我国桥梁结构钢的发展与创新 *

毛新平， 武会宾， 汤启波

(北京科技大学， 北京 100083)

引 言

随着经济的快速发展，世界各国加大了基础设施的建设投入，桥梁建设事业也得到了蓬勃发展，世界大桥总量和总长度正急剧增加。21世纪以来，在国家经济快速发展的推动下，中国桥梁以每年3万多座的速度递增，建成了一大批世界级的重大桥梁，目前桥梁总数(公路、铁路总计)超过100万座，已成为世界第一桥梁大国。

桥梁建设的发展不仅扩大了桥梁钢量的需求，而且对桥梁钢综合性能的需求也提出了更高的要求。桥梁结构钢具有跨越能力大、易于工厂化制造和便于装配化施工等突出优点，在欧美及日本等发达国家桥梁工程中应用广泛，但在中国钢结构桥梁所占比例较小。随着中国钢铁产能的提高和钢结构桥梁建设技术的进步，以及绿色建造和可持续建造理念的普及，标准化和工业化建造的钢结构桥梁在公路、铁路桥梁中所占比例得到大幅度提高[1]。

20世纪90年代以来，桥梁钢在中国梁式桥、拱桥、悬索桥及斜拉桥中均得到不少工程应用。近年来在国家政策引导下，桥梁钢在大跨桥梁、山区桥梁、高速铁路桥梁、轨道交通轨道梁、预制装配式桥梁等结构中的适应性越来越被关注，人们对桥梁结构钢的研究也越来越深入。桥梁结构钢从低碳钢到低合金钢，再到高强度钢不断发展。随着国家海洋战略、高铁战略实施和川藏路线的规划建设，未来桥梁结构钢的发展趋势将集中在高性能、长寿命、轻型化和智能化等方面。

1 桥梁结构钢的发展

1.1 国外桥梁钢的发展

美国和日本在桥梁结构钢应用领域的研究相对较早，处于领先地位。美国在桥梁结构用钢方面的研究经历了低碳钢、低合金钢、高强度钢到高性能钢的发展历程。桥梁钢在美国的应用级别跨度较大，其屈服强度级别包含了250，345，485和 690 MPa 等，其中 345 MPa 和 485 MPa级桥梁钢得到最广泛应用。此外，美国桥梁建设大量使用了耐候钢板，20世纪30年代美国U.S. Steel公司首先研制成功了含Cu高强度耐候钢用于桥梁建设。随后含Cu, P, Cr, Ni的Corten A系列耐候钢和含Cr, Mn, Cu的Corten B系列耐候钢被研发并广泛应用于桥梁建设。1974年，ASTM A709中出现了70W和100W等高强度桥梁钢，但焊接性能较差。之后又开发出了耐候、满足韧性要求且焊接性能良好的HPS 250W,HPS 270W和HPS 2100W系列高性能钢[2]。HPS系列钢在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得到了应用[3]。

日本桥梁钢的发展在世界上处于领先地位，主要应用大量的高强度钢板。20世纪50年代，日本就开发了345 MPa和500 MPa级钢板应用于桥梁建设，随后，又相继开发了500, 600, 700 和 800 MPa 级桥梁结构钢，在桥梁上实现了工程应用。例如，日本NKK公司采用TMCP技术开发了570 MPa级和780 MPa级低预热型桥梁用钢板并用于明石海峡大桥建设[4]。日本对耐候桥梁钢的研究应用也较早，20世纪50年代就引进了美国的Corten A钢生产技术研究和开发耐候钢。新日铁研发生产的含3Ni的耐候桥梁钢，提高了钢在海洋大气环境中的耐蚀性能[5-6]。神户公司研制了一种高耐蚀性桥梁钢，添加了1Ni，1Cu和0.05Ti，耐蚀性能较一般耐候钢提高一倍，应用于日本兵库县的大桥[7]。

欧洲桥梁钢发展相对较缓，其桥梁钢结构钢主要应用355, 460和550 MPa级高强钢。随着世界各国致力于高性能钢的研究与开发，目前韩国及欧洲等也均实现了高强桥梁钢的工程应用，比如韩国开发的HSB 800W高强钢，在2009年形成示范应用，用于Lee-Sunshin大桥的建设。国外代表性的高强度桥梁钢研究和应用情况如表1所示。

