1、概 述

材料性能的改善不僅可以提高橋梁的結(jié)構(gòu)性能。而且可以降低施工成本。高強(qiáng)鋼和高性能鋼橋充分發(fā)揮了材料的優(yōu)越性 ，給社會(huì)帶來(lái)了顯著的效益。經(jīng)過(guò)多年的共同努力 ，美國(guó)研發(fā)了系列高性能鋼 ，如HPS50W、HPS70W和HPS100W，同時(shí)H P S在橋梁工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣。在歐洲 ，HP S 在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用不限于橋梁，還用于建筑結(jié)構(gòu)中。在國(guó)外，H P S 在一定程度上代表了鋼橋所用材料的發(fā)展方向。

2 高性能鋼

2．1 概述

結(jié)構(gòu)鋼的特性包括機(jī)械性能和化學(xué)性能、冶金結(jié)構(gòu)和可焊性。建筑工程專家原先的注意力偏重于抗拉性(縱向屈服應(yīng)力和最終抗拉強(qiáng)度)，也注意到拉伸試樣斷裂時(shí)所測(cè)得的變形能力。彈性系數(shù)E在各鋼種的實(shí)際應(yīng)用中均為常數(shù)，因而，除了適用性外，通常很少考慮。對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼來(lái)說(shuō)，這些鋼種的可焊性足以滿足要求，變形能力和韌性也令人滿意，其部分原因是設(shè)計(jì)規(guī)格僅提出非常有限的特定要求。

近年來(lái)，針對(duì)地震中顯示出來(lái)的材料性能，提出了大量與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造有關(guān)的問(wèn)題。那些歷來(lái)被接受的標(biāo)準(zhǔn)受到質(zhì)疑。人們開(kāi)始質(zhì)疑用普通單軸拉伸試樣確定材料性能的適用性，若干失敗的模型都要求更高、更好地定義垂直強(qiáng)度。

2．2 特性

開(kāi)發(fā)高性能鋼的一個(gè)重要問(wèn)題總是基于其耐用性考慮，如是否發(fā)生偏斜或者偏移。就橋梁而言，自然勿庸置疑，因?yàn)槠诤蛿嗔褬?biāo)準(zhǔn)覆蓋了大多數(shù)設(shè)計(jì)要求。建筑物的耐用性主要由其鋼性所決定，具體表現(xiàn)為彈性系數(shù)、來(lái)自梁體的終端支撐環(huán)境、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和負(fù)荷條件。若僅僅增強(qiáng)此類結(jié)構(gòu)材料的單軸強(qiáng)度是無(wú)效的，也是不經(jīng)濟(jì)的。當(dāng)前，人們關(guān)注那些材料的良好焊接性能以及優(yōu)異韌性和延展性來(lái)抵抗斷裂的發(fā)生和延伸。在許多地理環(huán)境中，特別是對(duì)那些直接暴露在多變環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，腐蝕也是個(gè)不容忽視的問(wèn)題。

2．2．1 抗拉性能

通常，樓房建筑使用中等范圍屈服應(yīng)力的HSLA鋼(350 MPa)，橋梁則采用該級(jí)別和480 MPaHSLA鋼，設(shè)計(jì)師和制造商提出這樣一個(gè)問(wèn)題：強(qiáng)度變動(dòng)范圍似乎有點(diǎn)過(guò)度，以至于名義強(qiáng)度為350MPa鋼種的實(shí)際承受屈服應(yīng)力可達(dá)到480MPa或者更高。這為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)較大的難度，連接部位的屈服強(qiáng)度，尤其要保證建筑結(jié)構(gòu)的抗震性在地震中表現(xiàn)良好，這就產(chǎn)生最小和最大屈服應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，以及屈服比的最大值。A992鋼就是一種代表鋼種。鋼在厚度方向的拉伸也引發(fā)了一些疑問(wèn)，為此進(jìn)行了大量的連接測(cè)試。其結(jié)果顯示，這種抗拉特性并不是失效機(jī)制產(chǎn)生的原因。這一發(fā)現(xiàn)也被全方位的梁柱連接測(cè)試所證實(shí)。Dexter還考查是脆裂機(jī)制或脆裂延伸的成因。

