汪 蘭，潘 瑾

(中交鐵道(武漢)建設(shè)科技有限公司，湖北 武漢 430056)

1 前 言

隨著鋼材生產(chǎn)技術(shù)的快速進(jìn)步，通過(guò)加工工藝和鍛煉技術(shù)，目前可以生產(chǎn)滿(mǎn)足各種要求的高性能鋼材，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的建造。高性能鋼材相對(duì)于傳統(tǒng)的鋼材，無(wú)論是強(qiáng)度、韌性、可焊性等材料特性，還是耐腐蝕、抗疲勞、防屈曲等力學(xué)性能，都有較大的優(yōu)勢(shì)。高性能鋼材在美國(guó)、日本及歐洲國(guó)家已經(jīng)廣泛發(fā)展，在我國(guó)尚處于發(fā)展的初步階段，有必要系統(tǒng)總結(jié)高性能鋼材的力學(xué)特征，明確其力學(xué)特性與優(yōu)勢(shì)，掌握其可能的問(wèn)題與難點(diǎn)，明確高性能鋼材在橋梁工程的應(yīng)用。

2 高性能鋼材的材料特性

要推廣高性能鋼材的土木工程應(yīng)用，需要掌握其基本的材料特性，包括強(qiáng)度、韌性和可焊性等方面。

2.1 高強(qiáng)度

高性能鋼材的典型材料特性就是強(qiáng)度高。傳統(tǒng)的高強(qiáng)度鋼一般是增加鋼材成分中的碳含量，以提高鋼材的力學(xué)強(qiáng)度，但碳含量的增加后，低鋼材的可焊性會(huì)同時(shí)降低，導(dǎo)致其加工性能變差。高性能鋼材則是降低碳含量，并加入其它合金元素如錳等，以提高鋼材的強(qiáng)度的同時(shí)，能夠優(yōu)化其焊接性能。通過(guò)相關(guān)鍛造工藝，例如淬火及回火、高溫控軋等技術(shù)，可以生產(chǎn)達(dá)到500 MPa乃至800 MPa的高強(qiáng)度鋼材。高強(qiáng)度意味著鋼構(gòu)件的承載能力高，極大改善了目前強(qiáng)度在200～400 MPa水平的鋼材，顯著優(yōu)化材料的用量，將結(jié)構(gòu)做到輕型化。

2.2 強(qiáng)韌性

高性能鋼材通過(guò)摻入其他合金材料，使其斷裂韌性能夠得到顯著改善。與傳統(tǒng)鋼材相比，高性能鋼的脆性和延性轉(zhuǎn)換在溫度很低的條件下才容易發(fā)生，并且由于高性能鋼材焊接性能的提升，使得低溫條件下鋼橋發(fā)生脆斷的可能性大大降低，說(shuō)明在更低溫度下仍然具有充分的延性，因此可以將高性能鋼材應(yīng)用于更加寒冷的地區(qū)。高性能鋼材的強(qiáng)韌性，使得鋼材出現(xiàn)裂縫后還有較大的富余繼續(xù)承載，不會(huì)立即失效毀壞，使其可以提供更多的時(shí)間使得橋梁在失效前可以進(jìn)行裂縫的修補(bǔ)和修復(fù)，降低結(jié)構(gòu)突發(fā)性破壞的概率。

2.3 可焊性好

加工性能是鋼材最重要的材料屬性，決定了鋼材品種是否能夠進(jìn)行大面積的工程生產(chǎn)及其相關(guān)經(jīng)濟(jì)性。高性能鋼材由于摻入合金元素，使其焊接性能得到了改善，這主要是通過(guò)控制硫元素的含量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

