1、我国桥梁用钢现状及耐候桥梁钢发展我国桥梁用钢现状及耐候桥梁钢发展我国桥梁用钢现状及耐候桥梁钢发展摘要：我国桥梁用钢强度等级与韧性不断提高，焊接性能持续改善，钢板的适宜厚度逐步提高。铁路桥梁用钢、公路桥梁用钢、跨海大桥用钢成为我国桥梁用钢的主体。顺应时代发展要求的高性能耐候桥梁钢将是我国桥梁用钢发展的主要方向。耐候桥梁钢在我国已经有所应用，但需要系统建立或健全使用耐候桥梁钢的相关国家或行业标准。 关键词：桥梁，钢，耐候 1、前言 建国以来，我国的桥梁建设事业有了很大的发展。新设计、新材料、新工艺的广泛采用，使得我国桥梁的设计建造水平不断提高。悬索桥、斜拉桥、拱桥、梁桥，都展示出各自的独特魅力。
2、我国铁路桥梁的发展自1957年的武汉长江大桥(A3)开始，经历南京长江大桥(16Mnq)，九江长江大桥(15MnVNq)到1998年的芜湖长江大桥(14MnNbq)，经过四个标志性的阶段，各阶段都代表了一个时期的桥梁技术的发展水平和冶金技术的发展水平。铁路桥梁由铆接、栓焊发展到芜湖长江大桥的整体焊接节点，钢梁的跨度也由128米发展到312米。已建成的亚洲最大的公路铁路两用桥-芜湖长江大桥，其主跨达到312米，集数十项世界领先技术为一体，标志着我国铁路桥梁的制造技术已达到世界领先水平。正在建设的南京大胜关长江大桥(WNQ570)，是我国第一条大跨度高速铁路桥梁，桥面为四线高速铁路和两线地铁，设计
3、时速为300km/h，更是奠定了我国桥梁行业在国际上的领先地位。 公路桥梁自上世纪50年代至80年代经历了预应力钢筋混凝土梁式(钢构)桥到预应力钢筋混凝上梁式(钢构)桥后，80年代末随着大跨度公路桥梁的建造，钢结构现代索桥(斜拉、悬索)显示出强有力的竞争力，得到快速发展。在不足10年的时间，国内相继建造了10余座世界级的大跨度斜拉及悬索桥。南京长江二桥及武汉长江九江长江大桥，采用的就是15MnVNq。和16Mnq钢相比，这种钢的强度确实有了显著提高，屈服强度要求大于等于412MPa(当板厚16mm时)。但由于采用加钒捉高强度的方法，导致钢板低温韧性和焊接性较差，给桥梁制造带来很多困难。九江长江
4、大桥建成后，该钢种一直未能得到推广应用。桥梁钢已成为制约铁路桥梁发展的一个突出矛盾。 上世纪90年代初，铁路桥梁建设面临芜湖长江大桥的建设，主跨达312米。桥梁钢问题显得愈加突出。为了保证桥梁工程的安全性和加工制造的方便，需要突出解决钢板的低温韧性和焊接性等问题。为此中铁大桥局和武钢联合共同开发了大跨度铁路桥梁用钢14MnNbq。该钢采用降碳加铌合超纯净的冶金方法，保证了屈服强度ReL370MPa的基础上，具有优异的-40低温冲击韧性(芜湖桥标准要求-40Akv120J)。同时焊接性能也大大提高，解决了板厚效应问题，可大批量供应3250mm厚钢板。在芜湖长江大桥46000吨供货统计数据表明：所
5、供1050mm钢板冲击韧性平均实物质量达到-40Akv为223J的优异水平。芜湖长江大桥桥建设后的10年时间里，14MnNbq钢在全面满足了铁路桥梁建设的需要，得到了极为广泛的应用。2000年，14MnNbq钢纳入桥梁钢国家标准，成为Q370qE钢。 正在建设的京沪高速铁路南京大胜关长江大桥，是京沪高速铁路和沪汉蓉铁路于南京跨越长江的越江通道，是我国铁路桥梁史上的又一个里程碑，为六线铁路桥梁，设计时速300km/h，是京沪高速铁路的控制性工程。该桥具有大跨、重载、高速三大特点。主桁构件最大轴力高达9000余吨，中主墩最大支座反力约15000吨。如果继续使用传统的14MnNbq钢，则最大板厚必须
