毛新平, 武會賓, 湯啟波
(北京科技大學(xué), 北京 100083)
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,世界各國加大了基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)投入,橋梁建設(shè)事業(yè)也得到了蓬勃發(fā)展,世界大橋總量和總長度正急劇增加。21世紀(jì)以來,在國家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的推動下,中國橋梁以每年3萬多座的速度遞增,建成了一大批世界級的重大橋梁,目前橋梁總數(shù)(公路、鐵路總計)超過100萬座,已成為世界第一橋梁大國。
橋梁建設(shè)的發(fā)展不僅擴(kuò)大了橋梁鋼量的需求,而且對橋梁鋼綜合性能的需求也提出了更高的要求。橋梁結(jié)構(gòu)鋼具有跨越能力大、易于工廠化制造和便于裝配化施工等突出優(yōu)點,在歐美及日本等發(fā)達(dá)國家橋梁工程中應(yīng)用廣泛,但在中國鋼結(jié)構(gòu)橋梁所占比例較小。隨著中國鋼鐵產(chǎn)能的提高和鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步,以及綠色建造和可持續(xù)建造理念的普及,標(biāo)準(zhǔn)化和工業(yè)化建造的鋼結(jié)構(gòu)橋梁在公路、鐵路橋梁中所占比例得到大幅度提高[1]。
20世紀(jì)90年代以來,橋梁鋼在中國梁式橋、拱橋、懸索橋及斜拉橋中均得到不少工程應(yīng)用。近年來在國家政策引導(dǎo)下,橋梁鋼在大跨橋梁、山區(qū)橋梁、高速鐵路橋梁、軌道交通軌道梁、預(yù)制裝配式橋梁等結(jié)構(gòu)中的適應(yīng)性越來越被關(guān)注,人們對橋梁結(jié)構(gòu)鋼的研究也越來越深入。橋梁結(jié)構(gòu)鋼從低碳鋼到低合金鋼,再到高強(qiáng)度鋼不斷發(fā)展。隨著國家海洋戰(zhàn)略、高鐵戰(zhàn)略實施和川藏路線的規(guī)劃建設(shè),未來橋梁結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展趨勢將集中在高性能、長壽命、輕型化和智能化等方面。
美國和日本在橋梁結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)用領(lǐng)域的研究相對較早,處于領(lǐng)先地位。美國在橋梁結(jié)構(gòu)用鋼方面的研究經(jīng)歷了低碳鋼、低合金鋼、高強(qiáng)度鋼到高性能鋼的發(fā)展歷程。橋梁鋼在美國的應(yīng)用級別跨度較大,其屈服強(qiáng)度級別包含了250,345,485和 690 MPa 等,其中 345 MPa 和 485 MPa級橋梁鋼得到最廣泛應(yīng)用。此外,美國橋梁建設(shè)大量使用了耐候鋼板,20世紀(jì)30年代美國U.S. Steel公司首先研制成功了含Cu高強(qiáng)度耐候鋼用于橋梁建設(shè)。隨后含Cu, P, Cr, Ni的Corten A系列耐候鋼和含Cr, Mn, Cu的Corten B系列耐候鋼被研發(fā)并廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)。1974年,ASTM A709中出現(xiàn)了70W和100W等高強(qiáng)度橋梁鋼,但焊接性能較差。之后又開發(fā)出了耐候、滿足韌性要求且焊接性能良好的HPS 250W,HPS 270W和HPS 2100W系列高性能鋼[2]。HPS系列鋼在賓夕法尼亞州福特城大橋、田納西州馬丁河克里克灣大橋等橋梁中得到了應(yīng)用[3]。
