2007年7月中國(guó)工程科學(xué)Jul.2007第9卷第7期engineeningVol 9 No. 7專(zhuān)題報(bào)告中國(guó)鋼橋潘際炎(鐵道科學(xué)研究院,北京100081)摘要]介紹了我國(guó)鋼橋的發(fā)展及國(guó)內(nèi)外的鋼橋比較;論述了建造鋼橋的鋼材及其要求的化學(xué)成分和物理力學(xué)性能。[關(guān)鍵詞]中國(guó)鋼橋;鋼材;鋼橋設(shè)計(jì);鋼橋結(jié)構(gòu)[中圖分類(lèi)號(hào)]U41;44;45[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]109-1742(200)07-018-091我國(guó)鋼橋的發(fā)展概況3128m鉚接米字形連續(xù)鋼桁梁(見(jiàn)圖1)11三個(gè)里程碑和新技術(shù)發(fā)展的新紀(jì)元我國(guó)鋼橋是在中華人民共和國(guó)建國(guó)后,在國(guó)外對(duì)我們實(shí)施經(jīng)濟(jì)、技術(shù)封鎖的情況下,自力更生成長(zhǎng)起來(lái)的。中國(guó)早在1889年就開(kāi)始了鐵路鋼橋的建設(shè),到現(xiàn)在已經(jīng)有100多年的歷史了,但在1949年前所建的鐵路鋼橋,標(biāo)準(zhǔn)雜亂,跨度都很小,建橋的鋼材是進(jìn)口的,結(jié)構(gòu)是鉚接的,采用的建造技術(shù)落后,工藝簡(jiǎn)陋,質(zhì)量低劣;稍大一點(diǎn)的橋梁如鄭洲黃河老橋和濟(jì)南濼口黃河橋等都是由外國(guó)商人圖1武漢長(zhǎng)江公鐵路大橋承建,自行設(shè)計(jì)建造的很少。自行設(shè)計(jì)建造有代表Fig 1 Wuhan Yangtze River railway and性的大橋只有1937年建成的浙贛鐵路錢(qián)塘江公鐵highway combined bridge路大橋,跨度為65.84m。1949年新中國(guó)成立后,各項(xiàng)建設(shè)蓬勃發(fā)展,20世紀(jì)60年代,為了連通京滬鐵路,決定修橋梁建設(shè)也不例外。但改革開(kāi)放以前,由于材料的建南京長(zhǎng)江大橋以取代南京輪渡。為解決無(wú)低合金原因,主要發(fā)展的是鐵路鋼橋。發(fā)展過(guò)程可以概括結(jié)構(gòu)鋼料的困難,鞍山鋼鐵公司于192年研制成為三個(gè)里程碑和一個(gè)新紀(jì)元。建國(guó)初期建橋用的材功16錳低合金高強(qiáng)度橋梁鋼(6Mnq),屈服點(diǎn)a料都要進(jìn)口,也沒(méi)有建造大型復(fù)雜橋梁的經(jīng)驗(yàn)。=340MPa,南京橋除少部分仍用原蘇聯(lián)已進(jìn)口的1956年由原蘇聯(lián)進(jìn)口低碳鋼材料并接受其技術(shù)指低合金鋼外,其余全部用國(guó)產(chǎn)鋼材代替了原定進(jìn)口導(dǎo),建成京廣鐵路武漢長(zhǎng)江公鐵路大橋,首次在長(zhǎng)的鋼材,當(dāng)時(shí)這些鋼的研制成功,十分鼓舞人心,江上實(shí)現(xiàn)了“一橋飛架南北,天塹變通途”。這是被稱(chēng)之為“爭(zhēng)氣鋼”。南京長(zhǎng)江大橋正橋鋼梁全長(zhǎng)在長(zhǎng)江上建造的第一座大橋,是我國(guó)橋梁史上第1576為降度10m鎦接米字形連續(xù)鋼桁個(gè)里程碑。武漢長(zhǎng)江大橋全長(zhǎng)1156m,橋跨結(jié)構(gòu)為梁。中國(guó)煤化工術(shù)力量和國(guó)產(chǎn)材料CNMHG收稿日期]2006-11-09;修回日期2007-05-09作者簡(jiǎn)介]潘際炎(1924-),男,江西瑞昌縣人,中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究員第7期潘際炎:中國(guó)鋼橋建成的長(zhǎng)江大橋,標(biāo)志著我國(guó)的建橋技術(shù)進(jìn)入到了后者取得了國(guó)家有關(guān)主管領(lǐng)導(dǎo)部門(mén)的同意。但采用個(gè)獨(dú)立自主的新水平,所以南京大橋的建成是我這一方案面臨的困難很多,當(dāng)時(shí)沒(méi)有制造大跨度焊國(guó)橋梁史上的第二個(gè)里程碑(見(jiàn)圖2)。接鋼梁的材料。原來(lái)造橋采用的16錳橋鋼,在材質(zhì)和規(guī)格上已不符合制造大跨度焊接鋼橋的需要。因這種鋼材的板厚效應(yīng)很大,鋼材的強(qiáng)度、韌性隨板厚的增加下降很快,用原來(lái)的16錳橋鋼建橋,鐵路單線(xiàn)桁梁橋最大跨度只可能達(dá)到112m。為此,鐵道部和原冶金部決定研究開(kāi)發(fā)15錳釩氮橋梁鋼(15 MnnG),其屈服點(diǎn)比16錳橋梁鋼高,a=420MPa。由于當(dāng)時(shí)鋼鐵冶煉及軋制設(shè)備落后,合金元素不全,前后經(jīng)歷了20多年研究。通過(guò)大量的焊接及力學(xué)性能試驗(yàn)和在北京密云建造白河試圖2南京長(zhǎng)江公鐵路大橋驗(yàn)橋(圖4)的工程實(shí)踐,優(yōu)化生產(chǎn)出了15錳釩Fig 2 Nanjing Yangtze River railway and氮C級(jí)正火橋梁鋼。這種鋼的板厚效應(yīng)小,板厚highway combined bridge56mm,焊接性及力學(xué)性均較好。