6、使用到120mm，这将会给设计施工带来极大的困难。为此，武钢和中铁大桥局联合开发了WNQ570钢，以满足国家十一五重点工程-京沪高速铁路南京大胜关长江大桥的工程需要。 与我国现有桥梁钢相比，WNQ570钢有以下特点：强度明显提高，不区分板厚效应，在1268mm范围内，均要求Rm570MPa。而15MnVNq钢和14MnNbq钢在板厚为68mm时，仅为Rm530MPa或Rm490MPa。由于采用一系列精炼技术，同时随着轧制力的提高，钢板由传统的最大使用板厚为50mm扩展到68mm。在焊接材料上，革新传统的C-Mn、Si-Mn系焊材的焊缝强度仅在500MPa级别以下、焊缝低温冲击韧性仅能达到-30
7、时48J的状况，研制新型针状铁索体型桥梁用钢的手工焊、气保焊、埋弧焊焊接材料，焊缝强度大于570MPa，同时-40冲击韧性可以达到48J以上。我国铁路桥梁发展的标志性工程见表1。 2.2 公路桥梁用钢 由于公路桥梁的受力状况和铁路桥梁有诸多不同，因此，公路桥梁用钢多选用Q345、Q370等钢种，也有使用Q420的，但供货技术条件中强度一般都是随板厚的增加而递减。钢板的规格也比较薄，需求较大，该品种的竞争主要集中在价格、钢厂资源等方面。 2.3 跨海大桥用钢 跨海大桥用钢主要集中于管桩钢、通航主桥的桥梁钢、桥面护栏以及带肋钢筋，其中管桩钢、通航主桥的桥梁钢占钢材总量的60%，仅管桩钢就占其钢材总
8、量的50%左右。管桩钢的材质主要为Q345C，规格范围为1625mm之间，大部分为热轧卷板，并采用螺旋焊管形式，跨海大桥的管桩用钢量特别大，杭州湾跨海大桥就使用了武钢生产的管桩钢Q345C约39万吨。通航主桥的桥梁钢的材质主要集中于Q345D级别，规格为1050mm之间，主要为平板产品；护栏用钢的材质为Q345D/Q390D，规格为425mm之间。上述三个产品种对钢材的耐蚀性都有较高的要求，杭州湾跨海大桥甚至第一次明确提出了使用寿命100年以上的要求，因此，桥梁用钢的耐蚀性能成为设计者选材的重要考虑部分。 3、国外耐候桥梁用钢的发展 随着大型钢结构桥梁向全焊接结构和高参数方向发展，对桥梁结构的
9、安全可靠性要求越来越严格。这不仅对设计者提出了更高的要求，而且对钢板质量提出了更高的水准，即不仅具有高强度以满足结构轻量化要求，而且还应具有优良的低温韧性、焊接性和耐蚀性等，以满足钢结构的安全可靠、长寿等要求。 传统的高强度桥梁钢不仅冲击韧性、焊接性、疲劳性较差，而且不能耐大气、海水腐蚀。因此，国内外材料工作者提出了高性能钢(High Performance Steel，HPS)的概念。高性能钢材主要是指材料的某项或几项性能较传统钢材得到改善的钢材，除了具备较高强度外，钢材的焊接性能、低温韧性，尤其是耐腐蚀性能有较大幅度提高。 近年来，应用在桥梁上的高性能钢已成为国际钢铁材料研究的热点，如美国
10、ASTM709中的HPS-70W钢、HPS-100W钢和日本的SMA570W系列钢等。耐候桥梁用钢作为高性能桥梁钢的一个发展方向，在国外得到了较为广泛的发展。 对于钢材耐候性的研究，在上世纪初到60年代，人们注重不同合金元素对钢材耐大气腐蚀能力的作用，从而出现了以Corten钢为代表的耐大气腐蚀系列用钢；60年代以后开始注重环境因素对耐候钢表面腐蚀产物的影响，并阐明了耐候钢抗大气腐蚀机理。从90年代至今，很多研究者将目光转向低成本、高强度、耐蚀性能更高的新型高性能耐候钢开发，并且取得了一定成果。 在美国早期应用最普遍的耐候钢主要为高P、Cu加Cr、Ni的Corten A系列和以Cr、Mn、Cu
