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1、. .中国焊接钢桥四十年清华大学陈伯蠡 中国钢桥发展概况常见的钢桥型式有：梁桥（I型板梁、桁梁、箱梁），拱桥（系杆拱、下承拱、上承拱、中承拱），以及悬索桥和斜拉桥等。大跨径公路钢桥主要是悬索桥（图1 a）和斜拉桥（图1b）；铁路钢桥多为梁桥和拱桥。图1c为低塔斜拉公铁两用梁桥。按造桥方法，钢桥可分为：a bC d图1 焊接钢桥的几种桥型 a-西陵长江大桥(公路桥)；b- XX长江二桥（公路桥）；c-XX长江大桥（公铁两用桥）；d-XX北盘江大桥（铁路桥）铆接桥(工厂制造和工地拼接均为铆接)、栓焊桥(工厂制造为焊接，工地拼接为高强度螺栓连接)和全焊桥(工厂制造和工地拼接均为焊接)。栓焊桥和全焊桥
2、统称为焊接桥。我国仅在长江上已有各种型式的桥梁29余座，其中接近半数为钢桥。“万里长江成了中国当代桥梁的展台。”（日报，2002.07.17）。关于焊接钢桥，可以公路桥为对象作比较，按大跨径悬索桥的跨径L600m，大跨径斜拉桥L400m，进行不完全统计，90年代以来中国已建成大跨径悬索桥7座，大跨径斜拉桥10座；同时期国外建成的大跨径悬索桥有10座（其中日本6座），大跨径斜拉桥有15座（其中日本6座）。按跨径大小排序12，在世界上建成的全部悬索桥中排名前十位的焊接钢桥中，中国有2座：江阴长江大桥（L=1385m）排名第四，XX青马大桥（L=1377m）排名第五；日本明石海峡大桥L=1990m，
3、居首位；丹麦的Great Belt大桥L=1624m，排名第二。而在全部斜拉桥排名前十位的焊接钢桥中，日本的多多罗大桥L=890m，居首位；中国有6座桥，排名第三、四、五、六、七和第九（XX长江二桥L=628m，排第三位；XX长江三桥L=618m，排第四位）。其中“不少已跻身世界级桥梁，展示出中国当代建桥技术达到了世界先进水平”。（日报2002.07.17）。1996年布达佩斯国际焊接钢桥会议中，日本东京大学伊藤教授在题为“东亚焊接桥的技术进展”2(p.67)中讲了日本的情况，并着重评述了中国钢桥的发展，“中国当前正在蓬勃开展经济工作，条件允许，也需要在广阔的中国大地上大规模建设永久性基础设施
4、。在建设大跨度索承载桥（cable-supported bridge）方面，中国仅次于日本，也有显着的成就。”“（中国）目前正在非常积极地开发焊接桥梁。”“关于焊接桥，中国工程技术人员正努力开发几百米跨径的全焊结构。”实际上他还并不完全了解中国的发展情况。这时中国已经建成第一座全焊钢桥，即西陵长江大桥（L=900m，单跨悬索钢桥，1996年）。当然，这较之世界上第一座全焊悬索钢桥Severn大桥（英国，1966年，L=987.6m）晚了30年。在2中，伊藤教授提到：“日本钢结构的生产超过了其它所有国家”，“研究开发了多种用于日本钢桥的焊接技术，但迄今为止，关于工地焊接方面似乎还有些保守。”这说
5、明当时日本还未全力开发全焊钢桥。看来，中国焊接钢桥已经开始疾步赶上并进入了世界的先进行列。为了便于了解，将我国近50年来有代表性的钢桥按建成年代排序，如表1所示。所谓有代表性，不涉及任何方面评价问题，而是为说明各时期桥型、钢材及钢梁制造安装方法等的演变。中国焊接钢桥的发展并不是一蹴而就的，而是设计、冶金、焊接各方面工程技术人员和技术工人密切配合，经历了几个阶段，努力不懈地试验研究，攻克一个个难关，才可以取得令世人瞩目的成果。中国钢桥是从建设铁路桥起步的，相当长的时间里是采用铆接制造技术。采用的钢材是低碳钢。60年代初，开始栓焊钢桥的研制，并于1962年和1964年分别建成雒容(L=44.62m