在當(dāng)時(shí)的條下,取得如此的結(jié)果,確實(shí)非常不易,為改革開(kāi)放后鋼1965年為加快成昆鐵路的建設(shè),鐵道部和國(guó)橋材料、焊接制造工藝、設(shè)計(jì)理論發(fā)展奠定了基家科委組建鐵路栓焊鋼梁科研、設(shè)計(jì)、制造、安裝礎(chǔ)。當(dāng)時(shí)由于設(shè)備和資源原因,15錳釩氮C鋼的新技術(shù)攻關(guān)組,系統(tǒng)研究、發(fā)展了栓焊鋼橋新技降碳、脫硫、脫磷不夠,加人的合金元素Ⅴ與N術(shù)。1%65-1970年一舉建成13種不同結(jié)構(gòu)的栓焊也不理想,因此焊接工藝要求比較嚴(yán)格。有人形容鋼橋44座,達(dá)到了當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平,為加快說(shuō)這個(gè)鋼在焊接時(shí)既怕冷又怕熱。經(jīng)科研、設(shè)計(jì)成昆鐵路建設(shè)起了重要作用,更有意義的是從此結(jié)制造人員的艱苦努力,1993年用這種鋼建成了九束了我國(guó)使用近100年的鉚接鋼橋的歷史,為我國(guó)江長(zhǎng)江公鐵路大橋。該橋正橋鋼梁全長(zhǎng)1806m,主鋼橋技術(shù)發(fā)展開(kāi)創(chuàng)了新紀(jì)元。栓焊鋼橋比鉚接鋼橋跨是216m的剛性梁柔性拱,結(jié)構(gòu)雄偉壯觀(guān),橋形可節(jié)約鋼材12%~15%,可加快建橋速度,改善秀麗。從此我國(guó)用國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)度鋼材建造大跨度栓焊工人勞動(dòng)條件和結(jié)構(gòu)的傳力狀態(tài)。圖3即為我國(guó)第鋼橋,在材料、工藝、理論方面都沒(méi)有問(wèn)題了,徹座栓焊鋼橋—一成昆鐵路迎水村大橋。底地完成了鉚接鋼橋向栓焊鋼橋的過(guò)渡。這是我國(guó)鋼橋史上的第三個(gè)里程碑(圖5)圖3成昆鐵路迎水村大圖4北京密云水庫(kù)白河新鋼種試驗(yàn)大橋Fig 3 Chengkuen railway Yingshui Cun bridgFig 4 Baihe test bridge at Miyun Reservoir,Beijing, made of new kind steel20世紀(jì)70年代初,九江長(zhǎng)江公鐵路橋的建造方案有兩種:一是根據(jù)當(dāng)時(shí)的條件,主張?jiān)O(shè)計(jì)仍采12中國(guó)煤化工用南京橋相似的米字型鉚接鋼梁方案;另一種是九HCNMHG以橋的標(biāo)志性工程江橋應(yīng)當(dāng)比南京橋前進(jìn)一步,采用國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)度鋼建蕪湖長(zhǎng)江公鐵路大橋(圖6),由于航運(yùn)與空造一座高強(qiáng)、輕型、整體的栓焊接構(gòu)方案。最后是運(yùn)的凈空限制,采用的是矮塔斜拉橋,主桁為無(wú)豎中國(guó)工程科學(xué)第9卷圖5九江長(zhǎng)江公鐵路大橋Fig 5 Jiujiang Yangtze River railway and圖7漢江斜腿剛構(gòu)鐵路橋highway combined bridgeFig7 Rigid frame with inclined legsrailway bridge at hanjiang桿三角形桁架,桁高12m,節(jié)間長(zhǎng)度14m,最大跨度312m,正橋全長(zhǎng)2192.4m,這座橋與以前栓江上承提籃式鐵路拱橋,主跨236m(圖8)。在世焊結(jié)構(gòu)比較有幾個(gè)特點(diǎn):一是我國(guó)鋼鐵及鋼結(jié)構(gòu)焊界同類(lèi)鋼橋結(jié)構(gòu)中也位居首位。接制造業(yè)的進(jìn)步,采用了新開(kāi)發(fā)的14錳鈮正火橋梁鋼,這種鋼的韌性及可焊性好;二是在結(jié)構(gòu)上將散裝節(jié)點(diǎn)改為整體焊接節(jié)點(diǎn),栓焊結(jié)構(gòu)向全焊結(jié)構(gòu)水柏鐵路北盤(pán)江大橋發(fā)展進(jìn)了一步,反映了改革開(kāi)放后我國(guó)的鋼鐵工業(yè)與鋼橋制造業(yè)的大發(fā)展,可以加快施工速度,降低成本,提高工程質(zhì)量;三是將公路混凝土橋面通過(guò)主桁節(jié)點(diǎn)的焊接栓釘與主桁結(jié)合成整體。最初采用栓焊鋼橋時(shí),由于焊接技術(shù)落后,對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)也不足,所以在結(jié)構(gòu)中采用的栓較多,蕪湖橋由圖8北盤(pán)江上承提藍(lán)式鐵路拱橋于采用了整體節(jié)點(diǎn),受力焊縫增多,高強(qiáng)度螺栓用的較少了,這在栓焊結(jié)構(gòu)中是一進(jìn)步。8 The type of carring basket over deck railway為開(kāi)發(fā)漢江資源,1976年建成漢江斜腿剛構(gòu)bridge at Beipanjiang River橋(圖7),主跨176m,采用薄壁箱型結(jié)構(gòu),腹板當(dāng)今正在修建還有武漢天興洲長(zhǎng)江公鐵路大橋厚1⑩0m,高4400m,為保證腹板的穩(wěn)定,采用為鋼斜拉橋,橋上有4線(xiàn)鐵路6線(xiàn)公路,主跨504縱橫肋加強(qiáng)。