日本橋梁鋼的發(fā)展在世界上處于領(lǐng)先地位,主要應(yīng)用大量的高強(qiáng)度鋼板。20世紀(jì)50年代,日本就開發(fā)了345 MPa和500 MPa級鋼板應(yīng)用于橋梁建設(shè),隨后,又相繼開發(fā)了500, 600, 700 和 800 MPa 級橋梁結(jié)構(gòu)鋼,在橋梁上實現(xiàn)了工程應(yīng)用。例如,日本NKK公司采用TMCP技術(shù)開發(fā)了570 MPa級和780 MPa級低預(yù)熱型橋梁用鋼板并用于明石海峽大橋建設(shè)[4]。日本對耐候橋梁鋼的研究應(yīng)用也較早,20世紀(jì)50年代就引進(jìn)了美國的Corten A鋼生產(chǎn)技術(shù)研究和開發(fā)耐候鋼。新日鐵研發(fā)生產(chǎn)的含3Ni的耐候橋梁鋼,提高了鋼在海洋大氣環(huán)境中的耐蝕性能[5-6]。神戶公司研制了一種高耐蝕性橋梁鋼,添加了1Ni,1Cu和0.05Ti,耐蝕性能較一般耐候鋼提高一倍,應(yīng)用于日本兵庫縣的大橋[7]。
歐洲橋梁鋼發(fā)展相對較緩,其橋梁鋼結(jié)構(gòu)鋼主要應(yīng)用355, 460和550 MPa級高強(qiáng)鋼。隨著世界各國致力于高性能鋼的研究與開發(fā),目前韓國及歐洲等也均實現(xiàn)了高強(qiáng)橋梁鋼的工程應(yīng)用,比如韓國開發(fā)的HSB 800W高強(qiáng)鋼,在2009年形成示范應(yīng)用,用于Lee-Sunshin大橋的建設(shè)。國外代表性的高強(qiáng)度橋梁鋼研究和應(yīng)用情況如表1所示。
表1 國外典型高強(qiáng)度橋梁鋼的研究和應(yīng)用
20世紀(jì)50年代起,我國就開始了一系列橋梁結(jié)構(gòu)鋼的研發(fā)和應(yīng)用。1957年建成武漢長江大橋,使用A3鋼種,強(qiáng)度較低,采用鉚接棱形連續(xù)梁的結(jié)構(gòu),主跨只達(dá)到128 m。1968年建成南京長江大橋,使用16Mnq鋼,但在使用過程中發(fā)現(xiàn)韌性偏低,強(qiáng)度受板厚影響較為嚴(yán)重,鐵路橋梁最大板厚僅能達(dá)到32 mm。為了更好滿足橋梁建設(shè)需求,我國研究開發(fā)了15MnNVq鋼,應(yīng)用于1995年建成的九江長江大橋。15MnVNq鋼當(dāng)板厚小于16 mm時其屈服強(qiáng)度能達(dá)到412 MPa,最大板厚能夠達(dá)到56 mm,但焊接性能和低溫韌性較差,給橋梁施工建設(shè)帶來很多困難。20世紀(jì)90年代初,中鐵大橋局和武鋼聯(lián)合研制開發(fā)的14MnNbq微合金化橋梁鋼被應(yīng)用于蕪湖長江大橋。14MnNbq是在16Mnq的基礎(chǔ)上降低鋼中C, P, S的含量,通過添加Nb元素提高鋼的強(qiáng)度;由于降低了鋼中C, P, S的含量,14MnNbq鋼低溫韌性良好(-40 ℃的沖擊功AkV≥120 J),很好地解決了板厚效應(yīng),可大批量生產(chǎn)供應(yīng)32~50 mm厚鋼板[8]。2009年,我國建成了大跨度、重載荷的南京大勝關(guān)長江大橋,應(yīng)用了Q420q鋼,強(qiáng)度達(dá)到420 MPa,最大板厚68 mm,無明顯的板厚效應(yīng),較好地滿足南京大勝關(guān)長江大橋的需求[9]。隨后開發(fā)了Q500qE鋼,具有高強(qiáng)度和良好的綜合性能,很好地滿足新型橋梁的建設(shè),用于滬通長江大橋,使其主跨達(dá)到1092 m,為世界首座超千米級的公鐵兩用斜拉橋。