6、)和浪江(L=61.44m)两座试点钢桥，取得了初步经验。修建成昆铁路时，西南铁路建设总指挥部于1965年组成“栓焊梁战斗组”，集合有铁路系统内外19个单位共68人。其中，清华大学与XX焊接研究所担负焊接试验工作，中国科学院声学研究所负责超声波探伤开创工作。以成昆铁路建设为契机，中国开始进入了栓焊钢桥时代。成昆铁路全线共建成栓焊钢桥44座122孔，用钢量1.2万吨(16Mnq），高强螺栓100万套。“栓焊结构基本上代替了铆接结构，是我国钢桥技术的一次重大改革，并为我国钢桥的进一步发展提供了大量实践的经验，起到了促进作用。”3 我国在7080年代，桥梁用钢的质量不理想，同时也存在对焊接技术可靠性
7、的疑虑，而妨碍焊接技术在桥梁钢结构上的应用。1966年列为当时重点工程的枝城长江大桥（701桥），为三跨连续桁梁铁路桥，L=160m，原设计为栓焊梁。专为该桥开发了新桥梁钢 15MnVNq，并进行了全部的焊接性和焊接工艺试验；但最终仍将栓焊结构改变为铆接结构。只当15MnVNq钢经过不断优化，并将白河大桥作为试验桥取得成功后，才在1992年应用于XX长江大桥，建成L=216m公铁两用三跨连续系杆拱栓焊钢桥（最大板厚为56mm）。表1 中国钢桥的发展概况年代桥名类别桥型结构跨径/m钢材制造安装11957XX长江大桥公铁两用桁梁三跨连续128CT.3（相当Q235）铆接铆接21968XX长江大桥公
8、铁两用桁梁三跨连续16016Mnq铆接铆接31970迎水河桥（成昆铁路）铁路系杆拱刚性梁11216Mnq焊接栓接41991上XX浦大桥公路斜拉结合梁423StE355焊接栓接51992XX长江大桥公铁两用系杆拱三跨连续21615MnVNq焊接栓接61993XX杨浦大桥公路斜拉结合梁602StE355焊接栓接71995孙口黄河大桥铁路桁梁四跨连续108SM490C焊接栓接81996XXX浦大桥公路斜拉混合梁590S355N焊接栓接91996西陵长江大桥公路悬索单跨箱梁90016Mnq焊接焊接101997XX青马大桥公铁两用悬索三跨连续箱梁1377BS 4360Gr.500YS焊接栓接111997
9、虎门大桥公路悬索单跨箱梁88816Mnq焊接焊接121999XX海沧大桥公路悬索三跨连续箱梁64816Mn焊接焊接131999江阴长江大桥公路悬索单跨箱梁1385 Fe510D(S355J2G3)焊接焊接142000XX长江大桥公铁两用低塔斜拉三跨连续桁梁31214MnNbq焊接栓接152001XX长江二桥公路斜拉三跨连续箱梁62816Mnq焊接焊接162001XX长江大桥公路悬索单跨箱梁960Q345E焊接焊接172001XX塘沽海河大桥公路单塔斜拉混合箱梁310Q345E焊接焊接182001北盘江大桥铁路拱钢管砼236Q345D焊接焊接192001军山长江大桥公路斜拉三跨连续箱梁460Q3
10、45C焊接焊接20在建巫峡长江大桥公路拱钢管砼460Q345C焊接焊接21在建桃夭门大桥公路斜拉混合箱梁580Q345D焊接焊接22在建润扬长江大桥北汊大桥公路斜拉三跨连续箱梁406Q345D焊接焊接进入90年代，经济发展对交通建设的需求日益增长，高速公路网的建设和跨江河、跨海湾通道的建设，迫切要求修建大跨度钢桥。同时，我国冶金技术在不断进步，优质低合金高强钢有了长足发展。除了山海关和XX两个桥梁厂，大型船厂如沪东造船厂、江南造船厂、武昌造船厂及XX造船厂等均有条件承担大跨径钢桥的制造任务，并且已经成功地制造出高质量的焊接钢桥。1991年开始，XX率先先后建成三座斜拉式栓焊公路桥：南浦大桥（1
11、991年，L=423m，结合梁）、杨浦大桥（1993年，L=602m，结合梁）、X浦大桥（1996年，L=590m，混合梁）。正在建设的XX卢浦大桥，L=550m，是世界上最大的一座钢拱公路桥。1996年、1997年相继建成全焊结构的单跨钢箱梁悬索桥：西陵长江大桥（L=900m）、虎门大桥(L=888m)。以后陆续建成江阴长江大桥、石大桥、XX长江三桥、XX长江大桥、XX军山长江大桥、XX塘沽海河大桥及XX长江二桥等多座公路大桥。在建中的润扬长江大桥南汊大桥，L=1490m，为我国当前跨距最大的公路悬索桥。铁路钢桥也有明显进步，建造了诸如XX长江大桥、孙口黄河大桥、长东黄河二桥、XX长江大桥等
