蓋了36(250 MPa)、50(345 MPa)、70(485 MPa)和100(690 MPa)強度級別，均已開發(fā)成功并實際應用于超過200座橋梁，其中50級鋼包括低合金鋼和耐候鋼，70級和100級鋼為高耐候的HPS，如表1所示。

1996年，美國田納西州路馬丁河灣公路橋采用HPS 70W鋼替代三根連續(xù)焊接鋼梁原先設計使用的HPS 50W鋼，在滿足各州公路及運輸工作者協(xié)會橋梁設計規(guī)范要求的前提下，橋梁結構自重減輕了24%，建造使用鋼材的費用降低了10%。美國賓夕法尼亞州福特城大橋混合采用HPS 70W鋼和HPS 50W鋼，在負力矩區(qū)域使用HPS 70W鋼，其余區(qū)域使用HPS 50W鋼，消除了鋼梁腹板高度差并節(jié)約了縱向腹板栓連接的成本，據(jù)測算，該橋結構重量減小了20%。由于100級鋼的切割、焊接和加工對施工環(huán)境要求高，且價格高，實際工程中應用較少，目前橋梁建設以美標50和70級鋼為主，未來50級耐候鋼用量將大幅攀升[1]。

表1 美標橋梁結構用鋼強度級別

經(jīng)多年努力，日本也開發(fā)出345、500、600、700和800(MPa)級鋼用于橋梁建設，500 MPa及以上級別鋼均采用了微合金化成分。1960年，500 MPa級鋼在首次在橋梁建設中應用，1974年，大阪港大橋使用了超過6000 t的700和800(MPa)級鋼。目前，NKK公司采用熱機械軋制(TMCP)技術生產(chǎn)出具備優(yōu)良可焊性的980 MPa級橋梁結構用鋼，但未實際應用。歐洲橋梁建設用鋼選擇依據(jù)EN10025系列標準，涵蓋了非合金鋼、正火/熱機械軋制細晶粒結構鋼、耐候結構鋼和淬回火鋼，相繼開發(fā)出355 MPa級鋼和460 MPa-960 MPa高強度鋼，經(jīng)過淬回火處理的S960QL鋼(16 mm厚鋼板，屈服強度不低于960 MPa)已在瑞典48號軍用橋和德國因戈爾施塔特組合橋中使用。雖然，日本和歐洲已在高強度結構用鋼方面做了很多工作，但缺少高耐候高強度結構鋼產(chǎn)品，目前橋梁建設用鋼目前依然以345 MPa-500 MPa級鋼為主，高強度是未來的發(fā)展方向。

為有效阻止由疲勞載荷引起的裂紋擴展，并應對外界環(huán)境變化，橋梁結構用鋼應具備較低的韌脆轉變溫度。利用成分微量控制、調(diào)質(zhì)處理和TMCP等技術，各國相繼開發(fā)出同時具備較高強度和優(yōu)良低溫韌性的橋梁結構用鋼。

嚴格控制C、P、S含量在較低的水平，加入Al、Nb、V、Ti等元素，優(yōu)化成分設計并進行控軋控溫，是獲得良好綜合性能的有效方法，尤其是460 MPa以上級別鋼種。如歐洲橋梁建設選擇有低溫韌性要求的鋼種分別為S275M/ML、S355M/ML、S420M/ML和S460M/ML，牌號后加M要求做-20 ℃沖擊試驗，ML要求做-50℃沖擊試驗，S355M/ML已具批量使用。耐候成分的加入惡化了低溫沖擊韌性，但美國已開發(fā)的HPS 70W鋼的韌脆轉變溫度為-70 ℃，遠低于50W鋼的-20 ℃，如圖1所示[2]。

圖1 夏比V型沖擊功曲線

1.2 優(yōu)良的加工性能

采用大厚度和可變尺寸鋼材有助于減少制作橋梁結構的焊接次數(shù)，降低成本、縮短周期并提升安全性。較低的預熱溫度和較高的焊接線能力熱輸入，是減低施工難度和有效措施，也是推動鋼橋發(fā)展的技術保障。

NKK公司開發(fā)的570MPa和750MPa級橋梁結構用鋼板，厚度分別達到100 mm和60 mm，歐洲鋼板供貨長度達到36 m，寬5200 mm，厚250 mm。變截面鋼板(簡稱LP)在長度方向上厚度不同，以適應鋼結構中應力變化，有助于減少鋼材消耗并縮短焊接時間。JFE公司采用高精度油壓式板厚控制技術，已開發(fā)出8種變LP，極限寬度5000 mm，長6 m-2 m，厚10 mm-80 mm，最大厚方向斜度為8 mm/m，最大18噸。1995年日本首次使用，到目前為止，有16座大型橋梁使用LP鋼板，使用量超過2500度。歐洲LP鋼板有簡單截面和復雜截面兩類，已在德國和盧森堡邊界上的某做鋼橋上使用，最大厚度變化35 mm[3]。

