橋梁結(jié)構(gòu)用鋼的現(xiàn)狀及發(fā)展

黃 琦，夏 勐，彭 林，丁朝暉，吳湄莊，吳保橋

(馬鋼股份公司技術(shù)中心 安徽省馬鞍山 243100)

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。根據(jù)交通運輸部、鐵道部頒布的《國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》與《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2008年調(diào)整)》，到2020年我國高速公路網(wǎng)總里程將達到8.5萬km，鐵路營業(yè)里程要將達到12萬km以上。大規(guī)模的交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施投資，將有效的帶動包括橋梁建設(shè)工程和施工機械設(shè)備相關(guān)制造業(yè)的發(fā)展，也為鋼鐵產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級帶來廣闊的市場空間[1]。

1 國內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)用鋼發(fā)展

1.1 國內(nèi)發(fā)展

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[2]，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。

表1 我國橋梁結(jié)構(gòu)用鋼發(fā)展過程中的典型產(chǎn)品

1.2 國外發(fā)展

在橋梁結(jié)構(gòu)用鋼領(lǐng)域，處于領(lǐng)先地位的國家是美國、日本，這兩個國家的橋梁鋼結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)用鋼的技術(shù)水平，是世界范圍內(nèi)的典型代表。

美國在橋梁結(jié)構(gòu)用鋼方面的研究經(jīng)歷了“低碳鋼→低合金鋼→高強度鋼→高性能鋼”的發(fā)展階段[3]。自1990年，美國大力推廣的橋梁結(jié)構(gòu)用高性能鋼(High Performence Steel，簡稱“HPS”)，均已開發(fā)成功并實際應(yīng)用于超過200座橋梁[4]。HPS不僅具有高強度、高韌性及優(yōu)良的焊接性能，而且具有一定的耐候性能。在美標中，屈服強度345 MPa級鋼分為低合金鋼和耐候鋼兩個系列，屈服強度458 MPa級和690 MPa級鋼均為HPS[5]。

日本從1960年開始，相繼開發(fā)出345、500、600、700和800MPa級鋼用于橋梁結(jié)構(gòu)，形成系列產(chǎn)品。為提高抵御鹽腐蝕的能力，新日鐵開發(fā)了含3%Ni但不含Cr的抗鹽腐蝕耐候橋梁結(jié)構(gòu)用鋼，NKK開發(fā)了含1.5%Ni和0.3%Mo的海岸用耐候橋梁結(jié)構(gòu)用鋼[6]。日本鐵鋼聯(lián)盟和東京技術(shù)協(xié)會共同開發(fā)出了BHS500W和BHS700W耐腐蝕高性能橋梁結(jié)構(gòu)用鋼，它具有優(yōu)秀的強韌性配比及優(yōu)良的焊接性能，應(yīng)用于明石海峽大橋、名神高速公路大橋?qū)嶋H工程中。目前，在日本橋梁結(jié)構(gòu)用鋼領(lǐng)域，高性能鋼已經(jīng)占比達35%。

2 國內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)用鋼標準

2.1 國外標準

國外的橋梁鋼標準規(guī)范，主要以美國、歐洲和日本的相關(guān)標準規(guī)定較為完善，應(yīng)用也較為廣泛。美國的橋梁結(jié)構(gòu)用鋼標準為ASTM A709/A709M《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》[7]，歐洲適用于橋梁結(jié)構(gòu)用鋼的標準EN l0025-4《熱機械軋制可焊接細晶粒結(jié)構(gòu)鋼》[8]，日本適用于橋梁結(jié)構(gòu)用鋼的標準有JIS G3106《焊接結(jié)構(gòu)用軋制鋼材》[9]與JIS G3114《焊接結(jié)構(gòu)用耐大氣腐蝕熱軋鋼材》[10]，各標準的鋼級牌號如表2所示：

表2 國外橋梁結(jié)構(gòu)用鋼標準

2.2 國內(nèi)標準

國內(nèi)最新的橋梁結(jié)構(gòu)用鋼執(zhí)行標準是GB/T714-2015 《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》，參照ASTM A709/A709M及EN 10025等標準。在保證質(zhì)量要求及生產(chǎn)便捷性的前提下，推廣應(yīng)用新工藝、新技術(shù)、新方法，有關(guān)耐蝕性能方面的規(guī)定參照ASTM A709/A709M。

標準適用于厚度不大于150 mm的橋梁用結(jié)構(gòu)鋼板、厚度不大于25.4 mm的橋梁用結(jié)構(gòu)鋼帶及厚度不大于40 mm的橋梁用結(jié)構(gòu)型鋼。