12、公铁两用栓焊钢桥或铁路专用栓焊钢桥；而且结构型式由源于铆接钢梁的节点栓接到焊接整体节点，栓焊比例由初期“少焊多栓”发展到全焊整体节点，钢材由16Mnq发展到14MnNbq，钢板厚度由24mm发展到56mm。XX长江大桥的建成，被铁路系统“誉为继XX、XX长江大桥之后我国桥梁建设的第四座里程碑4。” 这样，中国自90年代开始了焊接钢桥大发展的黄金时期。这表明，如实际有需要，中国完全具备条件有能力建设大跨度或超大跨度焊接钢桥。2. 中国焊接钢桥的若干技术进展 2. 1 桥梁钢的开发与优化 我国在发展焊接钢桥的过程中主要是采用国产钢材（表1），钢的强度级别主要是屈服点S345Mpa级，如16Mn（Q
13、345）。少数大桥应用了S420Mpa级的15MnVN。也采用过国外的钢材，钢的强度级别均相当于Q345，如SM490C、Fe510D、StE355之类。50年代，XX长江大桥采用的是前苏联提供的低碳钢，牌号为CT.3 (相当于Q235)。60年代，XX长江大桥建桥初期，使用的也是前苏联提供的低合金钢，牌号为2(S=290390Mpa),但仅供应少量后就停止了。从此开始了自力更生。XX钢铁公司全力以赴地开发16Mnq钢，以解XX长江大桥的“燃眉之急”。开始时，成材率很低，钢的质量不够理想，也不够稳定；但在以后的发展中逐步改善，并成为国内各个钢厂长时期的基本产品。16Mnq钢就是这样诞生的。在制
14、造成昆铁路栓焊钢梁时，使用了国内几个钢厂的16Mnq钢，曾遇到钢板严重的碳偏析情况。标准规定碳的含量上限为0.20%，而有的钢板碳含量高达0.24%。在工型杆件角焊缝埋弧焊时，焊缝产生热裂纹。不得不进行焊丝的优化工作，用H03MnTi焊丝代替H08A,焊剂HJ431也作了优化，结果才得以使用这批钢板。31985年以前，由于16Mn钢的生产工艺改进较小，钢的质量与国外同类钢材差距较大，钢中硫含量高，非金属夹杂物多，钢材性能低，特别是低温冲击韧性差，不能适应市场需要。因而，冶金部组织力量在“六.五”期间进行了科技攻关。在冶炼方面，采用了喷射冶金、稀土处理、微合金化等措施；在轧制方面，采取了控制轧制
15、、热机械控制处理（TMCP）、水幕冷却等新工艺，使16Mn钢的质量得到了很大提高，主要指标达到了当时国外同类钢材的水平。5表2列出新冶炼工艺的效果。将优化的16Mn钢与近些年应用的几种同类钢材作对比，列于表3，从表3可见，优化的16Mn钢的韧性确已得到明显改善。1966年初，为满足枝城长江大桥的需要，XX钢铁公司开始开发15MnVNq。针对设计的最大板厚为38mm，屈服点S420Mpa，确定正火供货，以保证韧性。起初，经过焊接性和焊接工艺试验，发现，正火的15MnVNq对焊接热循环敏感，过热区韧性降低幅度比较大，必须进一步优化。1976年，15MnVNq的优化工作取得了成果，并应用于白河大桥。
16、该桥为单线铁路桥，三跨连续桁梁，L=128m,作为试验桥已运营多年。15MnVNq钢的优化，实际是利用先进冶炼工艺尽可能降低硫和磷的含量，并适当降低碳含量，表4列出部分数据。表2 改进冶炼工艺后16Mn钢化学成分和夹杂物的控制标准5标准化学成分/%夹杂物级别CPS硫化物氧化物新工艺16Mn0.140.180.0250.0100.11.5YB(T)10-81 16Mnq0.120.200.0350.0352323表3 改进工艺的 16Mn与同类钢的低温韧性对比 钢号a KU /J.cm-2AKV /J-400-20-401优化16Mn5140200-1002Q345C（*巫峡桥，#军山桥）-70
17、280 *50260 #-3Q345D(润扬长江大桥北汊桥)-80250-4 Q345E（XX长江大桥）-65180514MnNbq（XX长江大桥）-1902206日本SM490C（孙口黄河大桥）-1402707丹麦Fe510D（Storebaelt桥）-234-注：#军山长江大桥钢料，武昌造船厂的-23试验数据。Q345C、D、E按GB/T1591-94供货，为多批统计数据。表4 15MnVNq的优化效果6化学成分 / %力学性能CPSs /mpa5 /%aKU /J 优化前0.180.0250.0324602430优化后0.140.0160.0084402198XX长江大桥所确定的焊接方法
