燕 鴻

1 概述

隨著鋼材生產(chǎn)技術(shù)的進步,實現(xiàn)了生產(chǎn)出滿足預(yù)先要求的高性能鋼(HPS)。目前,HPS的生產(chǎn)方法主要有兩種:淬火及回火(Q&T)和高溫控軋技術(shù)(TMCP)。與傳統(tǒng)鋼種相比,HPS具有強度高,延性好,更韌性高,更可焊性優(yōu)越,冷成型能力和腐蝕抗力更理想的特征。這些改善的材料性能不僅可以提高結(jié)構(gòu)的性能,而且可以降低施工成本。在結(jié)構(gòu)工程,美國、日本及歐洲國家越來越注重HPS的研發(fā)與應(yīng)用。目前,各個國家根據(jù)本國的特殊工程要求開發(fā)了一系列鋼種。

2 高性能鋼的材料性質(zhì)

2.1 HPS的強度

從化學(xué)成分上分析,碳(C)是控制鋼材強度的主要化學(xué)元素[1]。通過提高碳含量來實現(xiàn)鋼材的高強,但是提高碳含量的同時降低了鋼材的可焊性。HPS降低了碳含量,通過加入其他合金元素來實現(xiàn)優(yōu)越的強度和韌性。HPS的碳含量減到0.11～0.16之間,而由其他元素來彌補因C含量降低引起的強度損失,如錳(Mn)。

2.2 HPS的斷裂韌性

高性能鋼的斷裂韌性遠優(yōu)于傳統(tǒng)的橋梁用鋼。與傳統(tǒng)鋼種相比,高性能鋼的脆—延轉(zhuǎn)變在溫度更低時才發(fā)生。高性能鋼優(yōu)良的可焊性提高了焊接質(zhì)量并降低了在低溫條件下的鋼橋發(fā)生脆斷和突然失效的可能性。這意味著HPS在更低溫度下仍然具有充分的延性,HPS可以應(yīng)用于更寒冷的地區(qū)。隨著斷裂韌性的提高,高性能鋼的抗斷裂能力與傳統(tǒng)鋼相比有很大提高。高性能結(jié)構(gòu)對大裂縫的承受能力更強,所以人們有更多的時間在橋梁失效前發(fā)現(xiàn)并修復(fù)疲勞裂縫。

2.3 HPS的可焊性

HPS改善的韌性和可焊性主要通過控制硫的含量來實現(xiàn)。一般而言,焊接時的預(yù)熱溫度越高,脆性微觀結(jié)構(gòu)形成的機會就越少,氫可從焊接中擴散的時間也越長。然而,預(yù)熱不僅費時,而且增加了成本。提高可焊性可以減少由施工時高的預(yù)熱溫度、溫度輸入控制、焊后處理和其他嚴(yán)格控制措施帶來的過高的施工成本,也可以消除焊接過程中的氫致開裂。HPS碳當(dāng)量低且韌性高,尤其是采用TMCP的HPS更是如此。HPS易于同普通鋼焊接,焊接時允許高的輸入溫度,通?？刹活A(yù)熱或在低預(yù)熱溫度下焊接。HPS優(yōu)良的可焊性可以降低預(yù)熱溫度、溫度輸入控制、焊后處理和其他需要嚴(yán)格控制的要求,也可以消除焊接過程中的氫致開裂。

2.4 HPS的耐腐蝕性

HPS的抗腐蝕性指HPS在一般氣候條件下,在不需要涂裝的情況下HPS可以正常工作。高性能鋼的良好耐候性,使橋梁等鋼結(jié)構(gòu)在大氣環(huán)境下可以不采用涂裝。與普通的耐候鋼相比,美國和日本均通過增加鎳(Ni)和銅(Cu)等合金元素來實現(xiàn)鋼材的耐腐蝕性和耐候性。這種新型鋼抗腐蝕性比傳統(tǒng)鋼更優(yōu),不需要涂裝和其他防腐技術(shù)。

3 國外高性能鋼的研究概況

在過去的幾十年中,鋼材生產(chǎn)技術(shù)的進步推動了高性能鋼(HPS)的研發(fā),可使生產(chǎn)的鋼種滿足預(yù)先要求的性質(zhì)。在結(jié)構(gòu)工程,尤其是在橋梁工程中,美國、日本及歐洲國家越來越注重HPS的研發(fā)與應(yīng)用。目前,各個國家根據(jù)本國的特殊工程要求開發(fā)了一系列鋼種。

