国内外桥梁用钢现状简述

1、国内外桥梁用钢现状简述摘要:国外已开发出屈服强度960 MPa的高强度桥梁结构用钢，以及屈服强度 690MPa 的耐候桥梁结构用钢产品 ,均已在工程中实际应用 ;国内开发出与 HPS 70W 接近的高性能桥梁结构用钢 ,并已实际使用 ,但产品在在可焊性、 耐候性方面 的差距较大。关键词 : 桥梁;结构钢;高性能、八 、-前言随着桥梁建设地域的扩展 ,其面临的恶劣服役条件对桥梁结构用钢 ,在力学性 能、工艺性能和耐候性能等方面提出了更高的要求 ，目前正沿着“碳锰钢一高强 钢一高性能钢”的轨迹发展，应用于桥梁结构的高性能钢已成为目前各国研究热 点1。国外桥梁结构用钢高强韧性以往桥梁建设多采用碳锰钢

2、 ,相同构件采用高强钢能够减小桥梁结构厚度以 降低其自重 ,有利于增大跨距 ,改善施工和养护条件 ,加上钢桥的推广应用 ,刺激了 桥梁建设对高强钢(屈服强度不小于345MPa)的市场需求并逐步替代碳锰钢(屈服 强度接近235 MPa)尤其在钢梁、钢桁等关键部位.美国在高强度桥梁结构用钢方面的研究起步较早 ,ASTM A709/ A709M-11 标 准中涵盖了 36(250 MPa)、50 (345 MPa)、70(485 MPa)和 100(690 MPa)强度级 别,均已开发成功并实际应用于超过 200 座桥梁,其中 50 级钢包括低合金钢和耐 候钢,70 级和 100 级钢为高耐候的 H

3、PS。1996 年,美国田纳西州路马丁河湾公路桥采用 HPS 70W 钢替代三根连续焊 接钢梁原先设计使用的 HPS 50W 钢,在满足各州公路及运输工作者协会桥梁设 计规范要求的前提下 ,桥梁结构自重减轻了 24%,建造使用钢材的费用降低了 10% 美国宾夕法尼亚州福特城大桥混合采用 HPS 70W钢和HPS 50W钢在负力矩区 域使用 HPS 70W 钢,其余区域使用 HPS 50W 钢,消除了钢梁腹板高度差并节约 了纵向腹板栓连接的成本 ,据测算,该桥结构重量减小了 20%。由于 100 级钢的切 割、焊接和加工对施工环境要求高 ,且价格高,实际工程中应用较少 ,目前桥梁建设 以美标 5

4、0 和70 级钢为主,未来 50 级耐候钢用量将大幅攀升 1 。 经多年 努力，日本也开发出345、500、600、700和800（MPa）级钢用于桥梁建设，500 MPa 及以上级别钢均采用了微合金化成分。 1960 年,500 MPa 级钢在首次在桥梁建设 中应用 ，1974 年，大阪港大桥使用了超过 6000 t 的 700 和 800（MPa） 级钢。目 前,NKK公司采用热机械轧制（TMCP）技术生产出具备优良可焊性的980 MPa级 桥梁结构用钢 ，但未实际应用。欧洲桥梁建设用钢选择依据欧洲桥梁建设用钢选 择依据 EN10025 系列标准 ，涵盖了非合金钢、正火 / 热机械轧制细晶

5、粒结构钢、 耐候结构钢和淬回火钢，相继开发出355 MPa级钢和460 MPa-960 MPa高强度钢， 经过淬回火处理的S960QL钢（16 mm厚钢板，屈服强度不低于960 MPa）已在瑞 典 48 号军用桥和德国因戈尔施塔特组合桥中使用。 虽然，日本和欧洲已在高强度 结构用钢方面做了很多工作 ，但缺少高耐候高强度结构钢产品 ，目前桥梁建设用钢 目前依然以345 MPa -500 MPa级钢为主，高强度是未来的发展方向 。优良的加工性能采用大厚度和可变尺寸钢材有助于减少制作桥梁结构的焊接次数 ，降低成本、 缩短周期并提升安全性。较低的预热温度和较高的焊接线能力热输入，是减低施工难度和有效措