高性能鋼材的碳含量較低且韌性高，這使得焊接時(shí)較高的溫度輸入并不破壞鋼材結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)，因此可以在較短的預(yù)熱下進(jìn)行焊接。一般而言，如果焊接時(shí)候的預(yù)熱溫度較高，會(huì)導(dǎo)致鋼材的微觀結(jié)構(gòu)受到破壞，產(chǎn)生初始損傷。此外，預(yù)熱不僅費(fèi)用較高，同時(shí)增加加工成本。提高鋼材的可焊性，不僅可以降低施工時(shí)的預(yù)熱溫度，控制溫度輸入，減少焊接后處理或者其他嚴(yán)格控制所帶來(lái)的過(guò)高施工成本，同時(shí)能夠減少焊接過(guò)程中的氫致開(kāi)裂問(wèn)題。綜上可知，高性能鋼材的可焊性可以顯著降低預(yù)熱溫度、控制溫度輸入，同時(shí)也能夠降低焊接后處理的工序以及其他控制要求，同時(shí)也可以消除在焊接過(guò)程中的氫致開(kāi)裂問(wèn)題。

3 高性能鋼材的力學(xué)特色

高性能鋼材作為結(jié)構(gòu)用材料，具有耐腐蝕、抗疲勞、防屈曲等力學(xué)特色，這也使高性能鋼材能夠廣泛用于土木工程建設(shè)的重要基礎(chǔ)。

3.1 耐腐蝕性

隨著土木工程的發(fā)展，目前耐久性問(wèn)題成為備受關(guān)注的話題，特別是越來(lái)越多的橋梁步入其運(yùn)營(yíng)使用的中長(zhǎng)期階段。鋼材的耐久性問(wèn)題一致是業(yè)內(nèi)備受關(guān)注的話題，由于橋梁結(jié)構(gòu)很多建設(shè)在復(fù)雜環(huán)境下，例如沿海環(huán)境，這使得鋼材很容易受到大氣和海水的腐蝕，為了保證其使用壽命需要進(jìn)行防腐防護(hù)，這要求在鋼材表面進(jìn)行涂裝，而涂裝層在使用過(guò)程也會(huì)受到破壞，因此要求運(yùn)營(yíng)中對(duì)涂裝層的維護(hù)和更換，這使得其運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)成本較高。

耐腐蝕表示在一般的氣候條件下，在不需要進(jìn)行涂裝防護(hù)的狀況下材料能夠正常工作，使用壽命不受到折減。傳統(tǒng)的鋼材，在大氣環(huán)境下很容易被腐蝕，這使得其使用壽命大打折扣，特別是惡劣的濱海環(huán)境，鋼材更容易受到腐蝕作用。高性能鋼材不需要進(jìn)行涂裝就可以在大氣環(huán)境下使用。由于高性能鋼材的耐腐蝕性能，使得其耐候性也很好，在不需要油漆及其他防護(hù)涂層的情況下，可以正常使用，這極大地減少了鋼材的養(yǎng)護(hù)和維修費(fèi)用，具有較好的經(jīng)濟(jì)性能。

3.2 抗疲勞性

疲勞是鋼材應(yīng)用最重要的破壞模式，高性能鋼材由于摻入了合金元素，因此其韌性很好，在荷載作用下即便出現(xiàn)裂紋也不會(huì)像傳統(tǒng)鋼材一樣容易發(fā)生疲勞斷裂，而會(huì)有較大的變形能力及安全儲(chǔ)備。此外，由于疲勞性能與構(gòu)件的構(gòu)造型式和應(yīng)力水平直接相關(guān)，高性能鋼材因?yàn)榭珊感院?，因此出現(xiàn)焊接初始損傷的概率很低，這就使得其抗疲勞性能較好。此外，由于正常荷載作用下的應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于高性能鋼材的極限強(qiáng)度，因此其工作應(yīng)力水平相對(duì)其強(qiáng)度而言較低，出現(xiàn)疲勞失效的概率也降低。

3.3 防屈曲特性

疲勞和屈曲是鋼材應(yīng)用于大型土木工程最主要的失效模式，需要在設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮。鋼構(gòu)件的屈曲往往是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)支撐及構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力水平較大引起的，例如細(xì)長(zhǎng)桿件很容易發(fā)生面外失穩(wěn)問(wèn)題，壓應(yīng)力集中區(qū)域很容易發(fā)生局部屈曲問(wèn)題。高性能鋼材因?yàn)闃?gòu)件的工作應(yīng)力水平較低，相對(duì)于其強(qiáng)度很小，因此發(fā)生屈曲失穩(wěn)的可能性也大大降低，表現(xiàn)出與普通鋼材較高的防屈曲特性。