1992年,美國聯(lián)邦公路管理局(FHWA),美國鋼鐵學(xué)會(AISI)和美國海軍開展了一個合作性的研究項目以拓展高性能鋼在橋梁中的應(yīng)用。隨后,美國開展了大量的HPS研發(fā)工作,并致力于將HPS應(yīng)用于造價經(jīng)濟的鋼橋。目前,在美國40多個州的約200座橋梁中應(yīng)用了HPS,這些使用中的橋梁體現(xiàn)了良好的結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟性。為了在橋梁中更加有效的應(yīng)用高性能鋼,美國已對公路橋梁設(shè)計規(guī)范(AASHTO)做了很大的改進,允許工程師采用高性能鋼,并提出了混雜設(shè)計的概念。借助混合設(shè)計,可充分發(fā)揮高強鋼和高性能鋼梁的受力性能。優(yōu)化的高性能鋼主梁可以減少一期建造成本,并降低整個壽命周期的成本。

日本于1964年開始在橋梁中應(yīng)用耐候鋼,其應(yīng)用快速增長[2]。研究人員針對日本沿海地區(qū)的環(huán)境條件進行了大量的研究工作,開發(fā)了抗腐蝕性優(yōu)良的新型含鎳耐候鋼。日本將HPS的研發(fā)與橋梁設(shè)計相聯(lián)系。其鋼種命名為橋梁用高性能鋼(BHS500W或BHS700W)。BHS有兩種:一種屈服強度為500 MPa(BHS500),另一種屈服強度為700 MPa(BHS700)。BHS500適用于中小跨橋梁,BHS700適用于大跨橋梁。目前,研究人員認為BHS500和BHS700具有相同的工作性能。BHS預(yù)熱溫度低、韌性高,制作成本較低。

歐洲致力于建立最新的HPS設(shè)計規(guī)范,其目的是將HPS應(yīng)用于除橋梁外的各種結(jié)構(gòu)中。在歐洲,HPS在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用不僅限于橋梁,而且用于建筑結(jié)構(gòu)中,如起重機、沿海工程、造船業(yè)等。20世紀(jì)60年代,歐洲鋼材的生產(chǎn)使用Q&T技術(shù)。現(xiàn)在,可采用該方法生產(chǎn)出屈服強度達1 100 MPa的鋼材。此外,也可以添加一些微量元素以提高強度。

4 高性能鋼的應(yīng)用實例

2000年7月,賓夕法尼亞州交通運輸部(Penn DOT)已經(jīng)在開放交通的Ford橋中應(yīng)用了HPS70W。Ford橋是一座采用焊接鋼板主梁的三跨連續(xù)梁橋,其跨徑依次為97.54 m+126.80 m+97.54 m。第一跨是半徑為154.84 m的平曲線,而其他兩跨是直線段。該橋有四片主梁,主梁間距為4.11 m。在負彎矩區(qū)使用了HPS70W,而在其他地方使用50W。這種混合設(shè)計使鋼的重量減少了20%,并且使主梁截面可以采用同一高度而不需加大中支點處的梁高。通過避免變化的腹板厚度,避免了成本高的縱向腹板栓接。

目前,國外已建成的高性能鋼橋表現(xiàn)出良好的性能和顯著的經(jīng)濟效益。高性能鋼強度高,可以減少自重和造價,可以降低梁高以增大豎向凈空,也可以增大跨度。高性能鋼優(yōu)良的可焊性提高了焊接質(zhì)量并降低了在低溫條件下鋼橋發(fā)生脆斷和突然失效的可能性。高性能鋼的高韌性意味著對裂紋的容忍度提高,這為橋梁的檢測和修復(fù)爭取了更多時間以保證安全。高性能鋼的良好耐候性,使橋梁在大氣環(huán)境下可以不采用涂裝。借助混合設(shè)計,可充分發(fā)揮高強鋼和高性能鋼梁的受力性能。優(yōu)化的高性能鋼主梁可以減少一期建造成本,并降低整個壽命周期的成本。

5 結(jié)語

隨著鋼材生產(chǎn)技術(shù)的迅速發(fā)展,高性能鋼的生產(chǎn)與應(yīng)用越來越廣泛。HPS強度高,可以減少自重,增大豎向凈空,也可以增大跨度。HPS韌性高,可以應(yīng)用于嚴(yán)寒地區(qū)的結(jié)構(gòu),而不會發(fā)生突然性的脆性斷裂。HPS耐腐蝕性好,減小了鋼橋二期維護成本,降低對不可再生資源的消耗?？梢?高性能鋼是結(jié)構(gòu)工程的理想材料,具有廣闊的研發(fā)前景。

[1] 王春生,段 蘭.高性能鋼橋設(shè)計指南[J].世界橋梁,2007(1):60-67.

[2] Miki C,Homma K,Tominaga T.High Strength and High-Performance Steels and Their Use in Bridge Structures[J].Journal of Constructional Steel Research,2002(58):3-20.