表1 国外典型高强度桥梁钢的研究和应用

1.2 我国桥梁钢的发展

20世纪50年代起，我国就开始了一系列桥梁结构钢的研发和应用。1957年建成武汉长江大桥，使用A3钢种，强度较低，采用铆接棱形连续梁的结构，主跨只达到128 m。1968年建成南京长江大桥，使用16Mnq钢，但在使用过程中发现韧性偏低，强度受板厚影响较为严重，铁路桥梁最大板厚仅能达到32 mm。为了更好满足桥梁建设需求，我国研究开发了15MnNVq钢，应用于1995年建成的九江长江大桥。15MnVNq钢当板厚小于16 mm时其屈服强度能达到412 MPa，最大板厚能够达到56 mm，但焊接性能和低温韧性较差，给桥梁施工建设带来很多困难。20世纪90年代初，中铁大桥局和武钢联合研制开发的14MnNbq微合金化桥梁钢被应用于芜湖长江大桥。14MnNbq是在16Mnq的基础上降低钢中C, P, S的含量，通过添加Nb元素提高钢的强度；由于降低了钢中C, P, S的含量，14MnNbq钢低温韧性良好(-40 ℃的冲击功AkV≥120 J)，很好地解决了板厚效应，可大批量生产供应32～50 mm厚钢板[8]。2009年，我国建成了大跨度、重载荷的南京大胜关长江大桥，应用了Q420q钢，强度达到420 MPa，最大板厚68 mm，无明显的板厚效应，较好地满足南京大胜关长江大桥的需求[9]。随后开发了Q500qE钢，具有高强度和良好的综合性能，很好地满足新型桥梁的建设，用于沪通长江大桥，使其主跨达到1092 m，为世界首座超千米级的公铁两用斜拉桥。

目前，我国最新研究开发出了Q690qE高强钢，采用低碳微合金元素的设计，通过TMCP控制技术，控制成分和组织均匀化，获得了以贝氏体和铁素体为主的组织，得到了屈服强度达690 MPa级的高强度和屈强比低于0.85的良好性能匹配；同时在-40 ℃低温冲击功大于120 J，具有良好的低温韧性。与国外BHS 700W和HPS 100W相比，Q690qE钢的碳当量(CEV)和冷裂纹敏感指数(Pcm)均处于最低水平，屈强比也处于较低水平，低温韧性优于国外同类钢种或与其相当，具有强韧性好、焊接性能好以及满足厚度使用需求等优势，能够满足示范工程应用要求，目前用于江汉七桥和澳氹四桥的建设。我国桥梁钢发展历程和示范应用如表2所示。

表2 我国桥梁钢发展历程和示范应用

2 桥梁结构钢的需求分析

随着国家“八纵八横”高铁网规划和国家公路网规划，公路和铁路建设里程逐年快速增加。而中国地形复杂，随着公路和铁路建设规格的提高，对大跨度、多车道和重载荷的桥梁需求量也大幅增加，在未来公路和铁路桥梁建设中，将向大跨度和多元化方向发展。在交通强国、海洋强国、“一带一路”、川藏铁路等新时代战略驱动下，桥梁工程发展面临全新挑战：桥梁结构体系的创新与突破；深水海洋环境桥梁建设与长期服役性能；复杂艰险地区桥梁的智能建造；多灾害耦合作用下桥梁灾变理论与控制；服役的桥梁“老龄化”和服役条件恶化[1]。高性能钢因具有良好的力学性能、焊接性能和耐腐蚀性能，有效解决了桥梁大跨度、焊接过程和维护带来的问题，从而被广泛应用于桥梁建设。

为满足桥梁建设的大跨度和多元化的发展需求，对桥梁钢的需求也不断提升，高性能桥梁结构钢正在朝着高强度、低屈强比、易焊接性、良好低温韧性、良好的耐候性及抗疲劳性能方向发展。