2．2．2 延展性

延展性通過(guò)單軸拉伸試樣的延伸斷裂測(cè)試進(jìn)行測(cè)量。支承梁與柱桿連接的測(cè)試用于檢測(cè)這些要素在高要求扭轉(zhuǎn)條件，如在極端承載條件下的反應(yīng)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用HIS及其它鋼種連接件的扭轉(zhuǎn)能力可以滿足地震及其它相似形變條件的要求。所有HPS鋼都能獲得18％ ～30％ 之間的單軸拉伸，這被認(rèn)為是優(yōu)秀的。

2．2．3 脆裂韌性

就橋梁結(jié)構(gòu)而言，維修和承載條件使疲勞脆裂成為一個(gè)重大的問(wèn)題。脆裂韌性很久以來(lái)一直是所需的機(jī)械性能之一。近年來(lái)，在美國(guó)和日本發(fā)生的地震中，建筑結(jié)構(gòu)的失效強(qiáng)調(diào)的是基體金屬，特別是焊接金屬的脆裂韌性對(duì)建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)非常重要。在5℃溫度條件下，具有脆裂韌性的HPS鋼的v形凹槽的韌性要求為27J。這取決于其結(jié)構(gòu)的維修條件，尤其是在鋼體暴露在外的條件下。AASHTO橋梁設(shè)計(jì)規(guī)格提供了美國(guó)不同地理位置橋梁的詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)，AISC地震設(shè)計(jì)規(guī)格也對(duì)建筑結(jié)構(gòu)提出了要求。

2．2．4 鋼的化學(xué)性

在所有鋼種中，主要的控制強(qiáng)度的化學(xué)成分為碳。根據(jù)鋼的類型和強(qiáng)度等級(jí)，就HPS材料而言，軋制型鋼的最大碳含量在0.12％ ～0.26％之間。碳的實(shí)際含量取決于產(chǎn)品的尺寸和厚度。目前，像A992及其它HPS那樣，碳含量已降低到0.06％ ～0.10％之間，并以其它化學(xué)成分來(lái)彌補(bǔ)低碳引起的強(qiáng)度損失。CE直接受實(shí)際碳含量的影響。因此，通過(guò)CE測(cè)量可知，這樣可以大大地提高鋼的可焊性。更高的強(qiáng)度則通過(guò)添加合金元素來(lái)實(shí)現(xiàn)，如錳、鉬、釩、鉻、銅和鎳能提高鋼的耐蝕性，鎳還能增強(qiáng)脆裂強(qiáng)度。硅和鋁是去氧化物。在生產(chǎn)實(shí)踐中，添加這些元素用于獲得少量或完全不含硫化錳等非金屬雜質(zhì)的半鎮(zhèn)靜鋼或全鎮(zhèn)靜鋼。在美國(guó)，用于生產(chǎn)建筑用鋼的連鑄工藝使用了硅。這種工藝要求全鎮(zhèn)靜鋼，而鋼板的生產(chǎn)則用鋁來(lái)脫氧。硫和磷對(duì)結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度、延展性和可焊性是不利的。目前，美國(guó)型鋼產(chǎn)品的硫含量為0.02％～ 0.03％ ，這對(duì)避免材料焊接困難并保持合適的可鍛性來(lái)說(shuō)，已是足夠低了。

2．2．5 可焊性

鋼中有必要保留一定的化學(xué)成分，以促進(jìn)基體金屬和填充金屬(如焊接電極)的熔融，避免產(chǎn)生脆裂及其它缺陷。這被定義為鋼的可焊性。盡管過(guò)去所有等級(jí)的結(jié)構(gòu)鋼都是可焊的，但A992和各種HIS級(jí)鋼則具有更優(yōu)越的性能。CE最適于測(cè)量可焊性。在美國(guó)，最普遍采用

的CE公式是國(guó)際焊接協(xié)會(huì)(I1W)的公式，如ASTM A992標(biāo)準(zhǔn)限制CE值為0.43，但此類產(chǎn)品的實(shí)際值則為0.3左右。

