隨著鋼結(jié)構(gòu)橋梁向大跨度和全焊接結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全可靠性要求越來越嚴(yán)格，由此對(duì)鋼板質(zhì)量提出了更高的要求，即不僅要求其具有高強(qiáng)度以滿足結(jié)構(gòu)輕量化要求，而且還應(yīng)具有優(yōu)良的低溫韌性、焊接性和耐蝕性等。對(duì)此，美國和日本分別投入大量資源開發(fā)了滿足上述要求的高性能耐候橋梁用鋼，并且取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在國外，低成本高性能耐候橋梁用鋼已成為橋梁用鋼發(fā)展的一個(gè)新方向。

圖注：國外高性能耐候橋梁用鋼開發(fā)及應(yīng)用

　　典型耐候橋梁用鋼的開發(fā)

　　美國耐候橋梁用鋼。自二十世紀(jì)九十年代以來，由美國鋼鐵學(xué)會(huì)、美國聯(lián)邦公路管理署、美國海軍和米塔爾美國公司聯(lián)合立項(xiàng)研究高性能鋼，由米塔爾美國公司參與研發(fā)和生產(chǎn)，先后開發(fā)了HPS50W、HPS70W和HPS100W系列鋼種，具體產(chǎn)品的化學(xué)成分、力學(xué)性能分別見表1、2。

　　注：夏比V型缺口沖擊吸收功的測(cè)試溫度分別為-12，-23，-34℃;各品種均采用淬火—回火工藝生產(chǎn)。其中，HPS50W采用TMCP(熱機(jī)械控制工藝)生產(chǎn)時(shí)的長度為15200mm;HPS70W采用TMCP生產(chǎn)時(shí)的厚度為50mm、寬度為3000mm、長度為38100mm。

　　截至2000年，美國45%的耐候橋梁用鋼可以不涂裝。橋梁用鋼量大幅減少，與傳統(tǒng)的橋梁用鋼相比，橋梁制造成本降低最高可達(dá)18%，重量減輕可達(dá)20%以上。

　　日本耐候橋梁用鋼。日本新日鐵住金公司開發(fā)了具有抗腐蝕性的耐候高性能橋梁用鋼BHS700W，其化學(xué)成分(%)為C：0.06;Si：0.26;Mn：1.30;P：0.004;S:0.001;Cu：1.13;Ni：1.46;Cr：0.59;Mo：0.44;V：0.04;B：0.0002;Pcm：0.280。

　　注：Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B(%)，為焊接冷裂紋敏感指數(shù)。

　　力學(xué)性能為屈服強(qiáng)度：782MPa;抗拉強(qiáng)度：820MPa;斷后伸長率24%;夏比沖擊吸收功：245J;厚度方向斷面收縮率：54%(夏比沖擊吸收功的測(cè)試條件為V型口平行軋向)。

　　在焊接方面，BHS700W的Pcm較大，且強(qiáng)度較高，導(dǎo)致BHS700W的焊接預(yù)熱溫度在50℃左右，同時(shí)其焊接熱輸入降為5kJ/mm，從而減少焊縫開裂。BHS700W的碳含量低，以此來降低焊接預(yù)熱溫度。除此之外，還有效利用了銅的時(shí)效析出來保證鋼板的強(qiáng)度。通過控制工藝過程，使鋼板的屈服強(qiáng)度增加了15MPa。

　　耐候橋梁用鋼的應(yīng)用

　　裸裝使用是耐候鋼最突出的優(yōu)點(diǎn)，也是最為常見的使用方法，可以最大程度發(fā)揮耐候鋼的優(yōu)勢(shì)。一般經(jīng)過4—15年后，耐候鋼表面才能形成一層致密的銹層，銹層逐漸穩(wěn)定，腐蝕發(fā)展減慢，外觀呈巧克力色，從而達(dá)到保護(hù)基體的目的，這是耐候鋼獨(dú)特的使用方法。耐候鋼的銹層穩(wěn)定化過程受鋼材的化學(xué)成分、使用環(huán)境、構(gòu)造細(xì)節(jié)和機(jī)械磨損等條件的影響，如果使用不當(dāng)而破壞了穩(wěn)定銹層的生成條件，則耐候鋼將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。實(shí)踐證明，在無嚴(yán)重大氣污染或非特別潮濕的地區(qū)，耐候鋼可直接裸露于大氣中，但在海水和含鹽地區(qū)、溫泉(含H2S)地區(qū)以及亞硫酸氣體濃度較高的地區(qū)都不宜使用耐候鋼。

　　耐候鋼裸裝使用時(shí)存在一些問題及使用界限，耐候鋼耐腐蝕銹層的形成有一定的年限，其間將生成紅銹(氧化鐵)和黃銹等疏松銹層和銹液，流淌銹蝕不僅影響外觀，且會(huì)污染環(huán)境。另外，耐候鋼在海鹽粒子飛揚(yáng)量超過5mg/(m2·d)以上的條件下使用時(shí)，不僅上述傾向顯著，而且生成穩(wěn)定銹層存在困難。因此，在建筑、橋梁和車輛等很多行業(yè)，耐候鋼和普通鋼一樣，大都是涂裝使用。涂裝后的耐候鋼和普通鋼相比，表現(xiàn)出極優(yōu)越的耐蝕性，能夠比普通鋼延長涂裝壽命。耐候鋼表面涂裝后，涂膜與基體附著力增強(qiáng)，在涂膜下發(fā)生局部腐蝕速度減小，使涂膜受到損傷的幾率減少。另外，由于其鐵銹擴(kuò)展的速度也比普通鋼慢，因此延長了涂膜劣化的時(shí)間，從而降低了重新涂裝維持費(fèi)用。但涂裝使用增加了使用成本和操作工序，難以普遍適用于大型構(gòu)件。