這座橋技術(shù)先進(jìn),在世界同類(lèi)鋼橋結(jié)m;南京大勝關(guān)長(zhǎng)江公鐵路大橋?yàn)殍旒芄皹?橋上構(gòu)中居首位。4線(xiàn)鐵路2線(xiàn)城鐵,主跨335m。這些橋都將是結(jié)200年在紅軍長(zhǎng)征經(jīng)過(guò)的北盤(pán)江上建成北盤(pán)構(gòu)新穎,技術(shù)先進(jìn)的特大鐵路鋼橋,將來(lái)高速鐵路都將通過(guò)這些橋梁。13公路橋后來(lái)居上,趕超世界水平改革開(kāi)放前,由于鋼材的原因,公路橋梁建的較少。改革開(kāi)放后,有了鋼材,公路橋發(fā)展的非?？?。由于公路的動(dòng)荷載較小,主要是恒載,很適合斜拉橋和吊橋的發(fā)展,設(shè)計(jì)跨度發(fā)展很快,有代表性的7年首牛建成東費(fèi)黃河公路斜拉橋,主跨中國(guó)煤化工浦公路斜拉橋圖6蕪湖長(zhǎng)江公鐵路大橋主跨CNMH(峽公路懸索橋Fig 6 Wuhu Yangtze River railway and主跨990m;1997年建成香港青馬雙層公鐵(輕highway combined bridge軌)懸索橋,主跨1377m(圖10);199年建成的第7期潘際炎:中國(guó)鋼橋21江陰長(zhǎng)江公路懸索橋,主跨1385m(圖11);20041.4國(guó)內(nèi)外橋梁情況比較年建成上海盧浦橋,中承式系桿拱橋,主跨550目前,我國(guó)公路、鐵路橋梁的工程技術(shù)水平已m;即將建成的主要還有蘇通長(zhǎng)江斜拉橋,主跨達(dá)到了一定的高度。若要與國(guó)外鋼橋比較或處于什1088m;舟山西堠門(mén)懸索橋,主跨1650m;重慶朝么地位,不能簡(jiǎn)單地下斷語(yǔ)。為便于讀者分析,現(xiàn)天門(mén)長(zhǎng)江中乘式連續(xù)鋼桁系桿拱橋,主跨552m。將國(guó)內(nèi)建國(guó)后歷年修建的有代表性橋梁及國(guó)外現(xiàn)代鋼橋發(fā)展以來(lái)有代表性大跨度橋梁,根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式按建造的先后列表于1、表2。從兩表可以看出,建造最早的是簡(jiǎn)支梁式橋,簡(jiǎn)支梁式橋是橋梁結(jié)構(gòu)中最基本的結(jié)構(gòu)形式,根據(jù)跨度的不同有板梁、桁梁和箱梁。為擴(kuò)大跨度,由簡(jiǎn)支梁發(fā)展到伸臂梁橋、連續(xù)梁橋。再繼續(xù)發(fā)展就出現(xiàn)結(jié)合梁橋與組合梁橋。伸臂梁橋有錨孔、伸臂梁、和懸孔,主孔可以比簡(jiǎn)支梁橋大,是靜定結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)單,基礎(chǔ)下沉不影響上部結(jié)構(gòu)的受圖9東營(yíng)黃河公路大橋力,所以國(guó)外在早期懸臂梁橋使用的較多,缺點(diǎn)是Fig 9 Dongying Yellow River highway bridge伸臂梁與懸孔交接處結(jié)構(gòu)的變形不協(xié)調(diào),產(chǎn)生有折角,橋面不平順,逐漸被連續(xù)梁橋代替。連續(xù)梁橋是在人們認(rèn)識(shí)了鋼的彈性模量和彈性力學(xué)之后才出現(xiàn)的。我國(guó)橋梁發(fā)展建設(shè)中,已認(rèn)識(shí)到懸臂梁橋的缺點(diǎn),所以沒(méi)有采用過(guò)。結(jié)合梁是充分利用不同材料的性能,將其結(jié)合在一起,各自發(fā)揮不同材料的優(yōu)點(diǎn),以加強(qiáng)橋梁的承載能力。如混凝土橋面板與鋼梁結(jié)合,在運(yùn)營(yíng)中,混凝土橋面板承受壓力,鋼梁承受拉力,各自發(fā)揮混凝土受壓與鋼材受拉的優(yōu)點(diǎn),加大橋梁的承載能力。組合梁是用兩種不同的CHIC結(jié)構(gòu)組合為一個(gè)承載能力較大的結(jié)構(gòu)。如將拉索與梁或連續(xù)梁組合為一個(gè)結(jié)構(gòu)就成斜拉橋;將懸索、圖10香港青馬橋吊桿與梁組合為一個(gè)結(jié)構(gòu)就是吊橋;將拱與梁組合Fig 10 Qingma bridge, Hongkong就成為各種不同的系桿拱橋與拱橋。拱橋是一種弧形的承重結(jié)構(gòu),在荷載的作用下,支點(diǎn)處產(chǎn)生水平推力,使拱內(nèi)產(chǎn)生軸向壓力,并大大的減少跨中彎矩,跨越能力加大。西方鋼橋技術(shù)開(kāi)始于英國(guó)。1779年英國(guó)建筑師與煉鐵專(zhuān)家達(dá)比建成世界第一座鑄鐵拱橋。1840年美國(guó)惠普爾用鑄鐵和鍛鐵建成全鐵桁梁,1861年西門(mén)子和馬丁推廣用平爐煉鋼,1874-1883年美國(guó)首先用結(jié)構(gòu)鋼建成了依芝、布魯克林和格拉斯哥3座大橋。從表2可以看出,在囡際上現(xiàn)代鋼橋結(jié)構(gòu)形產(chǎn)在上世幻?年以前主要用的是簡(jiǎn)支梁、連續(xù)中國(guó)煤化工代以后由于生產(chǎn)圖11江陰長(zhǎng)江公路大橋高強(qiáng)CNMHG求,鋼絲索張拉技Fig. 1l Jiangyin Yangtze River highway bridge術(shù)有了很大的進(jìn)步,工程中原本就有而一度被淡忘的斜拉橋和懸索橋迅速發(fā)展起來(lái)了。