2．2．6 耐蝕性

耐蝕性通常指的是HIS及其它鋼的腐蝕特征。最初耐候鋼的開(kāi)發(fā)，使建筑結(jié)構(gòu)不再使用油漆及其它耐蝕技術(shù)。這些鋼的表面自然形成銹層，以抵抗腐蝕物的入侵。ASTM A588和HIS鋼都具有這些特征，HI S在一定程度上顯示出良好的保護(hù)性。已知耐蝕過(guò)程失效的唯一環(huán)境條件是雨水聚集且未被排干，由于鹽在寒冷季節(jié)里的作用是防止結(jié)冰，它的存在易使結(jié)構(gòu)鋼惡化。在這種條件下，疲勞和斷裂行為都會(huì)受到負(fù)面影響。

2．3 高性能鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)指南

為了增加HIS的使用，尤其在橋梁結(jié)構(gòu)方面，美國(guó)高速公路聯(lián)合管理委員會(huì)(FI-IWA)編制了使用這種鋼的詳細(xì)設(shè)計(jì)指南。該指南集中于對(duì)焊接成型支架用板材的使用，因?yàn)檫@類支架目前常用混合結(jié)構(gòu)。根據(jù)指南，橋梁支架通常采用480 MPa鋼凸緣和350 MPa鋼連接件進(jìn)行搭建，尤其在使用連續(xù)支架時(shí)特別經(jīng)濟(jì)。

3、 國(guó)外高強(qiáng)鋼和高性能鋼的研究概況

在過(guò)去的幾十年中．鋼材生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了高性能鋼( H P S ) 的研發(fā)，使得所生產(chǎn)的鋼種能滿足預(yù)先的要求 。在結(jié)構(gòu)工程 ，尤其是在橋梁工程中，美國(guó)、日本、及歐洲國(guó)家越來(lái)越注重HPS 的研發(fā)與應(yīng)用 。目前，各個(gè)國(guó)家根據(jù)本國(guó)的特殊工程要求開(kāi)發(fā)了一系列鋼種。

3.1   美 國(guó)HP S 的研究概況

美國(guó)于1 9 9 2 年成立了HP S 指導(dǎo)委員會(huì) ．正式開(kāi)始 了大量的HP S 研發(fā)。并致力于將HP S 應(yīng)用于造價(jià)經(jīng)濟(jì)的鋼橋之中。

H P S在傳統(tǒng)鋼的基礎(chǔ)上改 善了碳含量和碳當(dāng)量，從而提高了可焊性。H P S優(yōu)良的可焊性可以降低預(yù)熱溫度、溫度輸人控制、焊后處理和其他需要嚴(yán)格控制的要求，也可以消除焊接過(guò)程中的氫致開(kāi)裂。消除氫致開(kāi)裂最有效的方法是明確最低預(yù)熱溫度。一般情況下 ，預(yù)熱溫度越高，脆性微觀結(jié)構(gòu)形成的機(jī)會(huì)就越少。然而，預(yù)熱不僅費(fèi)時(shí)，而且增加了成本 。發(fā)展高性能鋼的目的之一就是減少或取消預(yù)熱。與普通的耐候鋼相比．美國(guó)通過(guò)增加合金元素開(kāi)發(fā) 了一種新型耐候鋼。這種新型鋼的抗腐蝕性比傳統(tǒng)鋼更優(yōu) ，不需要涂裝和其他防腐技術(shù)。H P S 的耐候性指其在一般氣候條件下 ，在不需要涂裝的情況下可以正常工作。

目前,在美國(guó)4 0 多個(gè)州的約200座橋梁中應(yīng)用了H P S ．這些使用 中的橋梁體現(xiàn)了良好的結(jié)構(gòu)性能和經(jīng) 濟(jì)性 。為 了在橋梁中更加有效地應(yīng)用高性能鋼，美國(guó)已對(duì)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范( A A S H T O) 做了很大的改進(jìn) ，允許工程師采用高性能鋼 ，并提出了混雜設(shè)計(jì)的概念 。

3.2   日本橋梁用高性能鋼的研究與應(yīng)用

日本將H P S 的研發(fā)與橋梁設(shè)計(jì)相聯(lián)系。其鋼種命名為橋 梁用高性 能鋼 ( B H S 5 0 0 W或B HS 7 0 0 W) 。B H S 有兩種 ：一種屈服強(qiáng)度為5 0 0 MP a ( B H S 5 0 0 ) ，適用于中小 橋梁 ：另一種屈服強(qiáng)度 為7 0 0 MP a ( B H S 7 0 0 ) ．適用于大跨橋梁 。目前．研究人員認(rèn)為B H S 5 0 0 和B H S 7 0 0 具有相同的工作性能 。B H S 預(yù)熱溫度低 、韌性高 ，制作成本較低。

