本文關(guān)鍵詞：我國橋梁用鋼現(xiàn)狀及耐候橋梁鋼發(fā)展，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

我國橋梁用鋼現(xiàn)狀及耐候橋梁鋼發(fā)展；摘要：我國橋梁用鋼強度等級與韌性不斷提高，焊接性；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；我國鐵路橋梁的發(fā)展自1957年的武漢長江大橋(A；公路橋梁自上世紀50年代至80年代經(jīng)歷了預(yù)應(yīng)力鋼；我國跨海橋梁也有了飛速的發(fā)展，我國第一條跨海大橋；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

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。

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，跨度達到628米，標(biāo)志中國鋼結(jié)構(gòu)公路橋梁建設(shè)水平已達到世界先進水平。

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，這種鋼的強度確實有了顯著提高，屈服強度要求大于等于

412MPa(當(dāng)板厚≤16mm時)。但由于采用加釩捉高強度的方法，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，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系焊材的焊縫強度僅在500MPa級別以下、焊縫低溫沖擊韌性僅能達到-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，焊縫強度大于570MPa，同時-40℃沖擊韌性可以達到48J以上。我國鐵路橋梁發(fā)展的標(biāo)志性工程見表1。

2.2 公路橋梁用鋼

由于公路橋梁的受力狀況和鐵路橋梁有諸多不同，因此，公路橋梁用鋼多選用Q345、Q370等鋼種，也有使用Q420的，但供貨技術(shù)條件中強度一般都是隨板厚的增加而遞減。鋼板的規(guī)格也比較薄，需求較大，該品種的競爭主要集中在價格、鋼廠資源等方面。

2.3 跨海大橋用鋼

跨海大橋用鋼主要集中于管樁鋼、通航主橋的橋梁鋼、橋面護欄以及帶肋鋼筋，其中管樁鋼、通航主橋的橋梁鋼占鋼材總量的60%，僅管樁鋼就占其鋼材總量的50%左右。管樁鋼的材質(zhì)主要為Q345C，規(guī)格范圍為16～25mm之間，大部分為熱軋卷板，并采用螺旋焊管形式，跨海大橋的管樁用鋼量特別大，杭州灣跨海大橋就使用了武鋼生產(chǎn)的管樁鋼Q345C約39萬噸。通航主橋的橋梁鋼的材質(zhì)主要集中于Q345D級別，規(guī)格為10～50mm之間，主要為平板產(chǎn)品；護欄用鋼的材質(zhì)為Q345D/Q390D，規(guī)格為4～25mm之間。上述三個產(chǎn)品種對鋼材的耐蝕性都有較高的要求，杭州灣跨海大橋甚至第一次明確提出了使用壽命100年以上的要求，因此，橋梁用鋼的耐蝕性能成為設(shè)計者選材的重要考慮部分。

3、國外耐候橋梁用鋼的發(fā)展

隨著大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁向全焊接結(jié)構(gòu)和高參數(shù)方向發(fā)展，對橋梁結(jié)構(gòu)的安全可靠性要求越來越嚴格。這不僅對設(shè)計者提出了更高的要求，而且對鋼板質(zhì)量提出了更高的水準，即不僅具有高強度以滿足結(jié)構(gòu)輕量化要求，而且還應(yīng)具有優(yōu)良的低溫韌性、焊接性和耐蝕性等，以滿足鋼結(jié)構(gòu)的安全可靠、長壽等要求。

傳統(tǒng)的高強度橋梁鋼不僅沖擊韌性、焊接性、疲勞性較差，而且不能耐大氣、海水腐蝕。因此，國內(nèi)外材料工作者提出了高性能鋼(High Performance Steel，HPS)的概念。高性能鋼材主要是指材料的某項或幾項性能較傳統(tǒng)鋼材得到改善的鋼材，除了具備較高強度外，鋼材的焊接性能、低溫韌性，尤其是耐腐蝕性能有較大幅度提高。

近年來，應(yīng)用在橋梁上的高性能鋼已成為國際鋼鐵材料研究的熱點，如美國ASTM709中的HPS-70W鋼、HPS-100W鋼和日本的SMA570W系列鋼等。耐候橋梁用鋼作為高性能橋梁鋼的一個發(fā)展方向，在國外得到了較為廣泛的發(fā)展。

對于鋼材耐候性的研究，在上世紀初到60年代，人們注重不同合金元素對鋼材耐大氣腐蝕能力的作用，從而出現(xiàn)了以Corten鋼為代表的耐大氣腐蝕系列用鋼；60年代以后開始注重環(huán)境因素對耐候鋼表面腐蝕產(chǎn)物的影響，并闡明了耐候鋼抗大氣腐蝕機理。從90年代至今，很多研究者將目光轉(zhuǎn)向低成本、高強度、耐蝕性能更高的新型高性能耐候鋼開發(fā)，并且取得了一定成果。