2.1 大跨度

近年来，由于桥梁新结构、新材料、新装备和新技术的进步及其在大跨度桥梁上的应用，我国桥梁建造水平已从世界先进向世界领先大踏步迈进。尤其是许多带有大跨、重载、高速特征的超级斜拉桥、悬索桥、拱桥相继建成，极大地提高了我国在世界桥梁史上的地位[10]。截至2020年，我国多座大跨度斜拉桥和悬索桥相继建成或全桥拉通，特别是以沪通长江大桥为代表的千米级公铁两用斜拉桥上部结构完工、以五峰山长江大桥为代表的千米级公铁两用悬索桥钢梁架设完成，刷新了世界大跨度桥梁的建造纪录[11]。据不完全统计，世界上已建成的大跨度斜拉桥前10座有7座在中国；世界上已建成的铁路/公铁两用斜拉桥跨径排名前8位均在中国，其中，沪通长江大桥以1092 m主跨跨径排名第1位；世界上已建成的大跨度悬索桥前10座有6座在中国。这些成就将我国乃至世界桥梁建造技术推向了一个全新的高度[10]。

随着桥梁建设技术的改进，桥梁主跨由建国初的128 m发展至1092 m，目前在建的常泰长江大桥为世界上首座集高速公路、城际铁路和一级公路为一体的过江通道，其主航道桥为主跨1176 m的斜拉桥，刷新公铁两用斜拉桥世界纪录，其航道桥为世界上最大跨度公铁两用钢桁梁拱桥。大跨度是未来桥梁建设的一个重要发展方向。

2.2 多元化和焊接性

未来桥梁建设的形式将变得多元化。铁路大桥将由目前的2线发展到4线以及6线；公路大桥也将变宽变长，由4车道不断发展到8车道；此外，未来的桥梁建设将更多地考虑公路和铁路合建，从而节约建设成本和维护成本，以及能更好地利用地势环境，目前的2线铁路+4线公路的建设形式在未来将扩展到4线铁路+6线公路等，桥梁的多元化发展，都对桥梁钢的强度提出了更高的要求。

在上世纪60年代以前，桥梁建设中桥梁钢的连接方式主要为铆接，比如武汉长江大桥和南京长江大桥；在60年代以后，桥梁钢的连接方式主要为栓焊，如芜湖长江大桥；新世纪初以来，桥梁钢的连接方式主要为全焊，如南京长江二桥等，可见桥梁钢的连接方式由铆接到焊接不断发展，在将来的桥梁建设中，桥梁钢的焊接性能将是决定性因素，这对桥梁结构钢的焊接性提出了更高的要求。

3 桥梁结构钢的发展趋势

3.1 高性能

随着桥梁建设向大跨度、多元化等方向不断发展，对桥梁钢的性能要求也将不断提高。高性能是未来桥梁结构钢的一个发展趋势，其对强度、韧性、屈强比以及板厚等提出了更高的要求。在第一代A3桥梁钢中，其屈服强度为235 MPa，对韧性和屈强比等均没有要求；发展到第二代16Mnq钢，屈服强度提高到了345 MPa，但是低温韧性、焊接性及板厚等均较差；随着桥梁钢的不断发展，第三代桥梁钢15MnVNq和第四代桥梁钢Q370qE的强度进一步提高，同时板厚能达到50 mm，进一步扩大了其应用范围；发展到第五代和第六代桥梁钢Q420qE和Q500qE，屈服强度已要求达500 MPa级，低温冲击功在-40 ℃时不低于120 J，同时对屈强比和板厚也提出了要求，屈强比一般低于0.86，而应用板厚要求高于64 mm。目前已经开发了Q690qE桥梁钢，其屈服强度达到690 MPa级，同时其他综合性能也有了很大提升。

未来将主力发展综合性能优良的Q690qE以及更高强度的高性能桥梁钢。除了强度要求高于690 MPa级外，屈强比将从最初代的没有要求到要求低于0.85～0.88，同时低温韧性要求-40℃冲击功高于120 J；焊接性方面也提出了要求，以前的连接方式主要为铆接和栓接，现在主要采用焊接方式，因此焊接性已经成为桥梁钢发展的决定性因素。此外，桥梁钢最大应用板厚由最初的32 mm增加到了68 mm，对最大应用板厚的需求也逐渐提升。高性能桥梁结构钢综合性能发展趋势如表3所示。

