中國鋼橋

2007年7月中國工程科學(xué)Jul.2007第9卷第7期engineeningVol 9 No. 7專(zhuān)題報告中國鋼橋潘際炎(鐵道科學(xué)研究院,北京100081)摘要]介紹了我國鋼橋的發(fā)展及國內外的鋼橋比較;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]中國鋼橋;鋼材;鋼橋設計;鋼橋結構[中圖分類(lèi)號]U41;44;45[文獻標識碼]A[文章編號]109-1742(200)07-018-091我國鋼橋的發(fā)展概況3128m鉚接米字形連續鋼桁梁(見(jiàn)圖1)11三個(gè)里程碑和新技術(shù)發(fā)展的新紀元我國鋼橋是在中華人民共和國建國后,在國外對我們實(shí)施經(jīng)濟、技術(shù)封鎖的情況下,自力更生成長(cháng)起來(lái)的。中國早在1889年就開(kāi)始了鐵路鋼橋的建設,到現在已經(jīng)有100多年的歷史了,但在1949年前所建的鐵路鋼橋,標準雜亂,跨度都很小,建橋的鋼材是進(jìn)口的,結構是鉚接的,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南濼口黃河橋等都是由外國商人圖1武漢長(cháng)江公鐵路大橋承建,自行設計建造的很少。自行設計建造有代表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年新中國成立后,各項建設蓬勃發(fā)展,20世紀60年代,為了連通京滬鐵路,決定修橋梁建設也不例外。但改革開(kāi)放以前,由于材料的建南京長(cháng)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)程可以概括結構鋼料的困難,鞍山鋼鐵公司于192年研制成為三個(gè)里程碑和一個(gè)新紀元。建國初期建橋用的材功16錳低合金高強度橋梁鋼(6Mnq),屈服點(diǎn)a料都要進(jìn)口,也沒(méi)有建造大型復雜橋梁的經(jīng)驗。=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,其余全部用國產(chǎn)鋼材代替了原定進(jìn)口導,建成京廣鐵路武漢長(cháng)江公鐵路大橋,首次在長(cháng)的鋼材,當時(shí)這些鋼的研制成功,十分鼓舞人心,江上實(shí)現了“一橋飛架南北,天塹變通途”。這是被稱(chēng)之為“爭氣鋼”。南京長(cháng)江大橋正橋鋼梁全長(cháng)在長(cháng)江上建造的第一座大橋,是我國橋梁史上第1576為降度10m鎦接米字形連續鋼桁個(gè)里程碑。武漢長(cháng)江大橋全長(cháng)1156m,橋跨結構為梁。中國煤化工術(shù)力量和國產(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,中國鐵道科學(xué)研究院研究員第7期潘際炎:中國鋼橋建成的長(cháng)江大橋,標志著(zhù)我國的建橋技術(shù)進(jìn)入到了后者取得了國家有關(guān)主管領(lǐng)導部門(mén)的同意。但采用個(gè)獨立自主的新水平,所以南京大橋的建成是我這一方案面臨的困難很多,當時(shí)沒(méi)有制造大跨度焊國橋梁史上的第二個(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很大,鋼材的強度、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。由于當時(shí)鋼鐵冶煉及軋制設備落后,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)性能試驗和在北京密云建造白河試圖2南京長(cháng)江公鐵路大橋驗橋(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級正火橋梁鋼。這種鋼的板厚效應小,板厚highway combined bridge56mm,焊接性及力學(xué)性均較好。在當時(shí)的條下,取得如此的結果,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,鐵道部和國橋材料、焊接制造工藝、設計理論發(fā)展奠定了基家科委組建鐵路栓焊鋼梁科研、設計、制造、安裝礎。當時(shí)由于設備和資源原因,15錳釩氮C鋼的新技術(shù)攻關(guān)組,系統研究、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種不同結構的栓焊也不理想,因此焊接工藝要求比較嚴格。有人形容鋼橋44座,達到了當時(shí)的國際先進(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、設計成昆鐵路建設起了重要作用,更有意義的是從此結制造人員的艱苦努力,1993年用這種鋼建成了九束了我國使用近100年的鉚接鋼橋的歷史,為我國江長(cháng)江公鐵路大橋。該橋正橋鋼梁全長(cháng)1806m,主鋼橋技術(shù)發(fā)展開(kāi)創(chuàng )了新紀元。栓焊鋼橋比鉚接鋼橋跨是216m的剛性梁柔性拱,結構雄偉壯觀(guān),橋形可節約鋼材12%~15%,可加快建橋速度,改善秀麗。從此我國用國產(chǎn)高強度鋼材建造大跨度栓焊工人勞動(dòng)條件和結構的傳力狀態(tài)。