目前,我國最新研究開發(fā)出了Q690qE高強(qiáng)鋼,采用低碳微合金元素的設(shè)計,通過TMCP控制技術(shù),控制成分和組織均勻化,獲得了以貝氏體和鐵素體為主的組織,得到了屈服強(qiáng)度達(dá)690 MPa級的高強(qiáng)度和屈強(qiáng)比低于0.85的良好性能匹配;同時在-40 ℃低溫沖擊功大于120 J,具有良好的低溫韌性。與國外BHS 700W和HPS 100W相比,Q690qE鋼的碳當(dāng)量(CEV)和冷裂紋敏感指數(shù)(Pcm)均處于最低水平,屈強(qiáng)比也處于較低水平,低溫韌性優(yōu)于國外同類鋼種或與其相當(dāng),具有強(qiáng)韌性好、焊接性能好以及滿足厚度使用需求等優(yōu)勢,能夠滿足示范工程應(yīng)用要求,目前用于江漢七橋和澳氹四橋的建設(shè)。我國橋梁鋼發(fā)展歷程和示范應(yīng)用如表2所示。
表2 我國橋梁鋼發(fā)展歷程和示范應(yīng)用
隨著國家“八縱八橫”高鐵網(wǎng)規(guī)劃和國家公路網(wǎng)規(guī)劃,公路和鐵路建設(shè)里程逐年快速增加。而中國地形復(fù)雜,隨著公路和鐵路建設(shè)規(guī)格的提高,對大跨度、多車道和重載荷的橋梁需求量也大幅增加,在未來公路和鐵路橋梁建設(shè)中,將向大跨度和多元化方向發(fā)展。在交通強(qiáng)國、海洋強(qiáng)國、“一帶一路”、川藏鐵路等新時代戰(zhàn)略驅(qū)動下,橋梁工程發(fā)展面臨全新挑戰(zhàn):橋梁結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新與突破;深水海洋環(huán)境橋梁建設(shè)與長期服役性能;復(fù)雜艱險地區(qū)橋梁的智能建造;多災(zāi)害耦合作用下橋梁災(zāi)變理論與控制;服役的橋梁“老齡化”和服役條件惡化[1]。高性能鋼因具有良好的力學(xué)性能、焊接性能和耐腐蝕性能,有效解決了橋梁大跨度、焊接過程和維護(hù)帶來的問題,從而被廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)。
為滿足橋梁建設(shè)的大跨度和多元化的發(fā)展需求,對橋梁鋼的需求也不斷提升,高性能橋梁結(jié)構(gòu)鋼正在朝著高強(qiáng)度、低屈強(qiáng)比、易焊接性、良好低溫韌性、良好的耐候性及抗疲勞性能方向發(fā)展。
近年來,由于橋梁新結(jié)構(gòu)、新材料、新裝備和新技術(shù)的進(jìn)步及其在大跨度橋梁上的應(yīng)用,我國橋梁建造水平已從世界先進(jìn)向世界領(lǐng)先大踏步邁進(jìn)。尤其是許多帶有大跨、重載、高速特征的超級斜拉橋、懸索橋、拱橋相繼建成,極大地提高了我國在世界橋梁史上的地位[10]。截至2020年,我國多座大跨度斜拉橋和懸索橋相繼建成或全橋拉通,特別是以滬通長江大橋為代表的千米級公鐵兩用斜拉橋上部結(jié)構(gòu)完工、以五峰山長江大橋為代表的千米級公鐵兩用懸索橋鋼梁架設(shè)完成,刷新了世界大跨度橋梁的建造紀(jì)錄[11]。據(jù)不完全統(tǒng)計,世界上已建成的大跨度斜拉橋前10座有7座在中國;世界上已建成的鐵路/公鐵兩用斜拉橋跨徑排名前8位均在中國,其中,滬通長江大橋以1092 m主跨跨徑排名第1位;世界上已建成的大跨度懸索橋前10座有6座在中國。這些成就將我國乃至世界橋梁建造技術(shù)推向了一個全新的高度[10]。
隨著橋梁建設(shè)技術(shù)的改進(jìn),橋梁主跨由建國初的128 m發(fā)展至1092 m,目前在建的常泰長江大橋為世界上首座集高速公路、城際鐵路和一級公路為一體的過江通道,其主航道橋為主跨1176 m的斜拉橋,刷新公鐵兩用斜拉橋世界紀(jì)錄,其航道橋為世界上最大跨度公鐵兩用鋼桁梁拱橋。大跨度是未來橋梁建設(shè)的一個重要發(fā)展方向。
未來橋梁建設(shè)的形式將變得多元化。鐵路大橋?qū)⒂赡壳暗?線發(fā)展到4線以及6線;公路大橋也將變寬變長,由4車道不斷發(fā)展到8車道;此外,未來的橋梁建設(shè)將更多地考慮公路和鐵路合建,從而節(jié)約建設(shè)成本和維護(hù)成本,以及能更好地利用地勢環(huán)境,目前的2線鐵路+4線公路的建設(shè)形式在未來將擴(kuò)展到4線鐵路+6線公路等,橋梁的多元化發(fā)展,都對橋梁鋼的強(qiáng)度提出了更高的要求。