11、合金化为主的Corten B系列。1974年，ASTMA709中出现了70W和lOOW等高强度耐候桥梁钢，但是这些钢中碳含量较高(0.12%)，对焊接工艺要求也高。为了改善焊接性能，在1997年ASTM A709中出现了HPS70W钢，近期HPS 100W钢也将纳入标准，这些钢中的碳含量较70W和100W有了一定程度的降低，焊接性能也有所改善。1950年，耐候钢被引进到日本，并在日本得到发展和应用，1968年日本将低磷系焊接用钢作为JIS G3114焊接结构用耐候性热轧钢材，1971年将高磷系焊接用钢作为JIS G3125高耐候性轧制钢材实现了JIS标准化，其中含抗拉强度为569MPa级的高强
12、度钢。国内外高强度耐候钢的主要发展历程见图1。 对于高强度耐候桥梁钢，一般有三种研制路线，一种是传统的调质生产工艺路线，如美国桥梁用结构钢标准(ASTMA709/A709M-95)中的70W(碳含量0.12%)，其对焊接工艺要求较高，需要焊前预热，因此生产周期较长，成本较高。 第二种就是低碳TMCP工艺路线，钢中碳含量一般在0.070.11%。这种钢虽然不用进行调质处理，但由于碳含量仍然相对较高，在应用中还存在一些问题。如钢板愈厚其焊接敏感性系数愈高，在焊接时需要预热；在采用大线能量焊接时，还存在韧性降低的问题。 第三种是超低碳贝氏体钢路线。超低碳贝氏体钢的碳含量严格控制在很低的范围(小于0.
13、05%)，在具有高强度高韧性的同时，具有极佳的焊接性。所得到的贝氏体组织均匀性较好，微区间电极电位差较小，增强了耐蚀能力。由于其不用调质处理，降低了生产成本，缩短了生产周期，是当前高强耐候桥梁钢的发展趋势。 上述三种不同生产工艺路线的钢种特点见表2。 由以上情况及表2可以看出，高强度耐候钢的性能在随着新钢种的不断推出而提高，在化学成分上，碳含量不断下降，这就导致了碳当量和焊接冷裂纹敏感性系数的降低，焊接性能逐步得到改善；生产工艺由淬火+回火向TMCP发展，降低了生产成本，缩短了生产周期；组织由马氏体向贝氏体、针状铁素体发展，这种贝氏体或针状铁素体组织对提高钢的强韧性、焊接性、耐候性以及加工制作
14、性能都是有好处的。 现在耐候钢在国外已逐步完善起来了。在设计上，对锈蚀层的折减计算，疲劳，构造细节加以规定；在钢种上，对耐候钢、耐候焊接材料、耐候高强度螺栓、耐候支座加以严格要求；在特性上，对稳定的锈蚀，腐蚀因素、硬度试验加以周密的分析；在制造、运输、架设上，对耐候钢表面的处理、清扫、保护、补修等加以严格把关；在经济上，对耐候钢的使用作追踪调查，详细进行经济比较。从发展趋势来看，国外已将耐候钢逐渐当作一种普通钢种来广泛使用。它被桥梁界称为不朽的美。表3记述了耐候桥梁钢在国外发展的历史情况。 4、我国耐候桥梁用钢的发展 新钢种的出现，不仅讲实用性，还要讲经济效益，否则就失去其实用价值，也失去推广