圖3即為我國第鋼橋,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北京密云水庫白河新鋼種試驗大橋Fig 3 Chengkuen railway Yingshui Cun bridgFig 4 Baihe test bridge at Miyun Reservoir,Beijing, made of new kind steel20世紀70年代初,九江長(cháng)江公鐵路橋的建造方案有兩種:一是根據當時(shí)的條件,主張設計仍采12中國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以橋的標志性工程江橋應當比南京橋前進(jìn)一步,采用國產(chǎn)高強度鋼建蕪湖長(cháng)江公鐵路大橋(圖6),由于航運與空造一座高強、輕型、整體的栓焊接構方案。最后是運的凈空限制,采用的是矮塔斜拉橋,主桁為無(wú)豎中國工程科學(xué)第9卷圖5九江長(cháng)江公鐵路大橋Fig 5 Jiujiang Yangtze River railway and圖7漢江斜腿剛構鐵路橋highway combined bridgeFig7 Rigid frame with inclined legsrailway bridge at hanjiang桿三角形桁架,桁高12m,節間長(cháng)度14m,最大跨度312m,正橋全長(cháng)2192.4m,這座橋與以前栓江上承提籃式鐵路拱橋,主跨236m(圖8)。在世焊結構比較有幾個(gè)特點(diǎn):一是我國鋼鐵及鋼結構焊界同類(lèi)鋼橋結構中也位居首位。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;二是在結構上將散裝節點(diǎn)改為整體焊接節點(diǎn),栓焊結構向全焊結構水柏鐵路北盤(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)主桁節點(diǎn)的焊接栓釘與主桁結合成整體。最初采用栓焊鋼橋時(shí),由于焊接技術(shù)落后,對焊接結構的認識也不足,所以在結構中采用的栓較多,蕪湖橋由圖8北盤(pán)江上承提藍式鐵路拱橋于采用了整體節點(diǎn),受力焊縫增多,高強度螺栓用的較少了,這在栓焊結構中是一進(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bridge at Beipanjiang River橋(圖7),主跨176m,采用薄壁箱型結構,腹板當今正在修建還有武漢天興洲長(cháng)江公鐵路大橋厚1⑩0m,高4400m,為保證腹板的穩定,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。這座橋技術(shù)先進(jìn),在世界同類(lèi)鋼橋結m;南京大勝關(guān)長(cháng)江公鐵路大橋為桁架拱橋,橋上構中居首位。4線(xiàn)鐵路2線(xiàn)城鐵,主跨335m。這些橋都將是結200年在紅軍長(cháng)征經(jīng)過(guò)的北盤(pán)江上建成北盤(pán)構新穎,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,設計跨度發(fā)展很快,有代表性的7年首牛建成東費黃河公路斜拉橋,主跨中國煤化工浦公路斜拉橋圖6蕪湖長(cháng)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:中國鋼橋21江陰長(cháng)江公路懸索橋,主跨1385m(圖11);20041.4國內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(cháng)江斜拉橋,主跨達到了一定的高度。若要與國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,現天門(mén)長(cháng)江中乘式連續鋼桁系桿拱橋,主跨552m。將國內建國后歷年修建的有代表性橋梁及國外現代鋼橋發(fā)展以來(lái)有代表性大跨度橋梁,根據不同的結構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)支梁式橋是橋梁結構中最基本的結構形式,根據跨度的不同有板梁、桁梁和箱梁。為擴大跨度,由簡(jiǎn)支梁發(fā)展到伸臂梁橋、連續梁橋。再繼續發(fā)展就出現結合梁橋與組合梁橋。伸臂梁橋有錨孔、伸臂梁、和懸孔,主孔可以比簡(jiǎn)支梁橋大,是靜定結構,設計計算簡(jiǎn)單,基礎下沉不影響上部結構的受圖9東營(yíng)黃河公路大橋力,所以國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構的變形不協(xié)調,產(chǎn)生有折角,橋面不平順,逐漸被連續梁橋代替。連續梁橋是在人們認識了鋼的彈性模量和彈性力學(xué)之后才出現的。我國橋梁發(fā)展建設中,已認識到懸臂梁橋的缺點(diǎn),所以沒(méi)有采用過(guò)。結合梁是充分利用不同材料的性能,將其結合在一起,各自發(fā)揮不同材料的優(yōu)點(diǎn),以加強橋梁的承載能力。如混凝土橋面板與鋼梁結合,在運營(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結構組合為一個(gè)承載能力較大的結構。如將拉索與梁或連續梁組合為一個(gè)結構就成斜拉橋;將懸索、圖10香港青馬橋吊桿與梁組合為一個(gè)結構就是吊橋;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構,在荷載的作用下,支點(diǎn)處產(chǎn)生水平推力,使拱內產(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。