我国桥梁用钢的发展历程

我国桥梁用钢的发展历程我国钢桥是在中华人民共和国建国后，在国外对我们实施经济、技术封锁的情况下，自力更生成长起来的。中国早在1889年就开始了铁路钢桥的建设，到现在已经有100多年的历史了，但在1949年前所建的铁路钢桥，标准杂乱，跨度都很小，建桥的钢材是进口的，结构是铆接的，采用的建造技术落后，工艺简陋，质量低劣；稍大一点的桥梁如郑州黄河老桥和济南泺口黄河桥等都是由外国商人承建，自行设计建造的很少。自行设计建造有代表性的大桥只有1937年建成的浙赣铁路钱塘江公铁路大桥（主跨65.84m，全长1453m），是我国自行设计、建造的第一座双层铁路、公路两用桥。但是钱塘江桥正桥主桁钢材是由英国DormanLong公司1935年出品，主要化学成份为C0.3%，Mn0.7~1.0%，Si0.2%，Cr0.7~1.1%，Cu0.25~0.5%。钢材抗拉屈服极限362.2MPa。1957年，借助前苏联专家的技术和材料，中国建造完成了武汉长江公铁两用大桥。桥梁全长1155.5m，主跨128m，首次在长江上实现了“一桥飞架南北，天堑变通途”。这是在长江上建造的第一座大桥，是我国桥梁史上第一个里程碑。该桥所用钢材为苏联生产的A3钢（即Q235）。20世纪60年代，为了连通京沪铁路，决定修建南京长江大桥以取代南京轮渡。为解决无低合金结构钢料的困难，鞍山钢铁公司于1962年研制成功16锰低合金高强度桥梁钢（16Mnq），屈服点σs＝340MPa，南京桥除少部分仍用原苏联已进口的低合金钢外，其余全部用国产钢材代替了原定进口的钢材，当时这些钢的研制成功，十分鼓舞人心，被称之为“争气钢”。20世纪70年代初，九江长江公铁路桥决定采用国产高强度钢建造一座高强、轻型、整体的栓焊接构方案。但采用这一方案面临的困难很多，当时没有制造大跨度焊接钢梁的材料。原来造桥采用的16锰桥钢，在材质和规格上已不符合制造大跨度焊接钢桥的需要。因这种钢材的板厚效应很大，钢材的强度、韧性随板厚的增加下降很快，用原来的16锰桥钢建桥，铁路单线桁梁桥最大跨度只可能达到112m。为此，铁道部和原冶金部决定研究开发15锰钒氮桥梁钢（15MnVNq），其屈服点比16锰桥梁钢高，σs＝420MPa。由于当时钢铁冶炼及轧制设备落后，合金元素不全，前后经历了20多年研究。通过大量的焊接及力学性能试验和在北京密云建造白河试验桥的工程实践，优化生产出了15锰钒氮C级正火桥梁钢。这种钢的板厚效应小，板厚56mm，焊接性及力学性均较好。经科研、设计、制造人员的艰苦努力，1993年用这种钢建成了九江长江公铁路大桥。该桥正桥钢梁全长1806m，主跨是216m的刚性梁柔性拱，结构雄伟壮观，桥形秀丽。20世纪90年代初，铁路桥梁建设面临芜湖长江的建设，主跨达312米。桥梁钢问题显得愈加突出。为此大桥局和武钢联合共同开发了大跨度铁路桥梁用钢14MnNbq。该钢采用降碳加铌和超纯净的冶金方法，并通过铌的微合金化作用进行控制轧制，保证了屈服强度σs≥340MPa的基础上，具有优异的-4022低温冲击韧性（芜湖桥标准要求-40℃，Akv≥120J）。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32-50mm厚钢板。芜湖桥建设后，14MnNbq钢材全面满足了铁路桥梁建设的需要。如2009年建成的世界上最大的公铁两用桥--武汉天兴洲长江大桥，它采用的钢材就是高韧性、抗层裂14MnNbq（Q345）。进入新世纪以来，我国桥梁建设又有了新的飞跃。桥梁的跨径继续扩大，列车通过时速不断提高。尤其是京沪高速铁路南京大胜关长江大桥的建设，继续使用传统的14MnNbq钢已经满足不了其设计和施工要求。为此，铁道部和武钢联合开发了国内第五代铁路桥梁用钢WNQ570。该钢采用国际上最新的HPS设计理念，以超低碳贝氏体（ULCB）为设计主线，采用TMCP工艺组织生产，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（σs≥570MPa）、高韧性（-40℃，Akv≥120J），较低的屈强比和优异的焊接性（Pcm≤0.20），其实物性能水平达到了国际同类钢种的先进水平。国内外用钢水平比较数量上：如下表质量上：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（HighPerformanceSteel,HPS）的概念，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ASTM709中的HSP-70W钢、HPS-100W钢和日本的SMA570W系列钢等。而我国目前正在大力研发高性能桥梁用钢（HPS），以适应国内外桥梁工程的发展要求。主要有高强度桥梁用钢、高效焊接桥梁用钢、耐候钢、低屈强比桥梁用钢。目前已经有部分钢种成功取得工程应用。随着经济节约型与环境友好型社会的发展，人们越来越重视耐候钢在桥梁中的应用，因此，耐候桥梁钢的发展带来了广阔的机遇。耐候钢在日本的桥梁建设中被广泛采用,目前约占到全部钢桥的10%。但是在使用过程中发现一般耐候钢抵御盐腐蚀的能力较差,为此,新日铁开发出不含铬含3%镍的耐盐桥梁用耐候钢;NKK公司开发了含1.5%镍、0.3%钼的海岸用耐候钢。同时,日本有关钢厂还开发出异型(变)截面钢板,即LP钢板,并在桥梁中应用。LP钢板自1995年开始在日本的桥梁中使用,到1998年约有2000t的LP钢板用于14座桥梁。采用LP钢板建造桥梁,合理选择板厚,可以减轻结构的质量,减少焊接的数量。美国在20世纪90年代开发出了耐候、符合三区韧性要求且焊接性能有明显改善的HPS250W、HPS270W和HPS2100W系列高性能钢。目前,HPS系列钢已经在如宾夕法尼亚州福特城大桥、田纳西州马丁河克里克湾大桥等桥梁中应用。我国耐候钢的研制始于年60代初,当时铁道部向冶金部提出仿制Corten牌号的耐候钢,1965年试制出09Mn2Cu薄钢板。1967年用武钢生产的09MnCuPTi等两种牌号的耐候钢制造了两辆P61型试验棚车,经过18年的运行,在1985年厂修时检查发现,两种耐候钢的防腐能力均比普通碳素钢高2～3倍。国家新一期973重大基础研究也要求低成本、高性能、长寿命,一些学者提出了经济耐候钢的概念。下表为耐候钢的发展历程参考文献邹德辉，郭爱民，（武汉钢铁（集团）公司研究院，湖北武汉，430080）《武钢桥梁用钢的发展》；潘际炎，（铁道科学研究院，北京100081），《中国钢桥》；《铁道建筑》，1980年09期；郭爱民，（武汉钢铁（集团）公司研究院，湖北武汉，430080）《我国铁路桥梁用钢的发展现状及展望》；张全成,吴建生，《耐候钢的研究与发展现状》，材料导报；于千，(首钢迁安钢铁有限责任公司热轧厂,河北迁安064404)《耐候钢发展现状及展望》。