日本于1 9 6 4 年開(kāi)始在橋梁中應(yīng)用耐候鋼 ．其應(yīng)用快速增長(zhǎng)。1 9 8 0 - 1 9 9 0 年，日本對(duì)耐候鋼的使用進(jìn)行了調(diào)查研究。研究表明。耐候鋼可用于空氣中鹽分 約為0 ． 0 5 m d d 的環(huán)境中。但 由于1 9 9 1 年開(kāi)始采取在路面上噴灑防凍劑的措施 ，耐候鋼銹蝕嚴(yán)重。因此 ，鋼鐵生產(chǎn)商通過(guò)添加合金元素以開(kāi)發(fā)新型耐候鋼 。研究人員針對(duì)日本沿海地區(qū)的環(huán)境條件進(jìn)行了大量的研究工作．開(kāi)發(fā)了抗腐蝕性優(yōu)良的新型含鎳耐候鋼。

3. 3   歐洲高性能鋼的研究與應(yīng)用

歐洲致力于建立最新的H P S 設(shè)計(jì)規(guī)范，其目的是將H P S 應(yīng)用 于除橋梁外的各種結(jié)構(gòu)中。在歐洲，HP S 在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用不僅限于橋梁 ．而且用于建筑結(jié)構(gòu)中，如起重機(jī)、沿海工程 、造船業(yè)等。20 世紀(jì)60 年代，歐洲鋼材的生產(chǎn)使用Q & T 技術(shù)。現(xiàn)在，可采用該方法生產(chǎn)出屈服強(qiáng)度達(dá)1100MPa的鋼材。此外,也可以添加一些微量元素以提高強(qiáng)度，如Ni、V和Ti .

使用傳統(tǒng)埋弧焊，可以成功地將高強(qiáng)鋼與普通結(jié)構(gòu)鋼焊接起來(lái)。焊接時(shí)應(yīng)該注意保證焊縫表面清潔和干燥，建議預(yù)熱母材。淬火及回火處理的鋼材在保證韌性及可焊性的前提下，可充分發(fā)揮高強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，為設(shè)計(jì)者提供了更大的設(shè)計(jì)余地。

為了研究使用高強(qiáng)鋼的經(jīng)濟(jì)性 ，應(yīng)該考慮預(yù)測(cè)鋼材的價(jià)格、強(qiáng)度、市場(chǎng)和生產(chǎn)商的經(jīng)營(yíng)策略、生產(chǎn)方法。如果能充分利用強(qiáng)度 ，那么材料的成本將隨強(qiáng)度的提高而降低 。結(jié)構(gòu) 的成本更多地 由制造和建設(shè)成本決定 。制作成本大多由結(jié)構(gòu)類型決定 。對(duì)任何一項(xiàng)工程 ，使用高強(qiáng)鋼的優(yōu)越性都可以通過(guò)成本對(duì)比來(lái)進(jìn)行。

4 高強(qiáng)鋼和高性能鋼的應(yīng)用實(shí)例

近十年來(lái)，HPS 在橋梁工程中的應(yīng)用取得了很好的成績(jī)。北美 、日本及歐洲 的一些國(guó)家早已開(kāi)始在橋梁工程 中應(yīng)用HP S ，并 已經(jīng)建設(shè)了一批高性能鋼橋而且取得 了 良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前，HPS 及其研發(fā)應(yīng)用受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。

4.1   HP S在美國(guó)的應(yīng)用

紐約高速公路管理局( N Y S T A) 與聯(lián)邦公路管理局( F HWA) 共同合作 ，其目的是 ：在限制通行的公路系統(tǒng)的不同位置 ，評(píng)價(jià)并證明H P S 7 0 W在橋梁制作 與建設(shè) 中的應(yīng)用。在這項(xiàng)協(xié)議下，N T S T A 建成了7 座高性能鋼橋。其中第一個(gè)工程是在B e r k-s h i r e 高速公路上使用HP S 7 0 W的Mu i t z e s  K i l l 橋  。這是一座跨徑為6 0.9 6 m的簡(jiǎn)支橋梁 ，該橋無(wú)伸縮縫 且設(shè)有兩車道 ，由6片高1.8 3 m、中間間距為2.4 4 m的主梁構(gòu)成。開(kāi)始時(shí) ，該橋被設(shè)計(jì)為使用傳統(tǒng)5 0 W的兩跨結(jié)構(gòu)。隨后，設(shè)計(jì)得到修改，通過(guò)取消中間橋墩來(lái)達(dá)到充分利用HP S 7 0 W的強(qiáng)度的目的