1779年英國建筑師與煉鐵專(zhuān)家達比建成世界第一座鑄鐵拱橋。1840年美國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年美國首先用結構鋼建成了依芝、布魯克林和格拉斯哥3座大橋。從表2可以看出,在囡際上現代鋼橋結構形產(chǎn)在上世幻?年以前主要用的是簡(jiǎn)支梁、連續中國煤化工代以后由于生產(chǎn)圖11江陰長(cháng)江公路大橋高強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建國后建成的黃河第一座橋武漢長(cháng)江公鐵路連續鉚接鋼桁梁128,0957建國后在長(cháng)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我國第一座大跨度栓焊鋼橋南京長(cháng)江公鐵路大橋連續鉚接鋼桁梁160.01968皮昆線(xiàn)三堆子金沙江鐵路橋簡(jiǎn)支鉚接鋼桁梁19201969我國當前最大跨度的鐵路簡(jiǎn)支鉚接鋼桁梁橋沙通線(xiàn)白河鐵路橋連續栓焊鋼桁梁019076九江橋用低合金高強度鋼15 MnvNq試驗橋安康漢江鐵路橋斜腿剛構栓焊鋼橋l76.01906世界鐵路最大跨度斜腿剛構橋九江長(cháng)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(cháng)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(cháng)江公路橋思索橋1385.0蕪湖長(cháng)江公鐵路橋矮塔斜拉、板桁結合、整體節點(diǎn)栓焊鋼橋3120200.用新鋼種14MnN南京長(cháng)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(cháng)壽鐵路橋連贖鋼桁梁04日前鐵路最大連續梁上海盧浦公路橋鋼拱橋南京長(cháng)江三橋(公路)鋼斜拉橋6480潤楊長(cháng)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(cháng)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(cháng)江公鐵路大橋系桿拱橋552.0武漢天興洲長(cháng)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(cháng)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度不夠高,質(zhì)量不國外。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、南京大現病害。世界第一座現代公路斜拉橋是1955年在勝關(guān)公鐵路大橋建成后,除懸索橋外,其他結構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。我國現有關(guān)系,武漢天興洲長(cháng)江公鐵路大橋及南京大勝關(guān)代鋼橋技術(shù)和國外相比,起步晚了150多年,現代長(cháng)江公鐵路大橋都是多線(xiàn)的重載橋梁,它的跨度應大跨度斜拉橋與懸索橋,我國比國外也晚了約30比照中國煤化工。多年,但發(fā)展很快。從表1與表2的比較可以看CNMHG始發(fā)展雖比國外出,簡(jiǎn)支梁橋、連續梁橋、箱梁橋在跨度上尚略小晚,但由于我國技術(shù)人員在近56年的建橋工作中于國外;系桿拱橋、斜拉橋及懸索橋暫時(shí)也稍低于先是本著(zhù)自力更生,奮發(fā)圖強的精神,改革開(kāi)放后第7期潘際炎:中國鋼橋表2國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。因此制造橋美國施托維而橋鐵路連續鋼桁爨橋23631917梁選用的鋼材很?chē)栏?既要能適應制造工藝要求,2美國首都橋鐵路簡(jiǎn)支鋼桁梁橋21935197又要滿(mǎn)足運營(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))兩用鋼有嚴格規定。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。強度較德國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橋360192強度、延伸率、斷面收縮率、冷彎、沖擊韌性及時(shí)7美國切斯特286號橋公路簡(jiǎn)支鋼桁梁橋225193效等要求指標。8巴西里約熱內盧橋公路鋼箱梁橋300.01974我國常用結構鋼的強度水平和國外基本一致,9日本港大橋公路懸臂鋼桁梁橋510.01974均為240~420MPa,強度更高的鋼在動(dòng)荷載較大的10美國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能達到235MPa。為加強屈服點(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上加入錳、硅16日本生月橋公路連續鋼桁梁400,0等,由于強度高于碳素鋼,所以稱(chēng)其為低合金高強公路斜拉橋(邊跨為度鋼。需要強度再提高,就加入微量金屬V,N17法國若曼底橋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美國阿斯托利亞公路連續梁3761966現將我國常用的橋梁結構鋼的化學(xué)成分和合金元素20日本與島橋鐵路連續鋼桁梁橋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度,但成分不當會(huì )又以引進(jìn)、吸收、創(chuàng )新的趕超意識,不斷克服重重影響鋼的韌性和焊接。