淡忘的原因是22中國(guó)工程科學(xué)第9卷表11951年以后建成的主要鋼橋Table 1 Main bridges constructed after the founding of new China橋型主跨/m建成年代蘭新線(xiàn)河口黃河鐵路橋上承式鉚接簡(jiǎn)支鋼板梁32,01955建國(guó)后建成的黃河第一座橋武漢長(zhǎng)江公鐵路連續(xù)鉚接鋼桁梁128,0957建國(guó)后在長(zhǎng)江上建成的第一座大橋鄭州黃河鐵路新橋上承式雙線(xiàn)鉚接鋼板梁7孔40.01960取代了建國(guó)前建成的鄭州黃河老橋湘桂線(xiàn)浪江鐵路橋栓焊簡(jiǎn)支鋼桁梁1964栓焊試驗(yàn)橋成昆線(xiàn)迎水村鐵路橋剛性梁柔性拱栓焊鋼橋l12.0我國(guó)第一座大跨度栓焊鋼橋南京長(zhǎng)江公鐵路大橋連續(xù)鉚接鋼桁梁160.01968皮昆線(xiàn)三堆子金沙江鐵路橋簡(jiǎn)支鉚接鋼桁梁19201969我國(guó)當(dāng)前最大跨度的鐵路簡(jiǎn)支鉚接鋼桁梁橋沙通線(xiàn)白河鐵路橋連續(xù)栓焊鋼桁梁019076九江橋用低合金高強(qiáng)度鋼15 MnvNq試驗(yàn)橋安康漢江鐵路橋斜腿剛構(gòu)栓焊鋼橋l76.01906世界鐵路最大跨度斜腿剛構(gòu)橋九江長(zhǎng)江雙層公鐵路大橋剛性梁柔性拱橋216.0上海楊浦江公路橋鋼斜拉橋1994長(zhǎng)江西陵峽公路橋懸索橋香港青馬橋懸素橋,公鐵(城鐵)兩用1377.0江陰長(zhǎng)江公路橋思索橋1385.0蕪湖長(zhǎng)江公鐵路橋矮塔斜拉、板桁結(jié)合、整體節(jié)點(diǎn)栓焊鋼橋3120200.用新鋼種14MnN南京長(zhǎng)江二橋(公路)鋼斜拉橋628.0廣州了髻沙公路橋鋼管拱橋水柏鐵路北盤(pán)江橋上承式鋼管拱橋2002世界最大跨度鐵路鋼管拱橋榆懷線(xiàn)長(zhǎng)壽鐵路橋連贖鋼桁梁04日前鐵路最大連續(xù)梁上海盧浦公路橋鋼拱橋南京長(zhǎng)江三橋(公路)鋼斜拉橋6480潤(rùn)楊長(zhǎng)江公路大橋懸索橋M001490.0香港昂船洲公路大橋鋼斜拉橋10180修建中蘇通長(zhǎng)江公路大橋鋼斜拉橋10180修建中舟山西堠門(mén)公路大橋懸索橋1650.0修建中重慶朝天門(mén)長(zhǎng)江公鐵路大橋系桿拱橋552.0武漢天興洲長(zhǎng)江公鐵路大橋鋼斜拉橋504.0修建中四線(xiàn)鐵路六線(xiàn)公路南京大勝關(guān)公鐵路長(zhǎng)江大橋鋼桁拱3360修建中四線(xiàn)鐵路兩線(xiàn)城鐵早期建造斜拉橋與吊橋的鋼索強(qiáng)度不夠高,質(zhì)量不國(guó)外。但幾年后情況將會(huì)改變。重慶朝天門(mén)公鐵好,張拉技術(shù)也不好,使用不久,發(fā)生松弛變形出(城鐵)路大橋、武漢天興洲公鐵路大橋、南京大現(xiàn)病害。世界第一座現(xiàn)代公路斜拉橋是1955年在勝關(guān)公鐵路大橋建成后,除懸索橋外,其他結(jié)構(gòu)形瑞士建成的斯特羅姆海峽鋼斜拉橋,主跨為182.6式的橋均可列入世界前列。橋梁的跨度與承載能力m,后來(lái)修建的愈來(lái)愈多,跨度越來(lái)越大。我國(guó)現(xiàn)有關(guān)系,武漢天興洲長(zhǎng)江公鐵路大橋及南京大勝關(guān)代鋼橋技術(shù)和國(guó)外相比,起步晚了150多年,現(xiàn)代長(zhǎng)江公鐵路大橋都是多線(xiàn)的重載橋梁,它的跨度應(yīng)大跨度斜拉橋與懸索橋,我國(guó)比國(guó)外也晚了約30比照中國(guó)煤化工。多年,但發(fā)展很快。從表1與表2的比較可以看CNMHG始發(fā)展雖比國(guó)外出,簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋、箱梁橋在跨度上尚略小晚,但由于我國(guó)技術(shù)人員在近56年的建橋工作中于國(guó)外;系桿拱橋、斜拉橋及懸索橋暫時(shí)也稍低于先是本著自力更生,奮發(fā)圖強(qiáng)的精神,改革開(kāi)放后第7期潘際炎:中國(guó)鋼橋表2國(guó)外各式主要鋼橋最大跨度代表性橋梁Table 2 Representative bridges of the maximum2鋼橋的材料14-7span of different types abroa用鋼材制造橋梁,要經(jīng)過(guò)許多機(jī)械加工和焊接跨度建成工藝,制成的鋼橋,在使用中常年暴露于野外又要橋型(m)年份承受很大的靜、動(dòng)力荷載與沖擊荷載。因此制造橋美國(guó)施托維而橋鐵路連續(xù)鋼桁爨橋23631917梁選用的鋼材很?chē)?yán)格,既要能適應(yīng)制造工藝要求,2美國(guó)首都橋鐵路簡(jiǎn)支鋼桁梁橋21935197又要滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)使用要求。為了滿(mǎn)足鋼橋的制造和使3加拿大魁北克橋鐵路懸臂梁橋548.8197用需要,對(duì)用來(lái)造橋的鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能都公鐵(電車(chē))兩用鋼有嚴(yán)格規(guī)定。鋼的化學(xué)成分是指鋼中合金元素的多4澳大利悉尼港橋拱橋503.01932少,合金元素主要有碳、錳、硅及硫、磷。強(qiáng)度較德國(guó)科布倫次橋鐵路鋼箱梁橋13.01961高的鋼還加入有微量元素鉻。