在上世紀(jì)60年代以前,橋梁建設(shè)中橋梁鋼的連接方式主要為鉚接,比如武漢長江大橋和南京長江大橋;在60年代以后,橋梁鋼的連接方式主要為栓焊,如蕪湖長江大橋;新世紀(jì)初以來,橋梁鋼的連接方式主要為全焊,如南京長江二橋等,可見橋梁鋼的連接方式由鉚接到焊接不斷發(fā)展,在將來的橋梁建設(shè)中,橋梁鋼的焊接性能將是決定性因素,這對橋梁結(jié)構(gòu)鋼的焊接性提出了更高的要求。
隨著橋梁建設(shè)向大跨度、多元化等方向不斷發(fā)展,對橋梁鋼的性能要求也將不斷提高。高性能是未來橋梁結(jié)構(gòu)鋼的一個發(fā)展趨勢,其對強(qiáng)度、韌性、屈強(qiáng)比以及板厚等提出了更高的要求。在第一代A3橋梁鋼中,其屈服強(qiáng)度為235 MPa,對韌性和屈強(qiáng)比等均沒有要求;發(fā)展到第二代16Mnq鋼,屈服強(qiáng)度提高到了345 MPa,但是低溫韌性、焊接性及板厚等均較差;隨著橋梁鋼的不斷發(fā)展,第三代橋梁鋼15MnVNq和第四代橋梁鋼Q370qE的強(qiáng)度進(jìn)一步提高,同時板厚能達(dá)到50 mm,進(jìn)一步擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍;發(fā)展到第五代和第六代橋梁鋼Q420qE和Q500qE,屈服強(qiáng)度已要求達(dá)500 MPa級,低溫沖擊功在-40 ℃時不低于120 J,同時對屈強(qiáng)比和板厚也提出了要求,屈強(qiáng)比一般低于0.86,而應(yīng)用板厚要求高于64 mm。目前已經(jīng)開發(fā)了Q690qE橋梁鋼,其屈服強(qiáng)度達(dá)到690 MPa級,同時其他綜合性能也有了很大提升。
未來將主力發(fā)展綜合性能優(yōu)良的Q690qE以及更高強(qiáng)度的高性能橋梁鋼。除了強(qiáng)度要求高于690 MPa級外,屈強(qiáng)比將從最初代的沒有要求到要求低于0.85~0.88,同時低溫韌性要求-40℃沖擊功高于120 J;焊接性方面也提出了要求,以前的連接方式主要為鉚接和栓接,現(xiàn)在主要采用焊接方式,因此焊接性已經(jīng)成為橋梁鋼發(fā)展的決定性因素。此外,橋梁鋼最大應(yīng)用板厚由最初的32 mm增加到了68 mm,對最大應(yīng)用板厚的需求也逐漸提升。高性能橋梁結(jié)構(gòu)鋼綜合性能發(fā)展趨勢如表3所示。
高性能橋梁鋼的發(fā)展,也促進(jìn)了橋梁鋼的生產(chǎn)工藝和組織類型的不斷發(fā)展。為了得到高性能橋梁鋼,鋼的生產(chǎn)要求高的冶金質(zhì)量,在橋梁鋼生產(chǎn)過程中,需要嚴(yán)格控制夾雜物數(shù)量、成分和尺寸等,從而提高鋼板的疲勞性能;同時改善中心偏析,消除或者盡可能降低焊接裂紋。生產(chǎn)過程中也要求低的殘余元素,其是生產(chǎn)高性能橋梁鋼的必要條件,在2015年的新國標(biāo)中,對P, S, N, B, 和H等元素的含量都有著明確的規(guī)定。為了保證良好的低溫韌性和焊接性,橋梁鋼的成分設(shè)計正在向低碳化不斷發(fā)展,碳含量正在逐漸由0.11%~0.17%降低至0.06%~0.08%以下,低碳成分體系得到了廣泛應(yīng)用。此外,
表3 橋梁鋼強(qiáng)度、韌性、屈強(qiáng)比以及板厚的發(fā)展趨勢