高性能桥梁钢的发展，也促进了桥梁钢的生产工艺和组织类型的不断发展。为了得到高性能桥梁钢，钢的生产要求高的冶金质量，在桥梁钢生产过程中，需要严格控制夹杂物数量、成分和尺寸等，从而提高钢板的疲劳性能；同时改善中心偏析，消除或者尽可能降低焊接裂纹。生产过程中也要求低的残余元素，其是生产高性能桥梁钢的必要条件，在2015年的新国标中，对P, S, N, B, 和H等元素的含量都有着明确的规定。为了保证良好的低温韧性和焊接性，桥梁钢的成分设计正在向低碳化不断发展，碳含量正在逐渐由0.11%～0.17%降低至0.06%～0.08%以下，低碳成分体系得到了广泛应用。此外，

表3 桥梁钢强度、韧性、屈强比以及板厚的发展趋势

为了获得良好的力学性能，TMCP工艺技术在桥梁钢中得到了广泛应用，早期只有Q420qE和Q500qE钢采用TMCP工艺，在Q690qE高性能桥梁钢的生产制备过程中主要采用TMCP控制技术，通过组织调控得到贝氏体和铁素体的复相组织，调控硬软两相形态、大小、尺寸、分布、数量等，通过软硬相的匹配从而获得较低屈强比以及优良的综合性能。

3.2 长寿命

桥梁结构钢的长期安全和健康服役是桥梁建设的基本要求，随着未来桥梁所处环境的不断拓宽，长寿命是未来桥梁钢发展的另一个趋势，这对桥梁钢的耐候性和抗疲劳性提出了更高的要求。为解决钢结构桥梁的腐蚀对耐久性的影响，实现桥梁的少维护和免维护，降低桥梁的维护成本，一系列耐候桥梁钢被研发并已在多座桥梁中得到应用。

与国外耐候桥梁钢研究与应用相比，中国耐候桥梁钢起步较晚，但近年来发展迅速，目前已有很多关于耐候钢腐蚀行为和疲劳行为的研究。朱劲松等[12]通过调研国内外文献，阐述了环境与荷载耦合作用下耐候钢的腐蚀机理，耐候钢腐蚀后的力学性能退化，以及耐候钢桥设计理论和细节设计方法等内容。宋志涛[13]以桥梁耐候钢Q345qNH为研究对象，通过干湿交替加速腐蚀试验，考察了Nb元素对桥梁耐候钢耐蚀性能的影响，重点研究了桥梁耐候钢在不同环境下的耐蚀性能及腐蚀行为。张烈[14]参照Q420级桥梁用耐候钢标准，设计制备了质量分数为0.05%，0.21%，0.49%的3种不同Mo含量的耐候钢板，进行工业大气环境和海洋大气环境的室内模拟干湿循环加速腐蚀试验，研究了Mo含量对Q420级耐候桥梁钢大气腐蚀性能的影响。此外，桥梁结构钢服役期内，由于所处环境复杂、荷载作用不确定、服役时间长，使材料不断劣化，局部损伤演化造成结构劣化。因此桥梁结构钢的抗疲劳性能也是未来的重要发展方向。

目前主要研究和应用的耐候桥梁钢是420 MPa级高强钢，其满足-20 ℃/-40 ℃的低温环境使用要求，主要服役环境是乡村和工业大气环境，预计使用寿命达100年左右。在桥梁钢未来的发展中，将进行550 MPa级和690 MPa级高性能钢的耐候性能研究，对韧性的要求由满足-20 ℃/-40 ℃逐渐向-60 ℃以及更低温度发展；而使用环境也由乡村/工业大气环境不断向海岸大气和海洋大气扩展。在满足使用环境的情况下，对耐候钢的使用寿命要求不断延长，预计将达到120年、150年甚至更久。

4 结束语

随着桥梁结构钢的不断发展，目前我国已经研究和开发出690 MPa级的高强度桥梁钢，并在江汉七桥和澳氹大桥形成初步示范应用。随着国家战略和重大工程的规划，我国将依托大型跨海通道等重大工程建设，加速建设海洋强国；此外,对世纪工程川藏铁路的建设，在雅安至林芝段新建桥梁达114.22 km(93座)，占线路长度的11.33%。未来桥梁建设条件会更复杂，规模尺度和自然灾害条件将颠覆以往工程范畴，同时桥梁建设将向大跨度、多元化等方向发展，这对桥梁用钢提出了更高的要求，桥梁结构钢将朝着高性能、长寿命、轻型化和智能化的方向发展，实现桥梁行业“健康、绿色、长寿”。