根據經(jīng)驗,16錳橋鋼交貨的困難,推動(dòng)橋梁工程技術(shù)的前進(jìn),使我國橋梁的時(shí)的碳應在中限,交貨狀態(tài)為熱軋狀態(tài)。碳高了焊結構形式、設計理論、用料、工藝均已達到了國際接就有困難,特別是同時(shí)S也高了,對焊接更不先進(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培養出了一支強大的橋梁科研、建設技術(shù)隊伍和建Mn鋼,由于含碳量均在0.18%以上,S也偏上成了一批具有強大研究、制造、施工能力設備機限,焊成的部件出現大量的裂紋,造成停產(chǎn)數月,構。我國的地域遼闊,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煤化工分是固溶存在,很多,預計在不久的將來(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化物的抗拉強度低,容易S化物的結晶形態(tài),雖對焊接熔合線(xiàn)有一定的改被焊接冷卻收縮力拉裂,這種現象稱(chēng)為熱裂紋傾向。善,但不顯著(zhù)。因為在C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)提高鋼材強造性。度的強化材料,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)對熱影響區的熱模擬試件化學(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,好處是除增加強度外,還可以增加鋼的耐腐熱影響區中的固溶V,N增加,沖擊韌性下降。為蝕性。此,V,N含量在滿(mǎn)足強度的要求下,應盡量地降16Mnq鋼的缺點(diǎn)是板厚效應大,隨著(zhù)板厚的低,N的含量不得大于0.03%,為使N充分的化增加,強度與韌性下降很快。在鐵路鋼橋設計中一合,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對優(yōu)化15 MnVNq鋼有好的影響667%,而承載強度只增加422%,強度的增加尚微量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)設計的熱溶解溫度為1050℃,焊接熱影響區的峰值為鐵路單線(xiàn)焊接鋼桁梁橋,采用三弦結構也只能達到1350℃,這樣可以減少熱影響區中的V,N固溶112m。體,改善熱影響區的沖擊韌性與時(shí)效。21.215 MnnG鋼上世紀20年代因建九江橋根據可焊性研究,并參考國外的數據,其標準需要,當時(shí)根據國內礦產(chǎn)資源決定在生產(chǎn)16Mmq一般規定如下:鋼的基礎上加入微量的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P≤0.28%,WES對調質(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原標準規定≤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中國煤化工平均0.15850.3978HECNMHG0.0122標準差0.06990.00400.0075第7期潘際炎:中國鋼橋25表4九江橋鋼料的力學(xué)性能響區的力學(xué)性能變化有不同的特點(diǎn),使用前對焊接Table 4 The mechanical properties of the steel線(xiàn)能量和熱整形的溫度大小,應通過(guò)經(jīng)詳細試驗used in Jiujiang bridge確定。低溫沖擊時(shí)效21.314MnNb鋼16Mnq是屈服強度340MPa項目MPa /MPaacm12a/m2等級的鋼,在鋼橋中應用很廣,由于l6Mnq又存原標準規定≥412≥549在有韌性差、板厚效應大等缺點(diǎn)。上世紀90年代213.3為修建蕪湖長(cháng)江大橋研究開(kāi)發(fā)了14 MnNbq鋼。根410550據經(jīng)驗,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。這種低碳化微合標準差26.6305金高強度鋼也正是世界先進(jìn)國家結構鋼發(fā)展的方耐低溫沖擊系數a,指在-40℃的數據向。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、碳當量、焊接冷裂紋系數在較佳范圍之上,所以焊接性不是很好,預熱溫度要求較通常鋼材經(jīng)過(guò)焊接,熱影響區的韌性會(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、設計、制造人員花費下降約50%,對接時(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產(chǎn)新鋼材建成了九江新型的栓焊大區)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)放后的高強度橋梁用鋼和鋼橋的性必須高出標準值的一倍以上。在國外生產(chǎn)的鋼發(fā)展奠定了基礎。材,產(chǎn)品實(shí)物的韌性值一般均高于規范規定2~3根據15 Mnng鋼的科研生產(chǎn)經(jīng)驗,碳當量較倍,所以用這種材料焊接,執行焊接質(zhì)量標準規定高的低合金高強度鋼C的最佳上限應為0.12%沒(méi)有問(wèn)題。