4 .2   日本的應(yīng)用情況

截至2003年4月 ，共 1 9 4 0 0 t 新型含鎳耐候鋼用于日本橋梁。其中包括了1 9 9 7 年以來(lái)的試驗(yàn)用鋼 。含Ni 的新型耐候鋼大多應(yīng)用于空氣中來(lái)自海洋的鹽分含量超過(guò)0.05mdd的地區(qū)，也用于防凍劑影響嚴(yán)重的內(nèi)陸地區(qū)。橋梁位于Ni g a t a  P r e f e c t u r e，距離日本海2 0 k m．該橋是針對(duì)來(lái)自日本海的空氣中的鹽分含量而建設(shè) 的。該橋采用鋼材的Ni-Mo 含量為1.5％，板厚28mm。

4. 3   歐洲的應(yīng)用實(shí)例--意大利的Ve r r a n d高架橋

Ve r r a n d高 架 橋 于 2 0 0 2年 竣 工 ，它 是 Mo n t B l a n c - A o s t a 高速公路的一部分 ，位于 C o u r ma y e u r 附近 ，必須跨越狹谷和D o r a   B a l t e a 河流。該橋采用了正交異性橋 面板 ，總用鋼量為6 1 0 0 t 。頂推導(dǎo)梁采用高強(qiáng)鋼管截面，并選用了高強(qiáng)鋼 $ 6 9 0．格子梁跨度可達(dá)8 5 m。從而顯著減小了頂推梁的自重。頂推施工法要求截面尺寸不改變 ，所以設(shè)計(jì)最終采用了鋼橋面板

4.4 高強(qiáng)鋼橋及高性能鋼橋的優(yōu)點(diǎn)

高強(qiáng)鋼和高性能鋼橋在使用階段 的工作性能已證實(shí)了高強(qiáng)鋼和高性能鋼橋具有優(yōu)越的技術(shù)性能和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。高強(qiáng)鋼和高性能鋼強(qiáng)度高。可以減少 自重和造價(jià) 、降低梁高以增大豎向凈空或跨度。高性能鋼優(yōu) 良的可焊性提高了焊接質(zhì)量并降低了在低溫條件下的鋼橋發(fā)生脆斷和突然失效的可能性 。高性能鋼的高韌性意味著對(duì)裂紋的容忍度高 ，這為橋梁的檢測(cè)和修復(fù)爭(zhēng)取了更多的時(shí)間以保證安全 。高性能鋼的良好耐候性使橋梁在大氣環(huán)境下可以不采用涂裝。借助混合設(shè)計(jì) ．可充分發(fā)揮高強(qiáng)鋼和高性能鋼梁的受力性能。優(yōu)化的高性能鋼主梁可以降低一期建造成本 ．以及整個(gè)壽命周期的成本。

5 小 結(jié)

隨著鋼材生產(chǎn)技術(shù)的迅速發(fā)展。高性能鋼的生產(chǎn)與應(yīng)用越來(lái)越廣泛。高性能鋼在強(qiáng)度 、韌性 、可焊性和抗腐蝕性等方面優(yōu)于傳統(tǒng)鋼材。如果將材料優(yōu)勢(shì)、設(shè)計(jì)與施工最優(yōu)化的結(jié)合起來(lái)．就可以顯著降低成本 ，使結(jié)構(gòu)更合理耐久 ，降低對(duì)不可再生資源的消耗等 ，這些優(yōu)勢(shì)使高性能鋼成為結(jié)構(gòu)工程的理想材料 。可見(jiàn) ，高強(qiáng)鋼和高性能鋼的研究應(yīng)用推動(dòng)了可持續(xù)工程的發(fā)展，具有很大的潛力。

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