15、的前提。锈蚀不仅给结构物带来损害，也给工务部门增加了繁重的管理、维护负担，同时周期性的再涂装也耗费了大量的人力和资金。据铁道部有关部门统计，19841987年4年间，再涂装钢桥1260余孔、耗用优质涂料几千吨，耗资巨大。而耐候钢由于冶炼工序的增加，材质的一次性投资略高于同等级普通低合金钢。但从桥梁成品角度看，由于在工厂和现场减少了部件的表面处理和涂料，所以无论是近期还是远期都是具有一定经济效益的。为此1993年7月日本一家锌化处理株式会社建筑材料事业部做了一项经济计算，真实地反映了耐候钢的经济效益。计算表明：经过40年的使用，普通钢+涂装的经费(3次反复涂装)已超过了耐候钢裸使用的2倍。可以看
16、到耐候钢潜在的经济效益是巨大的。 国内关于耐候钢方面的研究，最早始于60年代，1965年试制出09MnCuPTi耐候钢，并制造了我国第一辆耐候钢铁路货车。但随后发展缓慢，自从80年代初期列入国家重点技术攻关项目以后，发展十分迅速，经过六五、七五攻关，研制出以09CuPTiRE，09CuPCrNi为代表的耐候钢，并早已大规模生产。但是，在我国耐候桥梁钢的应用尚未得到广泛的推广。 1989年底，在铁道部郑州铁路局公务处的大力支持下，由铁道部科学研究院研究开发，武钢试制，铁道部专业设计院主持设计，宝鸡桥梁厂制造了三孔耐候钢箱梁，钢号为NH35q,与现在常用的16锰桥钢系同一强度等级。作为试验，将其中
17、一孔梁采用裸使用，其余两孔涂面漆，1991年已经投入使用：这座桥架设于京广铁路巡司河上，是我国第一座耐大气腐蚀钢桥。5年挂片实验结果表明，耐大气腐蚀性能比普碳钢提高1.52倍，各项实际性能与国外的Cor-ten B和SMA50钢水平相当。此钢种是目前国内开发的第一个耐大气腐蚀桥梁专用钢，其化学成分见表4。 但是，自从该钢成功开发以后，并没有得到广泛的应用。究其原因，大致有以下几点：桥梁钢耐候性的重要性在当时并未引起包括桥梁制造部门的应有重视。当时的桥梁工程并不多，跨度也不大，设计者一般只考虑起强韧性，抗冲击性和焊接性等方面；相关单位未能对NHq35进行强有力的推广；钢种开发未能系列化，不适应桥
18、梁工程发展的多种需求。在设计上未能考虑耐候钢板的角度、位置、积水状况等对腐蚀情况的影响。 资源节约型与环境友好型社会的发展，要求在桥梁建造上采用耐候钢的呼声已经重新引起桥梁钢研发者的重视。国内以武钢为代表的一些钢铁企业一直在做这方面的尝试与开拓。 在建的京沪高速铁路南京大胜关长江大桥采用的是武钢在国内率先研制的新型高强度耐候铁路桥梁钢WNQ570。该钢以超低碳贝氏体(ULCB)为设计主线，并充分利用组织细化、组织均匀等关键技术，使开发钢种具有高强度(Rm570MPa，)、高韧性(-40Akv120J)和优异的焊接性(Pcm0.20)，以及良好的耐候性能等(该钢相对于09CuPCrNi的相对腐蚀
19、率仅0.63)。 WNQ570钢耐腐蚀性的设计思路就是以超低碳(小于0.02%，wt)辅之以适宜的Cu、Cr、Ni等耐候性元素配比，经高纯净化处理，并通过适宜的浇注与轧制热处理等工艺，使钢板得到组织均匀性较好的针状铁素体组织，使得各微区之间电极电位差异较小，增强其耐腐蚀能力。 WNQ570钢耐腐蚀性的具体特点如下： 化学成分的均匀性 钢中碳含量等于或接近碳在铁素体中的最大溶解度0.0218%，以尽量减少成分偏析，保证成分的均匀性。因为低的碳含量可以减少偏析的趋势，中碳钢最大的危害就是在包晶反应区枝晶间合金元素的富集。在这一包晶反应区，由于体心立方的-Fe向面心立方的奥氏体的转变，枝晶间产生附加