鋼的主要力學(xué)性能有6意大利斯法拉薩橋公路斜腿剛構(gòu)橋360192強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率、冷彎、沖擊韌性及時(shí)7美國(guó)切斯特286號(hào)橋公路簡(jiǎn)支鋼桁梁橋225193效等要求指標(biāo)。8巴西里約熱內(nèi)盧橋公路鋼箱梁橋300.01974我國(guó)常用結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度水平和國(guó)外基本一致,9日本港大橋公路懸臂鋼桁梁橋510.01974均為240~420MPa,強(qiáng)度更高的鋼在動(dòng)荷載較大的10美國(guó)新河谷公路橋公路鋼拱橋鋼橋中使用會(huì)受到一定的限制,在以往鋼橋中研究11英國(guó)恒比爾橋公路懸索橋1410.0i98較少。12亞美利亞阿拉斯加谷橋公鐵路鋼斜腿剛構(gòu)橋160.019812.1橋梁鋼材的化學(xué)成分13日本南備贊瀨湖橋公鐵路懸索橋最早的橋梁用鋼是碳素鋼,碳素鋼的屈伏點(diǎn)只14日本巖黑島橋公鐵兩用斜拉橋40198能達(dá)到235MPa。為加強(qiáng)屈服點(diǎn),由碳素鋼改為低5日本柜石島橋公鐵兩用斜拉橋420,01988合金鋼,低合金鋼是在碳素鋼的基礎(chǔ)上加入錳、硅16日本生月橋公路連續(xù)鋼桁梁400,0等,由于強(qiáng)度高于碳素鋼,所以稱(chēng)其為低合金高強(qiáng)公路斜拉橋(邊跨為度鋼。需要強(qiáng)度再提高,就加入微量金屬V,N17法國(guó)若曼底橋856.01995混凝土梁)Nb,T,Ni等。鋼中的化學(xué)成分和化學(xué)成分的多18德國(guó)動(dòng)物園橋公鐵路箱梁259.01996少不但影響鋼材的力學(xué)性能,且影響鋼的焊接性。19美國(guó)阿斯托利亞公路連續(xù)梁3761966現(xiàn)將我國(guó)常用的橋梁結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分和合金元素20日本與島橋鐵路連續(xù)鋼桁梁橋240198在鋼體中所起的作用介紹如下2】日本明石海峽橋公路懸索橋21.116Mnq鋼鋼的主要元素除鐵外,還有C,22日本多多羅橋公路斜拉橋Mn,Si,S,P5元素。S,P是雜質(zhì),C為0.12%23丹麥大帶橋公路懸索橋1624,019980.20%,平均為0.16%,故稱(chēng)其為16錳橋鋼鋼中的碳元素是用以提高鋼的強(qiáng)度,但成分不當(dāng)會(huì)又以引進(jìn)、吸收、創(chuàng)新的趕超意識(shí),不斷克服重重影響鋼的韌性和焊接。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),16錳橋鋼交貨的困難,推動(dòng)橋梁工程技術(shù)的前進(jìn),使我國(guó)橋梁的時(shí)的碳應(yīng)在中限,交貨狀態(tài)為熱軋狀態(tài)。碳高了焊結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)理論、用料、工藝均已達(dá)到了國(guó)際接就有困難,特別是同時(shí)S也高了,對(duì)焊接更不先進(jìn)水平。更可貴的是通過(guò)這5多年研究實(shí)踐已利。修建成昆鐵路焊接鋼橋時(shí),有300多噸16培養(yǎng)出了一支強(qiáng)大的橋梁科研、建設(shè)技術(shù)隊(duì)伍和建Mn鋼,由于含碳量均在0.18%以上,S也偏上成了一批具有強(qiáng)大研究、制造、施工能力設(shè)備機(jī)限,焊成的部件出現(xiàn)大量的裂紋,造成停產(chǎn)數(shù)月,構(gòu)。我國(guó)的地域遼闊,鐵路、公路要跨越的海灣經(jīng)研究采用了超低碳焊絲才得以解決。大江、大河、高山、深谷非常多,要修建的大橋還中國(guó)煤化工分是固溶存在,很多,預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)橋梁技術(shù)還會(huì)有更大的突部分樣能增大鋼的飛猛進(jìn)發(fā)展,尤其是在鋼材和鋼橋產(chǎn)品質(zhì)量方面會(huì)強(qiáng)度CNMH面收縮率,Mn并不有跳躍式的提高。會(huì)使韌性下降。在焊接中部分錳和硫形成MnS進(jìn)入熔渣中,可以減少硫化鐵低熔化合物的生成,在焊24中國(guó)工程科學(xué)第9卷縫冷卻時(shí),這些低熔點(diǎn)S化物的抗拉強(qiáng)度低,容易S化物的結(jié)晶形態(tài),雖對(duì)焊接熔合線(xiàn)有一定的改被焊接冷卻收縮力拉裂,這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱裂紋傾向。善,但不顯著。因?yàn)樵贑含量偏高引起焊后組織所以說(shuō)Mn在鋼材的焊接中可以脫S,改善S在鋼體脆化為主要矛盾的情況下,S的有害作用降居次要中晶粒的分布,減少硫化鐵低熔化合物的生成,減位置,所以首先要降C。少熱裂紋傾向。但S多了,焊接時(shí)又會(huì)引起鋼的硬含S量控制在0.01%左右,是為了大幅度提高脆冷裂,加劇焊縫的冷裂紋傾向。鋼的韌性,使低溫沖擊及時(shí)效沖擊性能提高,減少鋼水中加人硅,可以脫氧,在鋼體中呈固溶狀層狀撕裂傾向。態(tài)存在,它能增加鋼的強(qiáng)度,但會(huì)降低加工性和鍛合理地控制V,N,V與N是用來(lái)提高鋼材強(qiáng)造性。