高性能鋼及其在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

高性能鋼及其在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用1概述土木結(jié)構(gòu)材料的強度、耐久性和施工性能等對結(jié)構(gòu)的受力性能和經(jīng)濟性有很大的影響。由于天然材料很難具備所有合適的性能，所以發(fā)展出很多人工建筑材料。鋼材是土木結(jié)構(gòu)中應(yīng)用非常廣泛的一種建筑材料，而且它的性能也在不斷的改進之中。在20世紀(jì)90年代，高性能鋼材得到了很大的發(fā)展，在鋼材的強度、耐氣候性能、可焊性、韌性、抗疲勞性能等方面都取得了長足的進步，在高層建筑和大跨度橋梁中有著廣泛的應(yīng)用前景。本文將主要闡述國外高性能鋼的特性以及近年來其在新型橋梁結(jié)構(gòu)中的發(fā)展?fàn)顩r。2高性能鋼材的介紹高性能鋼材主要是指材料的某項或幾項性能較普通鋼材得到改善的鋼材，主要分為高強度鋼材和普通強度高性能鋼材。高強度鋼材的強度一直在不斷的發(fā)展中，部分鋼材的強度已達到985MPa。普通強度高性能鋼材的性能也在不斷的提高中，主要體現(xiàn)在鋼材的耐氣候性能（抗腐蝕性能）、焊接性能、低溫韌性、抗脆斷性能、高溫蠕變、疲勞性能以及持久強度等方面。2.1高強度鋼在橋梁結(jié)構(gòu)建設(shè)中，使用高強度鋼材可減薄所用鋼板的厚度，從而減輕結(jié)構(gòu)的重量，獲得大跨度，且方便施工。日本1974年修建的大阪港大橋首次大量使用了780N/mm2級高強鋼板。施工時為防止焊接低溫裂紋，焊接前進行了高溫預(yù)熱。新的可降低焊接預(yù)熱溫度的高性能鋼板及軋制方法將在下節(jié)介紹。在橋梁結(jié)構(gòu)中，高強度鋼材使用范圍一般僅用到570N/mm2級鋼為止，但在其他領(lǐng)域有時要求強度要比這高得多。如在揚水發(fā)電中的高落差電站就曾使用由780N/mm2級高強度鋼板焊成的水壓管，而且還正在開發(fā)使用有950N/mm2級高強度鋼板焊成的壓力管。2.2耐候鋼耐候鋼是指在惡劣環(huán)境條件下（主要是指腐蝕較強的環(huán)境），具有較強工作性能的鋼材。為了降低橋梁結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護與維修成本，耐候鋼在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用正在日益增加。耐候鋼在無涂裝使用時，影響腐蝕的最主要因素是大氣中的鹽份含量。具體結(jié)構(gòu)的腐蝕狀況由鹽份附著容易與否和濕度決定，還與有無雨水沖洗有關(guān)。比如，鋼箱梁腹板外側(cè)以及鋼管混凝土構(gòu)件外表面由于雨水容易把附著物沖洗掉，所以實際附著鹽份相對較少，容易形成穩(wěn)定的銹層。在濕度高、腐蝕性強的環(huán)境條件下，結(jié)構(gòu)鋼的防腐性能將成為設(shè)計考慮的重點。在高鹽腐蝕的沿海地區(qū)，耐候鋼的研究還在發(fā)展中。近年來，日本的鋼鐵制造商推出了一些新的耐候鋼，部分已經(jīng)投入實際應(yīng)用。這些新的耐候鋼能減少材料在大氣中有鹽份環(huán)境條件下的腐蝕，且不引起過量層狀撕裂和無粘節(jié)的片狀銹物。與傳統(tǒng)鋼材的化學(xué)成分相比，這些新型耐候鋼是低合金鋼，不含鉻，但含有鈮、鉬、磷、鈦等元素。根據(jù)含鹽環(huán)境中進行的暴露試驗，這些鋼的腐蝕損失比普通鋼少。工程實踐中，耐候鋼不涂裝就可以使用，是極好的結(jié)構(gòu)用材，并且可以將鋼結(jié)構(gòu)（如橋梁）壽命期內(nèi)的總費用降到最低。在日本，耐候鋼自60年代后期首次在橋梁上應(yīng)用之后，迄今應(yīng)用越來越多，在所有鋼橋中其應(yīng)用率已有5%～7%的水平。在美國，則大約高達45%的橋梁應(yīng)用了耐候鋼。2.3高焊接性能鋼焊接性能是指金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性和金屬在一定的焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)型式條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。焊接工藝中，焊接預(yù)熱是一個關(guān)鍵因素，控溫控軋技術(shù)（TMCP技術(shù)）是高性能鋼板降低焊接預(yù)熱溫度所采用的一項關(guān)鍵技術(shù)，最初僅用于490N/mm2級鋼（屈服強度≥355MPa）。