表2 JFE公司變截面鋼板種類

隨著厚度增大與合金含量增加，焊接產(chǎn)生裂紋的傾向增大，如處理不當將嚴重影響結構的安全。1970年，NKK公司采用TMCP技術，通過成分配比優(yōu)化和淬火工藝控制，開發(fā)的570 MPa(Pcm控制在0.20以下)和780 Ma(Pcm控制在0.23左右)級低預熱型橋梁用鋼，斜Y坡口常溫焊接不出現(xiàn)裂紋，已應用于日本明石海峽大橋。JFE公司開發(fā)了具有低Pcm的490 MPa和570 MPa級大線能量橋梁結構用鋼，產(chǎn)品厚度已達到100 mm，采用100 KJ/cm-120 KJ/cm線能量焊接時，其焊縫的-5 ℃沖擊功均值可達到170J。在焊接時可采用較低的預熱溫度和大線能量工藝，降低了施工難度并加快了進度，滿足現(xiàn)代鋼橋快速建造的要求。 超低碳貝氏體鋼的碳含量低，顯微組織為針狀鐵素體+貝氏體或全貝氏體(細小且均勻)，同時具備高韌性和優(yōu)良的可焊性，JFE公司開發(fā)的500 MPa級超低碳貝氏體鋼已應用于橋梁工程，反饋良好[4]。

1.3 高耐蝕性

目前，多采用鋼材表面涂層或加裝結構內(nèi)部抽濕系統(tǒng)的方法，降低鋼材腐蝕速率，但選用耐腐蝕性能強的耐候鋼，是解決橋梁腐蝕減壽的根本方法。

鋼材的耐候性主要從成分方面入手改善，主要通過加入一定量的Cr、Ni、Cu、Mo、Ti等元素，促使快速形成致密的銹層阻礙銹蝕進一步損傷基體。1990年，由美國鋼鐵學會、美國聯(lián)邦公路管理署、美國海軍和米塔爾美國公司聯(lián)合進行高性能橋梁結構用耐候鋼產(chǎn)品的開發(fā)，先后開發(fā)出HPS 50W、HPS 70W、HPS 100W鋼，具有較高的耐工業(yè)大氣和海洋大氣腐蝕的能力，鋼板供貨長度可達50 m，厚度最大為100 mm。據(jù)統(tǒng)計，美國45%的內(nèi)陸和沿海橋梁采用了不涂裝的HPS 70W鋼，平均降低橋梁成本5%-10%，最高可達18%[5]。

神戶公司開發(fā)出適用于沿海地區(qū)的W和P系列Ni-Cu-Ti合金體系耐候橋梁結構用鋼，已在日本兵庫縣某座大橋中使用，相比而言，高30%的采購價格獲得了建造維護總成本降低50%的效果，不預熱并直接采用70 KJ/cm埋弧焊拼接的接頭具依然有良好的力學性能。JFE公司開發(fā)的Ni-Mo合金體系的JFE-ACL系列鋼板，新日鐵開發(fā)的BHS500W和BHS700W鋼，均實現(xiàn)了強度與韌性的極佳配合，并具有優(yōu)良的可焊性，已實際用于明石海峽大橋、第二東名大橋和名神高速公路大橋。川崎鋼鐵公司開發(fā)的超低碳貝氏體鋼板，Ni含量達到2.5 %，板厚最大達到50 mm，不涂裝可在濱海地區(qū)直接使用。據(jù)統(tǒng)計，高性能鋼已經(jīng)占橋梁用鋼量的30 %，其中大部分為耐蝕鋼[4]。

2 國內(nèi)橋梁結構用鋼

2.1 發(fā)展歷程

近年來，在國內(nèi)大力推動交通基礎設施建設和鋼橋應用的背景下，對橋梁結構用鋼，尤其是高新能橋梁結鋼的需求將持續(xù)增長。

1957年建造的武漢長江大橋采用了前蘇聯(lián)生產(chǎn)的A3鋼(240 MPa級鋼)，1969年建成通車的南京長江大橋由我國自主設計建造，采用了16Mnq鋼(320MPa級鋼)。2000年建成通車的蕪湖長江大橋，采用了14MnNbq鋼(370MPa級鋼，-40℃ KV2不低于120J)，該鋼在32 mm-50 mm厚度范圍內(nèi)的低溫韌性優(yōu)異，同年被納入國家標準，牌號變更為Q370qE。

松花江大橋鋼梁采用的Q390E和Q420E鋼板最大厚度分別為60 mm和80 mm，厚板在國內(nèi)有一定應用，但工程實績較少。九江長江大橋采用了Q345qE，南京長江大橋采用了Q345qD和Q370qE高韌性鋼。由試驗結果可知，Q370qE和Q345qD鋼的韌脆轉變溫度分別為-70 ℃和-42 ℃，基本與國際先進水平同步；但兩種鋼材的焊縫韌脆轉變溫度均為-24 ℃，遠低于母材，其接頭韌性有待進一步提高，需要在焊材和工藝方面進行更深入的研究。