4 高性能鋼材在橋梁工程的設(shè)計(jì)應(yīng)用

高性能鋼材為橋梁設(shè)計(jì)提供了更多的可能性，可以設(shè)計(jì)成輕型、大跨度橋梁，同時(shí)由于其良好的耐腐蝕、抗疲勞等特性，其使用壽命可以大大延長(zhǎng)，近年來(lái)采用高性能鋼材建造橋梁的工程案例越來(lái)越多，呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

高性能鋼材在橋梁工程中具有諸多可以應(yīng)用的層面，一方面可以完全采用高性能鋼材建造橋梁，在目前主要建設(shè)成50～140 m跨徑的橋梁，通過(guò)利用高性能鋼增加橋梁的跨越能力；同時(shí)可以設(shè)計(jì)高性能鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，用于組合橋梁的設(shè)計(jì)建造，例如組合梁橋、斜拉橋組合主梁、懸索橋組合主梁、拱橋組合拱肋等，這樣可以充分發(fā)揮高性能鋼和混凝土各自的力學(xué)優(yōu)勢(shì)；此外，還可以進(jìn)行高性能鋼和混凝土、普通鋼材進(jìn)行混合設(shè)計(jì)如圖1所示，例如在受力顯著、易屈曲、易疲勞等區(qū)域采用高性能鋼材，在其他區(qū)域采用普通鋼材和混凝土，形成混合結(jié)構(gòu)，也能充分利用各種材料的優(yōu)勢(shì)。

圖1 高性能鋼與普通鋼組合使用

高性能鋼材在美國(guó)、日本、歐美等國(guó)家應(yīng)用較多，從他們的應(yīng)用實(shí)踐來(lái)看，高性能鋼材的力學(xué)性能是較為優(yōu)異的。由于橋梁的建設(shè)成本主要包含材料成本、制作成本、運(yùn)輸成本和建設(shè)成本，高性能鋼材雖然上述指標(biāo)均高于普通的鋼材，但是可以極大地減輕主梁自重、解決橋梁凈空問(wèn)題，減少橋墩數(shù)量等，總體上使得建造高性能鋼材的橋梁結(jié)構(gòu)其造價(jià)成本與普通橋梁差別并不顯著，且從全壽命周期的理念考慮，高性能鋼材的橋梁運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)成本較低，因此其全壽命周期成本較優(yōu)。

高性能鋼材在橋梁工程的具體應(yīng)用又涵蓋多方面，主要表現(xiàn)在對(duì)鋼材力學(xué)性能的要求上呈現(xiàn)的不同。例如，橋梁某些構(gòu)件要求具有極高的承載力和強(qiáng)度，因此需要采用高強(qiáng)度鋼，相應(yīng)的在鍛造、加工等方面就需要體現(xiàn)高強(qiáng)度性能要求，例如日本NKK公司研發(fā)HITEN980，就具有950 MPa的強(qiáng)度。有些高性能鋼材要求具有良好的耐久性和耐候性，能夠抵抗惡劣環(huán)境的作用，如沿海環(huán)境，則要求開(kāi)發(fā)耐久性能很好的高性能鋼材，如美國(guó)研發(fā)的CUPLOY400-CL則具有很高的氯鹽地獄能力。此外，處于地震多發(fā)帶的橋梁結(jié)構(gòu)，也要求鋼材具有很好的抗震性能，因此需要具有延展性好、耗能性佳的高性能鋼材進(jìn)行設(shè)計(jì)。總體而言，高性能鋼材在橋梁工程建設(shè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié) 論

高性能鋼材具有突出的材料性能和力學(xué)優(yōu)勢(shì)，隨著鍛造技術(shù)的發(fā)展，高性能鋼材將在土木工程建設(shè)領(lǐng)域得到越來(lái)越多的關(guān)注和應(yīng)用。本文系統(tǒng)總結(jié)了高性能鋼材的材料特性，分析了其力學(xué)優(yōu)勢(shì)，并指出在橋梁工程設(shè)計(jì)建造中的應(yīng)用前景與方向，促進(jìn)高性能鋼在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用。

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