這項技術(shù)將軋制后通常用的自然降溫改為可控降溫，使得當(dāng)降溫速度較快時，鋼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以得到改善。這樣就可以軋制出在同樣化學(xué)成分下（相同的碳含量和裂紋敏感系數(shù)）強度更高的鋼板(見圖2)［1］。采用TMCP技術(shù)的780N/mm2級鋼（屈服強度≥685MPa）在商業(yè)上的應(yīng)用始于日本明石海峽橋的加勁鋼板。普通780N/mm2級鋼焊接時需要120℃以上的預(yù)熱溫度，這帶來了各方面的問題，比如由熱膨脹引起的構(gòu)件變形和高溫所帶來的工作荷載增加。因此，不需要預(yù)熱或預(yù)熱溫度較低的高性能鋼板應(yīng)運而生，并且在日本明石海峽大橋項目中得到了大量的應(yīng)用。2.4高韌性鋼韌性包括沖擊韌性和斷裂韌性。一般說來，強度是材料抵抗變形和斷裂的能力，塑性是表示斷裂時，材料總的塑性變形程度，而韌性則是指材料塑性變形和斷裂全過程中吸收能量的能力，它是強度和塑性的綜合表現(xiàn)；沖擊韌性是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受動載或沖擊荷載作用的能力，通稱用沖擊韌度來衡量，主要與沖擊吸收功和斷口截面面積有關(guān)，而沖擊吸收功對材料的組織缺陷十分敏感，能靈敏地反映材料品質(zhì)、宏觀缺陷和微觀組織方面的微小變化。在寒冷工作條件下，鋼板的沖擊韌性對結(jié)構(gòu)的工作性能非常重要。修建在寒冷地區(qū)的橋梁用鋼要求在最低環(huán)境溫度的條件下能保證沖擊韌性。目前用于橋梁鋼板的標(biāo)準(zhǔn)要求必須保證0℃或－5℃時的韌性，有時甚至要保證－20℃和－40℃時的良好韌性。一般來說，橋梁鋼材在寒冷工作條件下，其應(yīng)變的時效效應(yīng)將降低鋼板的韌性，降低的幅度與鋼板的制作方法有關(guān)。通過減少碳、磷、硫和氮的含量、細化晶粒結(jié)構(gòu)及引入TMCP技術(shù)，可以減少鋼板韌性降低的幅度。對于耐候鋼來說，可以通過引入TMCP技術(shù)來增加其韌性。2.5抗強疲勞性能鋼工程上，疲勞主要是指金屬材料在應(yīng)力的反復(fù)作用下,由于內(nèi)部微小的缺陷或應(yīng)力集中而產(chǎn)生塑性變形，萌生裂紋，隨著外力的反復(fù)作用次數(shù)的增加，微小的裂紋逐漸擴展，最后導(dǎo)致材料開裂或破壞。通常所說的疲勞斷裂是指微觀裂縫在連續(xù)反復(fù)的荷載作用下不斷擴展直至斷裂的脆性破壞。出現(xiàn)疲勞斷裂時，截面上的應(yīng)力低于材料的抗拉強度，甚至低于屈服強度。同時，疲勞破壞屬于脆性破壞，塑性變形極小，因此是一種沒有明顯變形的突然破壞，危險性較大。對于焊接結(jié)構(gòu)，通常有微觀裂縫、空洞、夾渣等缺陷，這些缺陷與微裂紋類似。非焊接結(jié)構(gòu)中，在沖孔、剪邊、氣割等處也存在微觀裂紋。人們把微觀裂紋與缺陷統(tǒng)稱為"類裂紋"。正是由于這些類裂紋的存在，使結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載或交變應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生應(yīng)力集中，萌生裂紋并且擴展，最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂而破壞。目前改善鋼材疲勞性能的途徑主要有：通過磁化提高結(jié)構(gòu)疲勞性能；通過細化鋼材晶?？梢愿纳频椭芷谛阅埽煌ㄟ^加入微量鎂和鋯可改善鋼材的低周疲勞性能。通過這些方法提高材料抗裂紋產(chǎn)生的能力，延遲材料產(chǎn)生裂紋的萌生期，從而達到提高鋼材疲勞性能的目的。3高性能鋼材在傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用高性能鋼材在結(jié)構(gòu)及橋梁工程的應(yīng)用往往具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。橋梁結(jié)構(gòu)中使用高性能鋼材，會使得材料的用量減少了，當(dāng)然原材料及其加工費用卻有可能提高許多。高性能鋼材價格昂貴方面的缺點使得在許多結(jié)構(gòu)中采用這種材料不經(jīng)濟，原因在于材料用量減少的優(yōu)點往往不能有效地轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)造價方面的顯著效應(yīng)。但對于某些結(jié)構(gòu)，如果高性能鋼材用在結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)牟课?，減少材料用量所節(jié)省的費用卻足以彌補高性能鋼材昂貴的花費。