度的強(qiáng)化材料,但這兩種元素在基材中是以化合物磷是隨原料進(jìn)入鋼體的元素,隨含量的增加會(huì)狀態(tài)存在,通過(guò)對(duì)熱影響區(qū)的熱模擬試件化學(xué)微量使鋼變脆,鋼體中C的含量越大,P的影響越巨,分析,證明鋼體焊接加熱后,在熱影響區(qū)中形態(tài)發(fā)其中一部分呈固容狀態(tài),一部分以磷化鐵的形式存生變化,V,N的化合物又解體為固溶的V,N,在,好處是除增加強(qiáng)度外,還可以增加鋼的耐腐熱影響區(qū)中的固溶V,N增加,沖擊韌性下降。為蝕性。此,V,N含量在滿(mǎn)足強(qiáng)度的要求下,應(yīng)盡量地降16Mnq鋼的缺點(diǎn)是板厚效應(yīng)大,隨著板厚的低,N的含量不得大于0.03%,為使N充分的化增加,強(qiáng)度與韌性下降很快。在鐵路鋼橋設(shè)計(jì)中一合,VN值不小于10~12,含P量小于0.02%。塊24mm的鋼板增加到40mm厚,自重增加了加人微量T對(duì)優(yōu)化15 MnVNq鋼有好的影響667%,而承載強(qiáng)度只增加422%,強(qiáng)度的增加尚微量T在鋼中以TN形式存在,TN的熱溶解溫度不足補(bǔ)賞自重的增加。所以目前鐵路焊接桁梁能用1450℃高于鋼中v(C,N)的熱溶解溫度,V,N的最大板厚為24mm,板梁為32mm。用它來(lái)設(shè)計(jì)的熱溶解溫度為1050℃,焊接熱影響區(qū)的峰值為鐵路單線(xiàn)焊接鋼桁梁橋,采用三弦結(jié)構(gòu)也只能達(dá)到1350℃,這樣可以減少熱影響區(qū)中的V,N固溶112m。體,改善熱影響區(qū)的沖擊韌性與時(shí)效。21.215 MnnG鋼上世紀(jì)20年代因建九江橋根據(jù)可焊性研究,并參考國(guó)外的數(shù)據(jù),其標(biāo)準(zhǔn)需要,當(dāng)時(shí)根據(jù)國(guó)內(nèi)礦產(chǎn)資源決定在生產(chǎn)16Mmq一般規(guī)定如下:鋼的基礎(chǔ)上加入微量的v與N,并降低C,S,P,含碳量C≤0.16%,焊接性能好;>0.18%,鋼板熱軋后正火,降低一些強(qiáng)度以提高鋼的韌性,容易發(fā)生裂紋。開(kāi)發(fā)出15MnV№q鋼。為保證鋼材、鋼材焊接及其碳當(dāng)量C≤0.4%,可焊性好;>0.48%焊后的韌性,要求其含C量控制在0.16%以下,不易焊接以降低冷裂紋敏感傾向,既能改善鋼的可焊性,又焊接冷裂紋系數(shù)P≤0.28%,WES對(duì)調(diào)質(zhì)鋼可滿(mǎn)足發(fā)揮降低S提高韌性的必須條件。降S可改的規(guī)定(日本焊接學(xué)會(huì))善鋼材的各向異性,提高鋼材的韌性,但含S量對(duì)九江橋的鋼料分A,B,C三種,受拉與受疲鋼材韌性的影響和鋼中含碳量的多少有關(guān)。在含C勞控制的桿件都用C鋼,即15 MnVNq- C鋼,其化量較高的15 MnNG鋼,降低鋼中的含S量或改善學(xué)成分與力學(xué)示如下表3,表4表3九江橋用料的化學(xué)成分(%)Table 3 The chemical components of the steel used in Jiujiang bridge成分/%sPN原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定≤0.161,3-1.70.2~0.6≤0.015≤0.0200.10-0.160.01-0.015最大0.l80.550,018最小0.25中國(guó)煤化工平均0.15850.3978HECNMHG0.0122標(biāo)準(zhǔn)差0.06990.00400.0075第7期潘際炎:中國(guó)鋼橋25表4九江橋鋼料的力學(xué)性能響區(qū)的力學(xué)性能變化有不同的特點(diǎn),使用前對(duì)焊接Table 4 The mechanical properties of the steel線(xiàn)能量和熱整形的溫度大小,應(yīng)通過(guò)經(jīng)詳細(xì)試驗(yàn)used in Jiujiang bridge確定。低溫沖擊時(shí)效21.314MnNb鋼16Mnq是屈服強(qiáng)度340MPa項(xiàng)目MPa /MPaacm12a/m2等級(jí)的鋼,在鋼橋中應(yīng)用很廣,由于l6Mnq又存原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定≥412≥549在有韌性差、板厚效應(yīng)大等缺點(diǎn)。上世紀(jì)90年代213.3為修建蕪湖長(zhǎng)江大橋研究開(kāi)發(fā)了14 MnNbq鋼。根410550據(jù)經(jīng)驗(yàn),研究開(kāi)發(fā)的思路就是降碳,降硫和降磷,平均4497606.823.1用鈮代釩與氮,并限制鈮的含量。這種低碳化微合標(biāo)準(zhǔn)差26.6305金高強(qiáng)度鋼也正是世界先進(jìn)國(guó)家結(jié)構(gòu)鋼發(fā)展的方耐低溫沖擊系數(shù)a,指在-40℃的數(shù)據(jù)向。低碳可以改善鋼的焊接性能,降硫與磷可以提高鋼的韌性、可焊性。為提高韌性,采用正火狀態(tài)從上述兩表可以看出,C,S,V,N平均值都交貨。經(jīng)過(guò)正火后,母材的的韌性提高了,但焊接滿(mǎn)足要求,但最大值超出了要求,故產(chǎn)品中有部分的線(xiàn)能量受到一定的限制,通常不得大于鋼材的C,S、碳當(dāng)量、焊接冷裂紋系數(shù)在較佳范圍之上,所以焊接性不是很好,預(yù)熱溫度要求較通常鋼材經(jīng)過(guò)焊接,熱影響區(qū)的韌性會(huì)下降高,線(xiàn)能量要求較小,層間溫度要求較低。