橋梁結(jié)構(gòu)用鋼的現(xiàn)狀與發(fā)展

吳晶鋼

摘要：橋梁鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)是交通運輸業(yè)發(fā)展所需的基礎(chǔ)行業(yè)，受到國家產(chǎn)業(yè)政策的大力支持，國家對交通運輸行業(yè)的投入也逐年加大，自2010年國家對公路橋梁、鐵路橋梁、市政橋梁的總投入達到9253億元，到2017年已經(jīng)超過16000億元，且后期繼續(xù)加大投入的勢頭強勁。基于此，本文對橋梁結(jié)構(gòu)用鋼的現(xiàn)狀與發(fā)展進行了探討。

關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu)；用鋼現(xiàn)狀；發(fā)展

1橋梁結(jié)構(gòu)用鋼現(xiàn)狀

隨著橋梁建設(shè)過程中所面臨的惡劣服役條件對橋梁結(jié)構(gòu)用鋼在力學(xué)性能、工藝性能和耐候性能等方面的要求逐漸提高，國內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)用鋼沿著“碳錳鋼→低合金鋼→高強鋼→高性能鋼”的發(fā)展軌跡，大致經(jīng)歷了六代產(chǎn)品的更迭，具體如表1所示。從發(fā)展歷程來看，國內(nèi)在橋梁結(jié)構(gòu)用鋼的化學(xué)成分、工藝控制、實物性能等方面已經(jīng)開展了深入研究，朝著具有高強度、優(yōu)良低溫韌性、良好的耐蝕性及抗疲勞性的高性能鋼方向發(fā)展。自2010年，國內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)用鋼發(fā)展更加注重安全與綠色的理念，從橋梁服役安全性、施工維護便捷性及全生命周期經(jīng)濟性方面考慮，高性能橋梁結(jié)構(gòu)用鋼受到越來越多的青睞，這也將是橋梁工程建設(shè)用鋼的發(fā)展主流，具有有廣闊的市場前景。

2橋梁鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用要點

2.1鋼桁梁整體節(jié)點設(shè)計

鋼桁梁的設(shè)計和計算分析具有完善的理論體系，在公路、鐵路、市政橋梁中也得到了廣泛的應(yīng)用。由于鋼桁梁橋具有很大的剛度，包括豎向及橫向剛度，在大跨徑橋梁，尤其是公鐵共用的大跨徑橋梁中被普遍采用。國內(nèi)所建設(shè)的公鐵共用橋梁都采用鋼桁梁結(jié)構(gòu)體系.鋼桁梁是相當(dāng)成熟且應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)體系。目前制約該結(jié)構(gòu)體系發(fā)展的主要是構(gòu)件設(shè)計及連接方式。通常鋼桁梁的構(gòu)件均通過節(jié)點板連接，通過節(jié)點板傳遞內(nèi)力并匯聚于整體，所以節(jié)點板在鋼桁梁連接中起著至關(guān)重要的作用，也具有較高的應(yīng)力水平，是設(shè)計及計算的重點。通常以不低于構(gòu)件強度的標(biāo)準(zhǔn)進行節(jié)點板計算、驗算和配置。節(jié)點板連接需要大量的高強螺栓，鉆制高強螺栓孔會對截面大比例削弱從而降低了材料利用率。為了保證各個方向的桿件有效連接，節(jié)點板需要依次與各個桿件拼接，工作量巨大同時也需要較大的拼裝場地、擺放場地。因此拼裝節(jié)點在一定程度上限制了鋼桁梁橋向更寬廣的領(lǐng)域發(fā)展。

2.2組合體系設(shè)計

組合體系是適應(yīng)于橋梁結(jié)構(gòu)剛度的需要而應(yīng)運而生的。通常對于鐵路橋梁或通行特殊荷載的橋梁要求具有較高的整體剛度和橋面局部剛度、梁端轉(zhuǎn)角限值，這也是鋼桁梁斜拉橋被廣泛應(yīng)用到鐵路橋梁中的原因。一般情況下，斜拉橋采用鋼桁梁、拱結(jié)構(gòu)和鋼桁梁相互組合能夠獲得較高的豎向剛度。板結(jié)構(gòu)和鋼桁梁結(jié)構(gòu)相互組合能夠獲得較好的橫向剛度和局部橋面剛度。目前鐵路橋梁中橋面板多采用多橫梁和多縱梁結(jié)構(gòu)體系，以滿足高速行車的功能要求。實際上，板桁組合結(jié)構(gòu)中橋面板作為主桁弦桿翼緣板的一部分參與第一體系受力，提高承載能力的同時也增加了體系剛度。橋面系參與主桁上、下弦桿第一體系作用的有效面積比在0.53～0.8。板桁組合結(jié)構(gòu)通常為多橫梁、多縱梁體系，其70%以上的傳力體系為先橫向、后縱向，即橋面板一節(jié)間橫梁一弦桿節(jié)點的傳力途徑。與橋面板連接的主桁架桿件承受節(jié)間荷載，主要為壓彎或拉彎構(gòu)件。限于材料與制造技術(shù)的發(fā)展，板桁組合結(jié)構(gòu)在設(shè)計及使用中進展緩慢?，F(xiàn)有的材料和制造技術(shù)為進一步推動該組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了一定的條件。但是板桁組合結(jié)構(gòu)為典型的空間受力體系，空間作用效應(yīng)明顯。在板桁組合結(jié)構(gòu)的構(gòu)造、傳力途徑、連接方式等方面進一步得到解決后該結(jié)構(gòu)必將被廣泛重視和發(fā)展。特別是適應(yīng)于整體節(jié)點發(fā)展需要的這一屬性，有利于推動板桁組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。在構(gòu)造細節(jié)方面，橋面板與弦桿的上翼緣板對接，橫梁的腹板則與弦桿的橫隔板對接，傳力途徑明確、受力合理。現(xiàn)有的制造技術(shù)保證了精度和受力以及傳力的可靠。