我國鋼鐵的生產(chǎn),質(zhì)量還不均恒,這也與P分別為001%,0.02%,強化用的微合金可考正是我國鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量應當努力提高的注意點(diǎn),故慮改為№b,T,微合金加入量有待進(jìn)一步研究,鐵路橋規有母材交貨技術(shù)條件規定,根據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%,當今的設備、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其他國家標準鋼號第一個(gè)字母Q是代表15 MnnG鋼相當于國標(GBT74-2000的屈服點(diǎn),第二個(gè)數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規定用到50mm,由于遇到困難,將屈上,在靜止的大氣中連續冷卻可以使鋼體的晶粒變服點(diǎn)改為420MPa,截面板厚改為56mm。當前建細,組織變均勻,提高韌性,強度會(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中國煤化節標,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(zhù)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,如調質(zhì)小。鋼的彈性極限及屈服點(diǎn)應力越高,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力越大。當外加應中國工程科學(xué)第9卷力達到屈服點(diǎn)應力,部件就產(chǎn)生塑性變形,繼續加行沖擊試驗,經(jīng)分析認為發(fā)生裂紋、斷裂處的鋼板大應力達到抗拉極限強度,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)。根據極限強度越高,抵抗破壞荷載的能力也就越大。橋這一試驗結論,乃在規范中規定結構用鋼的低溫沖梁的設計應力是按屈服點(diǎn)應力除以安全系數17,擊功不低于21J(15呎·磅)。其他國家也都仿效采橋梁的破壞安全系數不應低于22~2.5。所以在橋用這一規定值。上世紀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)和拉力極限強各國紛紛用斷裂力學(xué)理論研究橋梁鋼結構的防斷度,而且要分析其屈強比不得大于0.7-075。取得了不少成果,根據研究的成果和各自國家的情222塑性鋼的塑性變形能力包括伸長(cháng)率、斷況,編寫(xiě)了自己的規范,但規定各不相同。我國最面收縮率和冷彎。伸長(cháng)率、斷面收縮率是鋼對結構早橋規對鋼材規定的沖擊值是引進(jìn)原蘇聯(lián)的,用夏的安全指標。因為橋梁結構中有局部應力集中或有比U試件,沖擊試件是U形缺口,取樣為鋼板軋殘余應力處,其值可能超過(guò)屈服點(diǎn)應力。伸長(cháng)率及制的橫向,單位為kgm/cm2,規定值為3.5kg:m斷面收縮率高的材料可以通過(guò)塑性變形使應力重新cm2。西方英、美各國都使用夏比Ⅴ試件,沖擊試分布,避免引起結構的局部破壞而導致整個(gè)結構的件是形缺口,取樣為鋼板軋制的縱向,規定值失效。冷彎是檢査鋼材承受規定彎曲程度的彎曲變根據鋼材的等級和橋梁的環(huán)境溫度確定。我國在改形性能,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,也是一個(gè)質(zhì)量指標,但主要的還是質(zhì)量指標。年限的加長(cháng),會(huì )發(fā)生老化,表現為鋼材變脆,沖擊通過(guò)冷彎可以考驗鋼板中有沒(méi)有夾碴或分層。功下降,為檢驗鋼材的抗老化性能,還要進(jìn)行時(shí)效223低溫沖擊與時(shí)效鋼材的韌性對橋梁的安沖擊檢驗,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,大,如果結構的構造細節不好,或材料使用不當,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(zhù)裂紋的擴展,部件承受載荷的有效面積減小,參考文獻剩余面積上的應力就增加,直到剩余面積達到不足[1]中國鐵路橋梁史編委會(huì )主編中國鐵路橋粱史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]項海帆等主編中國橋梁畫(huà)冊M上海:同濟大生在環(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,須注意結構設計和構造細節的優(yōu)化、鋼材[3]萬(wàn)明坤等主編橋梁漫筆[M]中國鐵道出版社,9的選擇、焊接質(zhì)量標準的規定等。選擇鋼材和規定[4]潘際炎栓焊鋼梁的研究[M].北京:中國鐵道出版焊接質(zhì)量標準的依據是鋼材和焊縫金屬的沖擊韌[5]九江長(cháng)江大橋技術(shù)總結武漢:武漢測繪科技大學(xué)出性,橋規規定的為夏比沖擊功。最早對鋼材的沖擊版社,1996功規定是從經(jīng)驗和試驗得到的。第二次世界大戰期[6]橋梁用結構鋼BGT714-200間,美國有100多艘運輸艦發(fā)生裂紋與斷裂,為查[7]蕪湖長(cháng)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