6、施 ，也是推动钢桥发展的技术保障。 NKK 公司开发的 570MPa 和 750MPa级桥梁结构用钢板厚度分别达到100 mm和60 mm,欧洲钢板供货长度 达到36 m,宽5200 mm厚250mm。变截面钢板（简称LP）在长度方向上厚度不同， 以适应钢结构中应力变化 ,有助于减少钢材消耗并缩短焊接时间。JFE 公司采用高精度油压式板厚控制技术，已开发出8种变LP,极限宽度5000mm,长6 m -2 m, 厚10 mm - 80 mm,最大厚方向斜度为8 mm/ m,最大18吨。1995年日本首次使 用,到目前为止 ,有 16 座大型桥梁使用 LP 钢板,使用量超过 2500 度。欧洲 L

7、P 钢 板有简单截面和复杂截面两类 ,已在德国和卢森堡边界上的某做钢桥上使用 ,最大 厚度变化 35 mm。随着厚度增大与合金含量增加 ,焊接产生裂纹的倾向增大 ,如处理不当将严重 影响结构的安全1970年,NKK公司采用TMCP技术，通过成分配比优化和淬火 工艺控制，开发的570MPa（Pcm控制在0.20以下）和780 Ma（Pcm控制在0.23左右） 级低预热型桥梁用钢 ,斜 Y 坡口常温焊接不出现裂纹 ,已应用于日本明石海峡大 桥。JFE公司开发了具有低Pcm的490 MPa和570 MPa级大线能量桥梁结构用 钢产品厚度已达到100 mm,采用100 KJ/ cm -120 KJ/

8、cm线能量焊接时，其焊缝 的-5 C冲击功均值可达到170J。在焊接时可采用较低的预热温度和大线能量工 艺,降低了施工难度并加快了进度 ,满足现代钢桥快速建造的要求。超低碳贝氏体 钢的碳含量低 ,显微组织为针状铁素体 + 贝氏体或全贝氏体 （细小且均匀 ）,同时具 备高韧性和优良的可焊性，JFE公司开发的500 MPa级超低碳贝氏体钢已应用于 桥梁工程 ,反馈良好 3。高耐蚀性目前,多采用钢材表面涂层或加装结构内部抽湿系统的方法 ,降低钢材腐蚀速 率,但选用耐腐蚀性能强的耐候钢 ,是解决桥梁腐蚀减寿的根本方法。神户公司开发出适用于沿海地区的 W 和 P 系列 Ni - Cu - Ti 合金体系

9、耐候 桥梁结构用钢 ,已在日本兵库县某座大桥中使用 ,相比而言 ,高 30% 的采购价格获 得了建造维护总成本降低 50% 的效果,不预热并直接采用 70 KJ/ cm 埋弧焊拼接 的接头具依然有良好的力学性能。 JFE 公司开发的 Ni- Mo 合金体系的 JFE - ACL 系列钢板 ,新日铁开发的 BHS500W 和 BHS700W 钢,均实现了强度与韧性的极佳 配合,并具有优良的可焊性 ,已实际用于明石海峡大桥、第二东名大桥和名神高速 公路大桥。川崎钢铁公司开发的超低碳贝氏体钢板 ,Ni 含量达到 2. 5 %,板厚最大 达到50 mm,不涂装可在滨海地区直接使用。据统计，高性能钢已经