2.3橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接完整性的設(shè)計

橋梁施工中，應(yīng)該充分的考慮到其受力情況的不同，因此需要根據(jù)實際情況來改變焊接方式。焊接過程對于材料的性能影響比較大，應(yīng)該結(jié)合實際情況來確定，為了全面提升焊接質(zhì)量，避免因為其他因素造成橋梁質(zhì)量的下降，在施工中需要注意下面幾點：①根據(jù)疲勞與靜力來選擇最佳的焊接方法，從而以滿足工藝性能的要求。②根據(jù)疲勞特性以及抗裂痕所制定的標(biāo)準(zhǔn)，還要充分的考慮到工程的實際情況，分析基礎(chǔ)構(gòu)件所存在損壞的主要因素，深入的考慮影響橋梁使用壽命的因素。③設(shè)計中，要以按照簡便為基礎(chǔ)原則，確保各個施工工序都能夠順利進行。④采取措施來防止焊接過程中出現(xiàn)缺陷，根據(jù)實際情況來確定焊接工藝，進而可以提升焊接質(zhì)量。⑤積極采取措施來檢測焊接缺陷，對于不達標(biāo)的需要立即返修。

3推行鋼結(jié)構(gòu)橋梁產(chǎn)業(yè)化發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，雖然國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)橋梁得到不斷發(fā)展，獲得了明顯的發(fā)展成果，但是鋼結(jié)構(gòu)橋梁要想真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，還需要很長一段時間。目前鋼結(jié)構(gòu)橋梁實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，具體體現(xiàn)在以下幾方面：對于鋼結(jié)構(gòu)橋梁的宣傳與政策引導(dǎo)沒有落實到實處，鋼結(jié)構(gòu)橋梁產(chǎn)業(yè)化政策未得到全面落實；我國當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)橋梁均以國外標(biāo)準(zhǔn)為主，適合國情的鋼結(jié)構(gòu)橋梁規(guī)范尚未完善，缺乏統(tǒng)一的構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)與模數(shù)，實現(xiàn)工廠化制作與加工仍需漫長的時間；在科研費用方面的投入不足，對于防火、圍護結(jié)構(gòu)、防腐與抗沖擊等材料的選型缺乏合理性，專業(yè)設(shè)計與施工技術(shù)人員不足，制約了鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計進一步開展。

4橋梁結(jié)構(gòu)用鋼發(fā)展趨勢

目前，橋梁鋼結(jié)構(gòu)多采用鋼板焊接而成，包括應(yīng)用于桁架、節(jié)點的各類焊接H型鋼。隨著鋼板價格漲勢增大，考慮材料切損、焊接成本及流程增長因素，如繼續(xù)全部采用鋼板焊接加工，橋梁鋼結(jié)構(gòu)總體造價將大幅上漲。相比而言，整體成型的熱軋H型鋼在抵抗疲勞、縮短周期及降低成本方面更具有優(yōu)勢，越來越受到橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)的青睞，在設(shè)計時逐步開始考慮采用熱軋H型鋼。當(dāng)前，國內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)用熱軋H型鋼的規(guī)格配套及鋼種匹配還不完善，尤其是大高度及寬翼緣的規(guī)格需求缺口很大，限制了熱軋H型鋼在橋梁鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用。國內(nèi)橋梁鋼結(jié)構(gòu)采用高性能用鋼的總量很少，最主要是過多考慮初期建設(shè)成本，而從發(fā)展趨勢來看，國家在服役安全及綠色環(huán)保方面的關(guān)注度逐年提高，其需求增長動力強勁。但是，在保證高性能用鋼的性能及質(zhì)量前提下，如何有效降低成本，是目前重要的攻關(guān)方向，只有性能與成本達成平衡，高性能用鋼的在國內(nèi)橋梁鋼結(jié)構(gòu)方面的市場推廣才能實現(xiàn)突破。

結(jié)束語

綜上所述，加快推進鋼結(jié)構(gòu)橋梁產(chǎn)業(yè)化進程，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，需要各方面的協(xié)調(diào)參與，加強政策引導(dǎo)，完善標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，創(chuàng)新鋼結(jié)構(gòu)橋梁的施工技術(shù)，實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁產(chǎn)業(yè)研發(fā)團隊一體化，才能真正提升橋梁產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，改善橋梁的使用功能。國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)用鋼朝著采用熱軋H型鋼替代部分鋼結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展，但面臨熱軋H型鋼的規(guī)格配套及鋼種匹配還不完善等問題，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計規(guī)范方面有待進一開展研究。

（作者單位：南京中鐵橋機工程有限公司）