2011年建成的南京大勝關長江大橋，具備大跨、重載和高速三大特點，采用了武鋼和中鐵大橋局聯(lián)合開發(fā)的WNQ570耐候橋梁結構用鋼13000余噸，極限使用厚度由傳統(tǒng)的50 mm擴展到68 mm。該產(chǎn)品以低碳貝氏體路線設計，利用HTP、RPC和TMCP等多項技術細化組織，屈服強度均值達到460 MPa，-40 ℃的V型沖擊功均值達到240 J，韌脆轉變溫度低于-60 ℃，綜合性能接近HPS 70W。有關大厚度和大線能量的高性能橋梁結構用鋼產(chǎn)品，國內(nèi)為空白。

2.2 產(chǎn)品現(xiàn)狀

美國組織包括管理者、使用方、供應商等各行業(yè)相關單位，對高性能橋梁結構用鋼的技術要求進行充分討論，后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)和檢驗應用流程順暢高效，日本開發(fā)非常注重基礎理論研究，歐美國家往往在實際環(huán)境中進行耐腐蝕試驗、疲勞試驗等相關檢驗，周期長但評估準確，我國可以借鑒國外發(fā)展經(jīng)驗。

相對而言，國內(nèi)已在高性能橋梁結構用鋼的化學成分、工藝控制、組織選擇方面做了較為深入研究，但在基礎理論研究和工程驗證方面的工作有待完善。高耐候性是高性能橋梁結構用鋼的一大特征，雖然從前期建造和后期維護的整體成本上看，橋梁使用耐候橋鋼具有經(jīng)濟性，但由于合金成本增加導致采購價格升高讓當下市場難以接受，且相關國家和行業(yè)標準不健全，影響設計方、施工方和使用方對耐候橋梁鋼選用的積極性，在鋼橋推廣阻止重重的背景下，高性能橋梁結構用鋼的推廣難度也很大。

為與國外高性能橋梁結構用鋼的發(fā)展趨勢同步，GB/T 714-2008標準中最高強度級別擴展至690 MPa，后續(xù)的GB/T 714-2015標準中加入了耐候橋梁結構用鋼，所有級別-20 ℃和-40 ℃的V型沖擊功要求提升至120 J，表明國內(nèi)相關行業(yè)已對橋梁結構用鋼的強韌性、耐候性提出了更高的指標。其中235 MPa-500 MPa級鋼已實際使用，但國內(nèi)橋梁建設用鋼以34 5MPa級鋼為主，基本為低合金鋼。

表3 GB/T 714-2015中耐候鋼主要化學成分要求

目前，國內(nèi)已有幾家鋼廠投入開發(fā)高性能橋梁結構用鋼，比如武鋼、鞍鋼、濟鋼等企業(yè)，產(chǎn)品在強韌性方面與國外差距較小，研究也相對深入，但在可焊性、耐候性方面差距較大，總體還處于起步階段[6]。

3 結語

(1)國外已開發(fā)出屈服強度960 MPa的高強度橋梁結構用鋼，以及屈服強度690 MPa的耐候橋梁結構用鋼產(chǎn)品，均已在工程中實際應用。

(2)國內(nèi)開發(fā)出與HPS 70W接近的高性能橋梁結構用鋼，并已實際使用。

(3)國內(nèi)高性能橋梁結構用鋼產(chǎn)品在強韌性方面與國外差距較小，研究也相對深入，但在可焊性、耐候性方面差距較大。

[1] 張志勤,秦子然,何立波,等.美國高性能橋梁用鋼研發(fā)現(xiàn)狀[J].鞍鋼技術,2007(5):11-14

[2] 黃 維,張志勤,高真鳳等.國外高性能橋梁用鋼的研發(fā)[J].世界橋梁,2011(02):18-21

[3] 黃 維,張志勤,高真鳳.日本的橋梁用鋼[J].世界鋼鐵,2011,11(2)：45-49

[4] 胡曉萍,溫東輝,李自剛.高性能橋梁用鋼的發(fā)展[J].熱加工工藝,2008,37(22):91-94

[5] 楊衛(wèi)平.高性能鋼在美國的開發(fā)及應用[J].鋼結構，2005,4(20)：80-83

[6] 郭愛民,鄒德輝.我國橋梁用鋼現(xiàn)狀及耐候橋梁鋼發(fā)展[J].中國鋼鐵業(yè),2008(9):18-23.

Production and Application Status of Structure Steel for Bridge at Home and Abroad

CHENG Ding,XIA Meng,WU Bao-qiao, YAN Jing-cheng,HUANG Qi,PENG Lin

High strength structure steel for bridge with the yield strength of 960MPa has been developed and applied to practical engineering abroad,as well as weather resistance structure steel for bridge with the yield strength of 690MPa.High performance structure steel for bridge that has combination property close to HPS 70W has been developed in China,which has been used actually .There is a wide gap between products in domestic and abroad on the wieldablity and weathering-resistant property.

bridge structure steel high performance

2016-06-29

程 鼎(1972-)，男，馬鋼股份公司技術中心常務副主任，高級工程師，工學博士。

TG113.2

A

1672-9994(2016)03-0001-04