對(duì)接焊縫韌性下降約30%~40%,角接焊縫韌性為保證橋的質(zhì)量,科研、設(shè)計(jì)、制造人員花費(fèi)下降約50%,對(duì)接時(shí)效韌性下降也約50%。橋梁了大量的時(shí)間與精力,于1993年將九江橋建成。的焊接質(zhì)量要求是焊縫(包括焊縫金屬與熱影響這不僅是用國(guó)產(chǎn)新鋼材建成了九江新型的栓焊大區(qū))的力學(xué)性能不低于母材,因此母材交貨時(shí)的韌橋,而且為改革開(kāi)放后的高強(qiáng)度橋梁用鋼和鋼橋的性必須高出標(biāo)準(zhǔn)值的一倍以上。在國(guó)外生產(chǎn)的鋼發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。材,產(chǎn)品實(shí)物的韌性值一般均高于規(guī)范規(guī)定2~3根據(jù)15 Mnng鋼的科研生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),碳當(dāng)量較倍,所以用這種材料焊接,執(zhí)行焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定高的低合金高強(qiáng)度鋼C的最佳上限應(yīng)為0.12%沒(méi)有問(wèn)題。我國(guó)鋼鐵的生產(chǎn),質(zhì)量還不均恒,這也與P分別為001%,0.02%,強(qiáng)化用的微合金可考正是我國(guó)鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)當(dāng)努力提高的注意點(diǎn),故慮改為№b,T,微合金加入量有待進(jìn)一步研究,鐵路橋規(guī)有母材交貨技術(shù)條件規(guī)定,根據(jù)板厚要求其最大加入量建議為:V≤0.0%,№≤0.03%,不得低于100-120J,Nb的加入量不大于003%。T≤0.02%,當(dāng)今的設(shè)備、技術(shù),更進(jìn)一步優(yōu)化此正火時(shí)要注意采取措施保證鋼板表面質(zhì)量。鋼種巳完全具備了條件21.4其他國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào)第一個(gè)字母Q是代表15 MnnG鋼相當(dāng)于國(guó)標(biāo)(GBT74-2000的屈服點(diǎn),第二個(gè)數(shù)字是代表鋼的屈服點(diǎn)大小,第三10q-E,交貨狀態(tài)為正火。熱軋鋼是通過(guò)一般個(gè)字q是代表橋梁用鋼。屈服點(diǎn)數(shù)值是板厚16mm鋼鐵在高溫下用軋制工藝生產(chǎn)的鋼。將熱軋鋼送入的。隨板厚的增加,屈服點(diǎn)下降。在九江橋鋼料開(kāi)正火爐加熱到某一相變點(diǎn)溫度(950℃),經(jīng)過(guò)一發(fā)研究時(shí),原計(jì)劃開(kāi)發(fā)研究屈服點(diǎn)為40MPa的,定時(shí)間,鋼體組織發(fā)生變化,移出正火爐放在冷床板厚按橋規(guī)規(guī)定用到50mm,由于遇到困難,將屈上,在靜止的大氣中連續(xù)冷卻可以使鋼體的晶粒變服點(diǎn)改為420MPa,截面板厚改為56mm。當(dāng)前建細(xì),組織變均勻,提高韌性,強(qiáng)度會(huì)減低一些,經(jīng)造的大橋很多,在橋梁用鋼的研究中,建議對(duì)過(guò)正火處理,鋼的韌性可以提高。熱軋鋼與正火鋼Q450q及Q500q的鋼材開(kāi)發(fā)研究。的焊接性不相同,熱軋鋼焊接線(xiàn)能量大些,正火鋼2.2橋梁鋼材的力學(xué)性能的焊接線(xiàn)能量要求小些。如熱軋鋼16Mnq焊接線(xiàn)2.2.1中國(guó)煤化節(jié)標(biāo),即彈性極限能量可以用至42kcm,而正火鋼15 MnnG的焊a。橋梁在使用接線(xiàn)能量只可以用到32kJcm。今后隨著鋼鐵工業(yè)時(shí)CNMH被破壞而且變形的發(fā)展,還會(huì)有不同軋制生產(chǎn)鋼材的工藝,如調(diào)質(zhì)小。鋼的彈性極限及屈服點(diǎn)應(yīng)力越高,表示在不發(fā)鋼、控軋鋼等。不同狀態(tài)的鋼,在焊接時(shí)焊接熱影·生塑性變形的條件下能承受的應(yīng)力越大。當(dāng)外加應(yīng)中國(guó)工程科學(xué)第9卷力達(dá)到屈服點(diǎn)應(yīng)力,部件就產(chǎn)生塑性變形,繼續(xù)加行沖擊試驗(yàn),經(jīng)分析認(rèn)為發(fā)生裂紋、斷裂處的鋼板大應(yīng)力達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度,鋼材就斷裂破壞,抗拉在使用溫度時(shí),沖擊功低于21J(15呎·磅)。根據(jù)極限強(qiáng)度越高,抵抗破壞荷載的能力也就越大。橋這一試驗(yàn)結(jié)論,乃在規(guī)范中規(guī)定結(jié)構(gòu)用鋼的低溫沖梁的設(shè)計(jì)應(yīng)力是按屈服點(diǎn)應(yīng)力除以安全系數(shù)17,擊功不低于21J(15呎·磅)。其他國(guó)家也都仿效采橋梁的破壞安全系數(shù)不應(yīng)低于22~2.5。所以在橋用這一規(guī)定值。