屈服強度從345 MPa到690 MPa，規(guī)定了熱軋、正火軋制、熱機械軋制、調(diào)質(zhì)及耐候鋼，對殘余元素B、 H、P、S、N有嚴格的規(guī)定，在抗疲勞、耐低溫、可焊性方面適應(yīng)國內(nèi)橋梁設(shè)計及結(jié)構(gòu)制造的絕大部分需求[11]。

表3 國標對橋梁結(jié)構(gòu)用鋼的硫、磷、硼、氫成分要求

3 國內(nèi)橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造

3.1 企業(yè)現(xiàn)狀

國內(nèi)橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)主要是中鐵系統(tǒng)、中船系統(tǒng)及中交系統(tǒng)的下屬企業(yè)，部分民營企業(yè)依靠靈活的運營機制和經(jīng)營策略，占有一定市場份額，但是承建一些中小型橋梁。

中鐵山橋集團有限公司、中鐵寶橋股份有限公司、武船重型工程有限公司是國內(nèi)第一批專業(yè)化橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)，技術(shù)實力強，設(shè)備設(shè)施齊全，生產(chǎn)規(guī)模大，市場占有率高，但存在經(jīng)營機制不夠完善，市場反應(yīng)速度慢等弱點。上海振華重工股份有限公司著眼于全球高端鋼結(jié)構(gòu)市場，憑借技術(shù)、質(zhì)量及產(chǎn)能優(yōu)勢后來居上，涉及到起重機械、海洋工程以及包括橋梁在內(nèi)的大型鋼結(jié)構(gòu)工程，資產(chǎn)及規(guī)模已經(jīng)遠遠領(lǐng)先其他廠商[12]。

表4 國內(nèi)主要橋梁結(jié)構(gòu)制造企業(yè)情況

3.2 橋梁結(jié)構(gòu)用鋼發(fā)展趨勢

橋梁鋼結(jié)構(gòu)的制造工藝流程長、生產(chǎn)過程復(fù)雜、機械化程度較高，主要制造成本包括人工費、材料費、機械使用費、涂裝費、運輸費和管理費等。其中，材料成本占總成本的60%以上，是成本控制的重要調(diào)整環(huán)節(jié)。人工費占總成本的15%左右，人工成本連年上漲逐漸成為影響鋼橋梁制造成本的重要因素之一。

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[13]。當前，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。

5 結(jié)論

(1)國內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)用鋼發(fā)展經(jīng)歷了從普通碳素鋼到高性能鋼的不同發(fā)展階段，目前已能覆蓋耐低溫、耐腐蝕等需求。

(2)高性能橋梁鋼在國外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但在國內(nèi)由于過多考慮初期建設(shè)成本，采用高性能用鋼的總量很少。

(3)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)標準及設(shè)計規(guī)范方面有待進一開展研究。

[1] 郭愛民,鄒德輝.我國橋梁用鋼現(xiàn)狀及耐候橋梁鋼發(fā)展[J]. 中國鋼鐵業(yè), 2008,9

[2] 黃維, 張志勤, 高真鳳等.國外高性能橋梁用鋼的研發(fā)[J]. 世界橋梁, 2011(02):18-21

[3] Miki C．Homma K，Tominaga T．High strength and high performance steels and their use in bridge structures[J].Journal of Constructional Steel Research，2002，58(1)：3-20

[4] 胡曉萍,溫東輝, 李自剛. 高性能橋梁用鋼的發(fā)展[J]. 熱加工工藝, 2008, 37(22):91-94

[5] Kayser C R，Swanson J A．Linzell D G．Characterization of material properties of HPS-485W(70W)TMCP for bridge girder applications[J].Journal of Bridge Engineering,2006.11(1)：99-108

[6] Re i dar Bjorhovde．Development and Use of High Performance Steel[J]．Journal of Constructional Steel Research，2004，(60):393-400

[7] ASTM A709/A709M Standard Specification for Structural Steel for Bridges

[8] ENl0025-4 熱機械軋制可焊接細晶粒結(jié)構(gòu)鋼

[9] JlS G 3106 焊接結(jié)構(gòu)用軋制鋼材

[10] JlS G 3114 焊接結(jié)構(gòu)用耐大氣腐蝕熱軋鋼材

[11] GB/T 714-2015橋梁用結(jié)構(gòu)鋼

[12] 王用中.我國橋梁鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].施工技術(shù), 2010, 39(8)：13-16

[13] 程鼎,夏勐,吳保橋,彥井成,黃琦,彭林,等.國內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)用鋼的現(xiàn)狀[J].安徽冶金科技職業(yè)學院學報, 2016，26(3)：1-4