20、的收缩。由于液相也参与这一反应，合金元素很自然会在枝晶间富集。如果降低碳含量，由于区的扩大，凝固温度区间的减小，枝晶间的偏析就会大大降低，而固溶原子在-Fe中的扩散速率是在奥氏体中的100倍，所以这就有利于成分均匀化，使各微区之间的电极电位差异较小，增强了耐腐蚀能力。 组织的均匀性 碳含量等于或接近碳在铁素体中的最大溶解度0.0218%。在的转变过程中，由于Nb(CN)的析出，铁素体中碳的溶解度极限不容易被超过，从而在显微组织中形成碳化物或Fe3C的可能性极小，高碳M-A-C组元的出现几率也很小，即较少发生C原子的分配，并通过适宜工艺使钢板最终组织以针状铁素体为主，与传统的珠光体铁索体钢而言，
21、这种组织均匀性更好，各微区之间电极电位更趋于一致，提高了其耐候性能。 适宜的化学成分 通过适宜的Cu-Cr-Ni耐候性元素配比，通过其在钢板内锈层的富集来保证耐候性。 洁净度和晶粒度 经真空循环脱气处理，全流程保护性浇注，同时控制S含量在0.006%以下，以尽量减少夹杂，提高钢质纯净度。通过TMCP+回火技术，使组织充分细化，超细晶粒降低了晶界上的夹杂物含量，显著提高了晶界的洁净度，结果造成了钢的耐候性提高。 即将通车的杭州湾跨海大桥，处于海洋性腐蚀环境，设计者所提出的使用寿命为100年以上使得桥梁用钢的耐腐蚀性显得非常突出。其使用的管桩用钢就采用了经济型耐候钢的设计理念。炼钢时充分利用废钢中
22、所含的残余元素Cu，适当添加耐候性元素Cr、Ni等，并采用精炼工艺，充分降低S含量等。使得钢卷在不明显提高成本的同时，提高其耐腐蚀性能，以为市场所接受。 在不涂装耐候桥梁钢方面，国内目前还未见其他报道，但在一些不影响环境美观、交通不便的山区或峡谷地带，由于人工维护不便，可以选取一些小型桥梁推广使用不涂装耐候桥梁钢。 5、我国耐候桥梁用钢发展中所存在的问题 尽管我国在耐候桥梁钢方面做了一些研究工作，在钢材的耐候性机理，在成分与工艺控制、在组织的选择与保证上都作了深入的研究工作，但是我国耐候桥梁钢的应用并不广泛。从桥梁钢构件的制作到后期维护的整体上看，使用耐候桥梁钢具有经济性，但是由于合金成本增加
23、，购买钢板的单项投资要略高于同等级普通桥梁钢，这一点很难为市场接受。使用耐候桥梁钢的相关国家或行业标准还未建立或健全，影响设计者对耐候桥梁钢选用的积极性。如在锈层的折减计算、耐候性钢板的构造细节、制作与拼装的配套材料如焊材、螺栓等都缺乏系统数据与标准。钢铁企业、桥梁设计部门、制造部门需要通力协作，对耐候桥梁钢(涂装、不涂装)的设计与施工中所遇到的一些细节问题进行周密而系统的研究，并对正在服役的耐候性桥梁进行跟踪，了解其在使用中所存在的问题，以期建立相应的企业或行业与国家标准，便于设计者选取，才能为耐候桥梁钢的应用奠定坚实的基础。 6、结束语 在我国中长期铁路网规划中明确提出，到2020年，全国铁路营运里程达到10万公里，主要繁忙干线实现客货分线，规划建设新线约1.6万公里，规划既有线增建二线1.3万公里，这为铁路桥梁的建设提供了极大的机遇，也将为我国铁路桥梁用钢带来更大的发展。五大跨海工程的建设对桥梁用钢的发展也将产生极大的推动作用。 在今后的桥梁钢发展中，顺应桥梁工程发展需要的高强度、可焊性、防断性、疲劳性、耐候性良好的高性能桥梁钢将是我国桥梁钢发展的主要方向。我国在耐候桥梁钢的使用上还缺乏足够的工程数据，相应的行业或国家标准还未建立，还需要开展系统的研究工作。