上世紀(jì)70年代斷裂力學(xué)有了發(fā)展,梁選材的時(shí)候,不僅要注意屈服點(diǎn)和拉力極限強(qiáng)各國(guó)紛紛用斷裂力學(xué)理論研究橋梁鋼結(jié)構(gòu)的防斷度,而且要分析其屈強(qiáng)比不得大于0.7-075。取得了不少成果,根據(jù)研究的成果和各自國(guó)家的情222塑性鋼的塑性變形能力包括伸長(zhǎng)率、斷況,編寫(xiě)了自己的規(guī)范,但規(guī)定各不相同。我國(guó)最面收縮率和冷彎。伸長(zhǎng)率、斷面收縮率是鋼對(duì)結(jié)構(gòu)早橋規(guī)對(duì)鋼材規(guī)定的沖擊值是引進(jìn)原蘇聯(lián)的,用夏的安全指標(biāo)。因?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)中有局部應(yīng)力集中或有比U試件,沖擊試件是U形缺口,取樣為鋼板軋殘余應(yīng)力處,其值可能超過(guò)屈服點(diǎn)應(yīng)力。伸長(zhǎng)率及制的橫向,單位為kgm/cm2,規(guī)定值為3.5kg:m斷面收縮率高的材料可以通過(guò)塑性變形使應(yīng)力重新cm2。西方英、美各國(guó)都使用夏比Ⅴ試件,沖擊試分布,避免引起結(jié)構(gòu)的局部破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的件是形缺口,取樣為鋼板軋制的縱向,規(guī)定值失效。冷彎是檢査鋼材承受規(guī)定彎曲程度的彎曲變根據(jù)鋼材的等級(jí)和橋梁的環(huán)境溫度確定。我國(guó)在改形性能,同時(shí)通過(guò)冷彎能顯示鋼板中是否有缺陷。革開(kāi)放后,為與世界接軌,低溫沖擊韌性規(guī)定也由冷彎性能好的材料,有利于制造,它是一個(gè)工藝指夏比U改為夏比v。鋼材在冷加工變形后,隨使用標(biāo),也是一個(gè)質(zhì)量指標(biāo),但主要的還是質(zhì)量指標(biāo)。年限的加長(zhǎng),會(huì)發(fā)生老化,表現(xiàn)為鋼材變脆,沖擊通過(guò)冷彎可以考驗(yàn)鋼板中有沒(méi)有夾碴或分層。功下降,為檢驗(yàn)鋼材的抗老化性能,還要進(jìn)行時(shí)效223低溫沖擊與時(shí)效鋼材的韌性對(duì)橋梁的安沖擊檢驗(yàn),試件原材料經(jīng)拉伸10%,保溫200℃一全是十分重要的。尤其是鐵路鋼橋承受的動(dòng)載荷很小時(shí),制成夏比V試件,在常溫下進(jìn)行沖擊試驗(yàn),大,如果結(jié)構(gòu)的構(gòu)造細(xì)節(jié)不好,或材料使用不當(dāng),常溫沖擊功不得低于低溫沖擊要求值制造質(zhì)量有缺陷,在使用中就容易產(chǎn)生疲勞裂紋,隨著裂紋的擴(kuò)展,部件承受載荷的有效面積減小,參考文獻(xiàn)剩余面積上的應(yīng)力就增加,直到剩余面積達(dá)到不足[1]中國(guó)鐵路橋梁史編委會(huì)主編中國(guó)鐵路橋粱史M以支承所加載荷時(shí),就會(huì)產(chǎn)生斷裂。最后的斷裂可北京:中國(guó)鐵道出版社,1987大學(xué)能是塑性破壞,也可能是脆性破壞。斷裂破壞多發(fā)2]項(xiàng)海帆等主編中國(guó)橋梁畫(huà)冊(cè)M上海:同濟(jì)大生在環(huán)境溫度低,加載速度快等條件下。要防止斷出版社,1993裂發(fā)生,須注意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)造細(xì)節(jié)的優(yōu)化、鋼材[3]萬(wàn)明坤等主編橋梁漫筆[M]中國(guó)鐵道出版社,9的選擇、焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定等。選擇鋼材和規(guī)定[4]潘際炎栓焊鋼梁的研究[M].北京:中國(guó)鐵道出版焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)是鋼材和焊縫金屬的沖擊韌[5]九江長(zhǎng)江大橋技術(shù)總結(jié)武漢:武漢測(cè)繪科技大學(xué)出性,橋規(guī)規(guī)定的為夏比沖擊功。最早對(duì)鋼材的沖擊版社,1996功規(guī)定是從經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)得到的。第二次世界大戰(zhàn)期[6]橋梁用結(jié)構(gòu)鋼BGT714-200間,美國(guó)有100多艘運(yùn)輸艦發(fā)生裂紋與斷裂,為查[7]蕪湖長(zhǎng)江大橋鋼梁制造技術(shù)北京:科學(xué)出版社明原因,研究人員將船舶發(fā)生裂紋、斷裂處鋼板進(jìn)Steel Bridges in ChinaPan JiyaiChina academy of railway Sciences中國(guó)煤化工[ Abstract] This paper contains a brief introduction of thCNMHGridges at home andabroad. It also introduces the characteristic requiremens of the material used in steel bridgesI Key words] steel brigde in China; steel materials; design of steel brigde; structure of steel bridge