為了獲得良好的力學(xué)性能,TMCP工藝技術(shù)在橋梁鋼中得到了廣泛應(yīng)用,早期只有Q420qE和Q500qE鋼采用TMCP工藝,在Q690qE高性能橋梁鋼的生產(chǎn)制備過程中主要采用TMCP控制技術(shù),通過組織調(diào)控得到貝氏體和鐵素體的復(fù)相組織,調(diào)控硬軟兩相形態(tài)、大小、尺寸、分布、數(shù)量等,通過軟硬相的匹配從而獲得較低屈強(qiáng)比以及優(yōu)良的綜合性能。
橋梁結(jié)構(gòu)鋼的長期安全和健康服役是橋梁建設(shè)的基本要求,隨著未來橋梁所處環(huán)境的不斷拓寬,長壽命是未來橋梁鋼發(fā)展的另一個趨勢,這對橋梁鋼的耐候性和抗疲勞性提出了更高的要求。為解決鋼結(jié)構(gòu)橋梁的腐蝕對耐久性的影響,實現(xiàn)橋梁的少維護(hù)和免維護(hù),降低橋梁的維護(hù)成本,一系列耐候橋梁鋼被研發(fā)并已在多座橋梁中得到應(yīng)用。
與國外耐候橋梁鋼研究與應(yīng)用相比,中國耐候橋梁鋼起步較晚,但近年來發(fā)展迅速,目前已有很多關(guān)于耐候鋼腐蝕行為和疲勞行為的研究。朱勁松等[12]通過調(diào)研國內(nèi)外文獻(xiàn),闡述了環(huán)境與荷載耦合作用下耐候鋼的腐蝕機(jī)理,耐候鋼腐蝕后的力學(xué)性能退化,以及耐候鋼橋設(shè)計理論和細(xì)節(jié)設(shè)計方法等內(nèi)容。宋志濤[13]以橋梁耐候鋼Q345qNH為研究對象,通過干濕交替加速腐蝕試驗,考察了Nb元素對橋梁耐候鋼耐蝕性能的影響,重點研究了橋梁耐候鋼在不同環(huán)境下的耐蝕性能及腐蝕行為。張烈[14]參照Q420級橋梁用耐候鋼標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%,0.21%,0.49%的3種不同Mo含量的耐候鋼板,進(jìn)行工業(yè)大氣環(huán)境和海洋大氣環(huán)境的室內(nèi)模擬干濕循環(huán)加速腐蝕試驗,研究了Mo含量對Q420級耐候橋梁鋼大氣腐蝕性能的影響。此外,橋梁結(jié)構(gòu)鋼服役期內(nèi),由于所處環(huán)境復(fù)雜、荷載作用不確定、服役時間長,使材料不斷劣化,局部損傷演化造成結(jié)構(gòu)劣化。因此橋梁結(jié)構(gòu)鋼的抗疲勞性能也是未來的重要發(fā)展方向。
目前主要研究和應(yīng)用的耐候橋梁鋼是420 MPa級高強(qiáng)鋼,其滿足-20 ℃/-40 ℃的低溫環(huán)境使用要求,主要服役環(huán)境是鄉(xiāng)村和工業(yè)大氣環(huán)境,預(yù)計使用壽命達(dá)100年左右。在橋梁鋼未來的發(fā)展中,將進(jìn)行550 MPa級和690 MPa級高性能鋼的耐候性能研究,對韌性的要求由滿足-20 ℃/-40 ℃逐漸向-60 ℃以及更低溫度發(fā)展;而使用環(huán)境也由鄉(xiāng)村/工業(yè)大氣環(huán)境不斷向海岸大氣和海洋大氣擴(kuò)展。在滿足使用環(huán)境的情況下,對耐候鋼的使用壽命要求不斷延長,預(yù)計將達(dá)到120年、150年甚至更久。
隨著橋梁結(jié)構(gòu)鋼的不斷發(fā)展,目前我國已經(jīng)研究和開發(fā)出690 MPa級的高強(qiáng)度橋梁鋼,并在江漢七橋和澳氹大橋形成初步示范應(yīng)用。隨著國家戰(zhàn)略和重大工程的規(guī)劃,我國將依托大型跨海通道等重大工程建設(shè),加速建設(shè)海洋強(qiáng)國;此外,對世紀(jì)工程川藏鐵路的建設(shè),在雅安至林芝段新建橋梁達(dá)114.22 km(93座),占線路長度的11.33%。未來橋梁建設(shè)條件會更復(fù)雜,規(guī)模尺度和自然災(zāi)害條件將顛覆以往工程范疇,同時橋梁建設(shè)將向大跨度、多元化等方向發(fā)展,這對橋梁用鋼提出了更高的要求,橋梁結(jié)構(gòu)鋼將朝著高性能、長壽命、輕型化和智能化的方向發(fā)展,實現(xiàn)橋梁行業(yè)“健康、綠色、長壽”。