在美國早期應(yīng)用最普遍的耐候鋼主要為高P、Cu加Cr、Ni的Corten A系列和以Cr、Mn、Cu合金化為主的Corten B系列。1974年，ASTMA709中出現(xiàn)了70W和lOOW等高強度耐候橋梁鋼，但是這些鋼中碳含量較高(≥0.12%)，對焊接工藝要求也高。為了改善焊接性能，在1997年ASTM A709中出現(xiàn)了HPS70W鋼，近期HPS 100W鋼也將納入標(biāo)準，這些鋼中的碳含量較70W和100W有了一定程度的降低，焊接性能也有所改善。1950年，耐候鋼被引進到日本，并在日本得到發(fā)展和應(yīng)用，1968年日本將低磷系焊接用鋼作為“JIS G3114焊接結(jié)構(gòu)用耐候性熱軋鋼材”，1971年將高磷系焊接用鋼作為“JIS G3125高耐候性軋制鋼材”實現(xiàn)了JIS標(biāo)準化，其中含抗拉強度為569MPa級的高強度鋼。國內(nèi)外高強度耐候鋼的主要發(fā)展歷程見圖1。

對于高強度耐候橋梁鋼，一般有三種研制路線，一種是傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)生產(chǎn)工藝路線，如美國橋梁用結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(ASTMA709/A709M-95)中的70W(碳含量≥0.12%)，其對焊接工藝要求較高，需要焊前預(yù)熱，因此生產(chǎn)周期較長，成本較高。

第二種就是低碳TMCP工藝路線，鋼中碳含量一般在0.07～0.11%。這種鋼雖然不用進行調(diào)質(zhì)處理，但由于碳含量仍然相對較高，在應(yīng)用中還存在一些問題。如鋼板愈厚其焊接敏感性系數(shù)愈高，在焊接時需要預(yù)熱；在采用大線能量焊接時，還存在韌性降低的問題。

第三種是超低碳貝氏體鋼路線。超低碳貝氏體鋼的碳含量嚴格控制在很低的范圍(小于0.05%)，在具有高強度高韌性的同時，具有極佳的焊接性。所得到的貝氏體組織均勻性較好，微區(qū)間電極電位差較小，增強了耐蝕能力。由于其不用調(diào)質(zhì)處理，降低了生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)周期，是當(dāng)前高強耐候橋梁鋼的發(fā)展趨勢。 上述三種不同生產(chǎn)工藝路線的鋼種特點見表2。

由以上情況及表2可以看出，高強度耐候鋼的性能在隨著新鋼種的不斷推出而提高，在化學(xué)成分上，碳含量不斷下降，這就導(dǎo)致了碳當(dāng)量和焊接冷裂紋敏感性系數(shù)的降低，焊接性能逐步得到改善；生產(chǎn)工藝由淬火+回火向TMCP發(fā)展，降低了生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)周期；組織由馬氏體向貝氏體、針狀鐵素體發(fā)展，這種貝氏體或針狀鐵素體組織對提高鋼的強韌性、焊接性、耐候性以及加工制作性能都是有好處的。

現(xiàn)在耐候鋼在國外已逐步完善起來了。在設(shè)計上，對銹蝕層的折減計算，疲勞，構(gòu)造細節(jié)加以規(guī)定；在鋼種上，對耐候鋼、耐候焊接材料、耐候高強度螺栓、耐候支座加以嚴格要求；在特性上，對穩(wěn)定的銹蝕，腐蝕因素、硬度試驗加以周密的分析；在制造、運輸、架設(shè)上，對耐候鋼表面的處理、清掃、保護、補修等加以嚴格把關(guān)；在經(jīng)濟上，對耐候鋼的使用作追蹤調(diào)查，詳細進行經(jīng)濟比較。從發(fā)展趨勢來看，國外已將耐候鋼逐漸當(dāng)作一種普通鋼種來廣泛使用。它被橋梁界稱為“不朽的美”。表3記述了耐候橋梁鋼在國外發(fā)展的歷史情況。

4、我國耐候橋梁用鋼的發(fā)展

新鋼種的出現(xiàn)，不僅講實用性，還要講經(jīng)濟效益，否則就失去其實用價值，也失去推廣的前提。銹蝕不僅給結(jié)構(gòu)物帶來損害，也給工務(wù)部門增加了繁重的管理、維護負擔(dān)，同時周期性的再涂裝也耗費了大量的人力和資金。據(jù)鐵道部有關(guān)部門統(tǒng)計，1984～1987年4年間，再涂裝鋼橋1260余孔、耗用優(yōu)質(zhì)涂料幾千噸，耗資巨大。而耐候鋼由于冶煉工序的增加，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期都是具有一定經(jīng)濟效益的。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)濟計算，真實地反映了耐候鋼的經(jīng)濟效益。計算表明：經(jīng)過40年的使用，普通鋼+涂裝的經(jīng)費(3次反復(fù)涂裝)已超過了耐候鋼裸使用的2倍�？梢钥吹侥秃蜾摑撛诘慕�(jīng)濟效益是巨大的。

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-ten B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韌性，抗沖擊性和焊接性等方面；相關(guān)單位未能對NHq35進行強有力的推廣；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，并充分利用組織細化、組織均勻等關(guān)鍵技術(shù)，使開發(fā)鋼種具有高強度(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

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