結(jié)構(gòu)材料用量減少，自重也會減小，對于橋梁結(jié)構(gòu)，又可進一步減小橋墩的尺寸，使施工相對簡便，工程造價降低。由此，材料替換所取得的經(jīng)濟效益可導(dǎo)致整個工程總造價的降低。1963年美國推出了HPS-100W鋼，并于1964年在加利福尼亞北部的一座橋梁中首次使用，1969年列入美國試驗與材料協(xié)會（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)，并在美國橋梁建設(shè)中沿用至今。HPS-100W鋼強度高，耐腐蝕性強，但是價格相當(dāng)昂貴，施工現(xiàn)場的焊接條件必須嚴(yán)格控制，成本高，因此使用較少。1995年由美國聯(lián)邦公路局（FHWA）、美海軍、美鋼鐵學(xué)會（AISI）共同開發(fā)出另一種耐腐蝕鋼-HPS-70W，其屈服強度為483MPa，并于1996年應(yīng)用于美國田西納州杰克遜縣的一座橋梁上[2]，該橋跨越了馬丁克里克灣，共兩跨，跨徑為71.78m，橋面寬8.53m，由三片連續(xù)焊接梁組成，梁中心間距為3.20m。主梁使用HPS-70W，橫隔梁使用HPS-50W，腹板的截面尺寸，由正彎矩區(qū)的（1832×11）mm變化到負彎矩區(qū)的（1832×13）mm。正彎矩區(qū)鋼梁的上翼緣寬458mm,厚度由25mm變化到29mm，而下翼緣寬度仍為458mm，厚度由25mm變化到51mm，包含四個轉(zhuǎn)折點。負彎矩區(qū)使用了雙重對稱截面，翼緣含四個轉(zhuǎn)折截面。該橋中HPS-70W使用在純負彎矩區(qū)獲得了巨大的經(jīng)濟效益，原設(shè)計使用50W鋼306.3t，每千克合2.2美元，工程總造價為675319美元，在新設(shè)計中使用了HPS-70W鋼214.4t，50W鋼17.3t，用鋼量共231.7t，總造價為567203美元。折合每千克2.45美元?？傊?，HPS-70W鋼的使用，使橋梁的自重減輕了24.2%，工程造價降低了11%。4高性能鋼材在新型結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用4.1高性能雙腹板梁橋雙腹板梁橋是一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)，這種梁橋的腹板由兩塊很薄的金屬板和內(nèi)填充混凝土組成。兩塊金屬腹板采用高性能鋼材，其厚度之和比普通薄腹板的最小厚度還薄。高性能鋼材強度高，耐腐蝕性能好，因此腹板強度在不考慮折減條件下，強度能夠得到充分利用。如果采用不銹鋼鑲面或金屬鍍層，腹板的抗腐蝕性能將得到進一步加強，強度也得到提高，受力性能更能滿足工程要求。因此在實際的工程設(shè)計和橋梁建設(shè)中，在極限承載力要求相同的情況下，雙腹板梁橋的應(yīng)用不僅使結(jié)構(gòu)的自重和材料的費用大大降低，而且其工作性能也更好了。再者，雙腹板梁的腹板由于采用了HPS鋼材，組合后腹板的抗側(cè)傾剛度相對普通鋼梁較大，因此不需要加勁肋，用鋼量也遠少于普通梁，施工焊接作業(yè)也相對較少。雙腹板梁橋的腹板厚度總體上較薄，橫向剛度不大。兩腹板和內(nèi)填充混凝土之間需要足夠的連接才能保證兩腹板協(xié)同工作，防止單獨屈曲。4.2高性能鋼管端翼緣工字梁HendersonJ.E提出工字型梁的翼緣可用鋼管代替，管內(nèi)填充高強度、無收縮的混凝土，并施加預(yù)應(yīng)力，腹板可采用普通的平腹板、波紋腹板和組合腹板等。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)承載力高，剛度均勻，穩(wěn)定性好，管壁采用高性能鋼材后，又可消除普通焊接鋼梁橋中存在的疲勞破壞缺陷。和預(yù)應(yīng)力組合后，不僅能夠消除預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的細長問題，省去加勁結(jié)構(gòu)，減少焊接作業(yè)，而且梁的高度也大大降低。再者，工字型梁橋用鋼管混凝土翼緣后，自清潔容易，腐蝕問題少，自重輕，加工簡單。但是，預(yù)應(yīng)力的張拉需要有技術(shù)的工人操作，而且填充混凝土的硬化周期長，施工現(xiàn)場作業(yè)工序多，鋼管水平時混凝土澆筑的施工難度大，混凝土的強度和密實度難以達到要求。鋼管－預(yù)應(yīng)力混凝土翼緣工字型梁橋已有許多橋例。Penndot概念橋是美國賓夕法尼亞運輸局目前擬建的一座跨徑為60.96m的橋梁，結(jié)構(gòu)橫斷面圖和立面圖。該橋承力構(gòu)件的兩根鋼管的為屈服強度達485MPa的高強鋼材，鋼管內(nèi)填混凝土并張拉高強預(yù)應(yīng)力鋼筋。4.3鋼管混凝土拱橋鋼管