18、主要是埋弧焊。为了与优化的15MnVNq匹配，焊丝和焊剂也应进行优化，表5列出焊丝与焊剂的匹配结果。所谓焊丝优化，就是尽量降低焊丝中的S（0.01%）、P(0.015%)，适当减少C。这种优化的焊丝，在钢号尾部附以“E”。在孙口大桥、XX大桥建造时也作了焊丝优化工作：H08AH08E；H10Mn2H08Mn2E；H08MnAH08MnE 。这些焊丝目前正在广泛应用于钢桥的制造中。表5 优化的15MnVNq钢埋弧焊焊丝焊剂匹配结果6焊丝焊剂S /MPa5 / %AKV (-20)H04MnMoEHJ 603(高碱度)58426104HJ 3506072159显然，钢材的“优化”，实际就是提高钢的
19、纯度。在今天的冶金技术看来已不是问题。兹再列举一些润扬长江大桥使用的Q345D钢几个具体批号的数据，如表6所示。比较表6和表4，显然，当时“优化”的结果远未达到当前所用钢种的性能水平。其实国外也经历过这种情形，在文献2（p.130）中写有：法国“在发展了连铸并同时采用电磁扰动，精炼除硫，促进了优质厚钢板的发展，无层状撕裂的缺陷。层状撕裂，只是一个过去的幽灵”。我国钢材的性能已达到相当高的水平，但似乎还有质量稳定性问题，尤其是低温韧度常有低值出现，还需进一步改善。表6 Q345D的化学成分和力学性能（山海关桥梁厂2002年数据）钢厂板厚/mm化学成分 / %力学性能CPSCeq *S /MPa5
20、 /%AKV (-20) /J舞阳300.130.0060.0020.4042028279,278,252650.160.0060.0020.4036031259,255,266鞍钢120.140.0140.0060.3947526196,162,125武钢200.150.0150.0010.3936031265,263,266*注：Ceq为碳当量在16Mn微合金化优化工作的基础上，于1994年修订完成低合金高强度钢国家标准GB1591-88，代之以GB/T1591-94。与此同时,XX钢铁公司逐渐将14MnNbq钢定型，并于1994年开始在京九铁路京杭运河桥（L=64m,1孔）上使用多年。1
21、4MnNbq钢开发成功表明我国冶金技术已达到较高的水平，可以保证钢的高纯净度和性能要求。表7和表8是XX长江大桥14MnNbq钢板供货技术条件WJX(ZB)36-1997。在表7、和表8中同时列出GB/T1591-94 标准关于Q345E级钢的技术条件，以资对比。表7 14MnNbq与Q345E钢的化学成分标准（质量分数，%）钢种CMnSiSPNb14MnNbq0.110.171.201.600.500.0100.0200.0150.035Q345E0.181.001.600.550.0250.0250.0150.060 *注：钢中至少含有Nb、V（0.020.20%）、Ti（0.020.02
22、0%）中一种。表8 14MnNbq与Q345E钢的力学性能标准(摘录)钢种交货状态板厚/mmS / MPab / MPa5/%冷弯180AKV-40/ J14MnNbq正火1637053068520d=2a100376034049062519d=3a120Q345E协议1634547063022d=2a273550295d=3a可见，14MnNbq较Q345E对钢的成分的控制更严，对低温韧性的要求也更高，而实际供货的质量也确实达到了这个要求。不仅如此，从防脆断设计方面考虑，还研究完成了14MnNbq钢板脆性断裂抗力试验7，如宽板拉伸试验、四点弯曲试验、落锤试验等，取得钢板厚度与设计温度、焊缝韧性要求的关系式，为大桥防脆断设计提供了一定依据。. .word.