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国内外桥梁用钢现状简述.doc

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国内外桥梁用钢现状简述.doc
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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→高强钢→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]。1 国外桥梁结构用钢1.1 高强韧性以往桥梁建设多采用碳锰钢,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 HPS。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 50 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 [2]。1.2 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LP 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/ cm 线能量焊接时,其焊缝的-5 ℃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]。1.3 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,高性能钢已经占桥梁用钢量的 30 %,其中大部分为耐蚀钢 [4]。2 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 Q390E 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 ℃和-42 ℃ ,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 ℃,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 ℃ 的 V 型冲击功均值达到 240 J,韧脆转变温度低于- 60 ℃,综合性能接近 HPS 70W[5]。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、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构用钢,所有级别-20 ℃和-40 ℃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 [6]。3 结语(1)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。(2)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。(3)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[1]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[2]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, 2011(02):18 -21[3]黄维, 张志勤 , 高真凤.日本的桥梁用钢[J]. 世界钢铁, 2011, 11(2):45 -49[4]胡晓萍, 温东辉 , 李自刚. 高性能桥梁用钢的发展[J]. 热加工工艺, 2008, 37(22):91 -94[5]杨卫平. 高性能钢在美国的开发及应用[J]. 钢结构,2005,4(20):80 -83[6]郭爱民, 邹德辉 . 我国桥梁用钢现状及耐候桥梁钢发展[J]. 中国钢铁业, 2008(9):18 -23.
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