　　解決耐候鋼裸裝使用時(shí)早期銹液流淌與飛散引起的環(huán)境污染問題，促進(jìn)其在高鹽分環(huán)境下穩(wěn)定銹層生成的另一有效方法是采用耐候鋼表面穩(wěn)定化處理技術(shù)。1970年日本利用表面涂層改性加速保護(hù)性銹層的形成。日本原住友金屬工業(yè)公司為防止耐候鋼的銹蝕以及銹蝕對(duì)環(huán)境的污染，在耐候鋼表面涂帶有磷化低漆和能使鋼鐵表面形成鉻化膜成分的涂料。通過涂層掛片發(fā)現(xiàn)，涂層中的Zn3(PO4)2和重鉻酸鉀對(duì)銹層有一定的改性作用。在對(duì)耐候鋼掛片進(jìn)行了24年的掛片分析基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了具有保護(hù)性銹層的基本結(jié)構(gòu)，即含有鉻的α—FeOOH致密銹蝕層，由此提出了通過表面涂層改性加速生成該銹層的思想，并將其實(shí)施于1994年啟動(dòng)的新一代耐候鋼的研制中。1994年由日本技術(shù)廳組織原住友金屬工業(yè)公司、原新日鐵公司、東北工業(yè)大學(xué)和筑渡金屬研究所等單位對(duì)耐候鋼表面穩(wěn)定銹層技術(shù)進(jìn)行研究。目前，日本JFE、神戶制鋼和新日鐵住金等鋼鐵公司的耐候鋼材出廠前大多進(jìn)行銹層穩(wěn)定化處理，且廣泛使用在橋梁和建筑等鋼結(jié)構(gòu)上。

　　從材料和設(shè)計(jì)的角度講，一座橋梁的承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材也可以是不同型號(hào)，這類設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況配置不同型號(hào)(一般不超過兩種)的鋼材，以便充分發(fā)揮材料特性，取得經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過一些實(shí)際投入使用的橋梁數(shù)據(jù)的積累認(rèn)為，與全部采用高性能橋梁用鋼相比，采用不同型號(hào)鋼材設(shè)計(jì)可平均節(jié)省月10%的建橋費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益最好的一座橋的用鋼量減少28%，總費(fèi)用減少18%。

　　典型應(yīng)用實(shí)例

　　美國使用裸露耐候鋼的主要領(lǐng)域是橋梁建筑，1967年美國在世界上首次將耐候鋼用于“裸橋”方式建設(shè)鋼橋，并于1977年建成了世界上最大跨度的承式耐候鋼拱橋——新河峽大橋。1980年美國建橋所用的鋼材約12%為耐候鋼，1989年耐候鋼的使用比例達(dá)到15%。1990年密執(zhí)安州規(guī)定，只要遵守FHWA(FederalHighwayAdministration，美國聯(lián)邦公路管理局)的技術(shù)基準(zhǔn)，耐候鋼可裸裝使用。為了節(jié)省管理維修費(fèi)用，在勝景地帶和田園地帶，裸露耐候鋼廣泛應(yīng)用于護(hù)欄、鋼絲網(wǎng)和照明塔等道路附屬物領(lǐng)域。輸電鐵塔采用裸露耐候鋼已有8000座以上的實(shí)際業(yè)績。

　　1955年日本開始研發(fā)耐候鋼，1967年日本首次在知多2號(hào)橋使用。近幾年日本耐候鋼橋的占有量已達(dá)到鋼橋總數(shù)的20%左右。1969年日本公布了JISG3114—1968《可焊接耐候熱軋鋼材》標(biāo)準(zhǔn)。從1981年起，建設(shè)省土木研究所、鋼材俱樂部以及橋梁建設(shè)協(xié)會(huì)等3個(gè)部門進(jìn)行了耐候鋼的露天暴露試驗(yàn)等許多調(diào)查與研究，并于1985年制訂了《無涂裝耐候性橋梁設(shè)計(jì)施工要領(lǐng)》。日本橋梁建設(shè)協(xié)會(huì)規(guī)定，在海鹽粒子飛揚(yáng)量低于5mg/(m2·d)區(qū)域，耐候鋼可裸裝使用，如在太平洋一側(cè)大于2km、在日本海一側(cè)的北端大于20km、在南側(cè)大于5km和內(nèi)海大于1km的海岸線上可以使用無涂裝鋼材。

　　美國和日本在高性能耐候橋梁用鋼的生產(chǎn)及應(yīng)用等方面發(fā)展較快，產(chǎn)品開發(fā)方面注重提高可焊性、機(jī)械性能和耐候性。日本由于其特殊的氣候環(huán)境，在耐候橋梁用鋼的應(yīng)用推廣方面進(jìn)行了長年的追蹤分析，在腐蝕環(huán)境不同的地區(qū)對(duì)耐候鋼進(jìn)行露天暴露試驗(yàn)，開發(fā)了沿海高鹽環(huán)境用耐候橋梁用鋼。高性能耐候橋梁用鋼可滿足我國對(duì)鋼橋提出的節(jié)約環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展的新要求，為此，我國鋼鐵企業(yè)和橋梁設(shè)計(jì)部門可積極借鑒美國和日本的經(jīng)驗(yàn)，適度加大對(duì)耐候橋梁用鋼的設(shè)計(jì)與長年限應(yīng)用方面的研究。

責(zé)任編輯：田雙

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