10、占桥梁用钢量 的 30 %,其中大部分为耐蚀钢 4。国内桥梁结构用钢2. 1 发展历程近年来 ,在国内大力推动交通基础设施建设和钢桥应用的背景下 ,对桥梁结构 用钢 ,尤其是高新能桥梁结钢的需求将持续增长。1957 年建造的武汉长江大桥采用了前苏联生产的 A3 钢（240 MPa 级 钢）,1969 年建成通车的南京长江大桥由我国自主设计建造 ,采用了 16Mnq 钢 （320MPa 级钢）。 2000 年建成通车的芜湖长江大桥 ,采用了 14MnNbq 钢,该钢在 32 mm -50 mm 厚度范围内的低温韧性优异 ,同年被纳入国家标准 ,牌号变更为 Q370qE。松花江大桥钢梁采用的 Q3

11、90E和Q420E钢板最大厚度分别为60 mm 和80 mm,厚板在国内有一定应用，但工程实绩较少。九江长江大桥采用了 Q345qE,南京长江大桥采用了 Q345qD和Q370qE高韧 性钢。由试验结果可知,Q370qE和Q345qD钢的韧脆转变温度分别为-70 C和 -42 C,基本与国际先进水平同步；但两种钢材的焊缝韧脆转变温度均为-24 C，远 低于母材 ,其接头韧性有待进一步提高 ,需要在焊材和工艺方面进行更深入的研究。2011 年建成的南京大胜关长江大桥 ,具备大跨、重载和高速三大特点 ,采用了 武钢和中铁大桥局联合开发的 WNQ570 耐候桥梁结构用钢 13000余吨, 极限使 用

12、厚度由传统的50 mm扩展到68 mm。该产品以低碳贝氏体路线设计，利用 HTP、RPC和TMCP等多项技术细化组织，屈服强度均值达到460 MPa, - 40 C 的V型冲击功均值达到240 J韧脆转变温度低于-60 C综合性能接近HPS 70W5。2. 2 产品现状美国组织包括管理者、使用方、供应商等各行业相关单位,对高性能桥梁结构用钢的技术要求进行充分讨论 ,后续的产品开发和检验应用流程顺畅高效 ,日本 开发非常注重基础理论研究 ,欧美国家往往在实际环境中进行耐腐蚀试验、疲劳 试验等相关检验 ,周期长但评估准确 ,我国可以借鉴国外发展经验。相对而言 ,国内已在高性能桥梁结构用钢的化学成分

13、、工艺控制、组织选择 方面做了较为深入研究 ,但在基础理论研究和工程验证方面的工作有待完善。高 耐候性是高性能桥梁结构用钢的一大特征 ,虽然从前期建造和后期维护的整体成 本上看,桥梁使用耐候桥钢具有经济性 ,但由于合金成本增加导致采购价格升高让 当下市场难以接受 ,且相关国家和行业标准不健全 ,影响设计方、施工方和使用方 对耐候桥梁钢选用的积极性 ,在钢桥推广阻止重重的背景下 ,高性能桥梁结构用钢 的推广难度也很大。为与国外高性能桥梁结构用钢的发展趋势同步 ,GB/ T 714 - 2008 标准中最 高强度级别扩展至690 MPa后续的GB/ T 714 - 2015标准中加入了耐候桥梁结

14、构用钢，所有级别-20 C和-40 C的V型冲击功要求提升至120 J表明国内相关 行业已对桥梁结构用钢的强韧性、 耐候性提出了更高的指标。 其中 235 MPa - 500 MPa级钢已实际使用。结语国外已开发出屈服强度 960 MPa 的高强度桥梁结构用钢 ,以及屈服强度 690 MPa 的耐候桥梁结构用钢产品 ,均已在工程中实际应用。国内开发出与 HPS 70W 接近的高性能桥梁结构用钢 ,并已实际使用。国内高性能桥梁结构用钢产品在强韧性方面与国外差距较小 ,研究也相对深入 但在可焊性、耐候性方面差距较大 6 。参考文献张志勤 ,秦子然 ,何立波,等. 美国高性能桥梁用钢研发现状 J. 鞍钢技术 , 2007(5):11 -14黄维,张志勤 ,高真凤等 . 国外高性能桥梁用钢的研发 J. 世界桥梁