鋼結(jié)構(gòu)在橋梁中的應(yīng)用和發(fā)展 鄭鴻儒摘 要：總結(jié)了我國鋼結(jié)構(gòu)在橋梁結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)用概況，提出了鋼結(jié)構(gòu)在進(jìn)今后橋梁建設(shè)中面臨的主要問題和今后在橋梁建設(shè)的發(fā)展前景作了一系列的規(guī)劃，并對其進(jìn)行了深入的調(diào)研與思考，提出了有借鑒性的建議。關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；應(yīng)用；發(fā)展?？v觀世界城市建設(shè)的發(fā)展趨勢,鋼結(jié)構(gòu)橋梁將代砼結(jié)構(gòu)橋梁,引領(lǐng)橋梁建設(shè)新時代。伴隨經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,為拓展生活空間,我國已進(jìn)入現(xiàn)代橋梁設(shè)新時代,將建造越來越多、越來越大、越來越長橋梁,這為鋼結(jié)構(gòu)橋梁提供了廣闊的天地。一鋼結(jié)構(gòu)橋梁的現(xiàn)狀1.鋼結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用隨著我國城市建設(shè)的高速發(fā)展和鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲、焊接、振動及橋梁上下結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、施工等方技術(shù)的日益成熟與發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)橋梁已廣泛應(yīng)用鐵路、公路、公鐵兩用橋及人行天橋。鐵路橋有濟(jì)鐵路橋、鄭州鐵路橋、蘭州市黃河橋等,公路橋有州丫髻沙橋、上海南浦大橋、廣東虎門大橋等,公兩用橋有武漢長江大橋、香港青馬大橋等,人行天有上海閡行區(qū)新梅人行鋼網(wǎng)架天橋與貴陽大十字街人行環(huán)形鋼天橋。雖然鋼結(jié)構(gòu)橋梁在多方面得了應(yīng)用,但現(xiàn)階段我國的橋梁仍舊以砼結(jié)構(gòu)占主地位。2. 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的主要形式1)鋼拱橋。承重結(jié)構(gòu)拱肋,主要承受軸向力,有彎矩或彎矩很小,主拱多用鋼管,主拱和橫梁可分別吊裝、現(xiàn)場焊接,解決一次吊裝質(zhì)量過重的問題，現(xiàn)場施工吊裝方便,大大縮短了工期。其代表有慶烏江大橋、四川萬縣長江大橋、廣州丫髻沙橋。2)斜拉橋。由加肋梁橋面體系與鋼索索塔體共同組成,其橋面體系為鋼箱梁、結(jié)合梁、鋼桁架。代表有南京長江二橋、武漢軍山長江大橋。3)懸索橋。由固定于索塔的主纜支承梁跨,主為承重索,它通過吊索吊住加勁,主纜索的兩端錨于地面。懸索橋是跨徑最大的橋梁,其最大跨徑論上可達(dá)4 000 m,是跨千米以上橋梁的優(yōu)選橋型。其代表有香港青馬大橋、江陰長江大橋、廣東虎門大橋等。3.鋼結(jié)構(gòu)橋梁的優(yōu)點1)鋼材的抗拉、抗壓、抗剪強度相對來說較高,鋼構(gòu)件斷面小、自重輕。強度高,適于建造荷載很大的橋梁;自重輕則可減輕基礎(chǔ)的負(fù)荷,降低基礎(chǔ)造價,同時還便于運輸和吊裝。2)鋼材的塑性和韌性好,使鋼結(jié)構(gòu)橋梁的抗震性能好。由于鋼材有良好的塑性和韌性,在地震作用下通過結(jié)構(gòu)的變形能較多地吸收能量,同時又具有能反復(fù)作用的韌性,從而大大提高了鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能?？拐鸷涂癸L(fēng)是橋梁安全的保障,鋼結(jié)構(gòu)橋梁優(yōu)良的抗震性能,擴(kuò)展了其使用范圍,尤其在高烈度地震區(qū)。3)施工工期短。鋼結(jié)構(gòu)的材料可軋制成多種型材,加工簡易而迅速;建筑材料的運輸量少,施工現(xiàn)場占地面積小;零星部件可在現(xiàn)場制作,連接簡便,安裝方便,施工周期短。4)鋼橋質(zhì)量容易保證。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般都在工廠制造、加工,工業(yè)化程度較高,精度高。5)鋼結(jié)構(gòu)橋梁在使用過程中易于改造,如加固、接高、拓寬路面,變動比較容易、靈活。6)鋼結(jié)構(gòu)是環(huán)保產(chǎn)品。從鋼橋上拆換下來的舊部件可重新熔煉,可節(jié)約能源,符合可持續(xù)發(fā)展的政策。7)管線布置方便。在鋼橋的結(jié)構(gòu)空間中,有許多孔洞與空腔,使管線的布置較為方便,而且管線的更換、修理較方便。8)鋼結(jié)構(gòu)橋梁適用范圍廣,且易做成大跨度。實踐和研究表明:鋼砼結(jié)構(gòu)適用于500 m以下跨度的拱橋和斜拉橋,不適用于懸索橋;鋼結(jié)構(gòu)橋適用于跨度的拱橋、懸索橋和斜拉橋,特別是大跨度的索橋。鋼結(jié)構(gòu)將撐起我國即將建造的多座又長又的跨?？缃瓨蛄?。發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)橋梁的良好基礎(chǔ)。二有如下幾個方面的良好基礎(chǔ)1.物質(zhì)基礎(chǔ)我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn),為鋼結(jié)構(gòu)橋梁發(fā)展提供了堅實基礎(chǔ)。自1996年我國鋼產(chǎn)量突1億t后,鋼材產(chǎn)量一路飆升。同時,鋼鐵企業(yè)通結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)改造使鋼鐵產(chǎn)品的品種及材質(zhì)有明顯改善,國內(nèi)長期短缺的H型鋼和厚鋼板等品的供應(yīng)已基本解決。我國有實力雄厚的專業(yè)橋梁,如山海關(guān)、豐臺、寶雞和株洲等專業(yè)橋梁廠。有布全國的鋼結(jié)構(gòu)施工單位和造船廠,這些企業(yè)都合鋼結(jié)構(gòu)橋梁的施工,如常州船廠、廣船國際集團(tuán)司都為多座橋梁提供了鋼結(jié)構(gòu)。2.技術(shù)基礎(chǔ)鋼橋疲勞、焊接、振動及橋梁上下結(jié)構(gòu)設(shè)計、制、施工等方面技術(shù)的成熟與發(fā)展,有關(guān)規(guī)范、規(guī)程不斷完善,為鋼結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用奠定了必要的技基礎(chǔ)。我國有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)焊接和高強度螺栓連接、與砼組合結(jié)構(gòu)、鋼管砼及鋼骨砼結(jié)構(gòu)等方面的設(shè)、施工、驗收規(guī)范及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)行了20多本。3.鋼橋防腐難題得到了有效解決橋梁專家對鋼橋的損壞原因進(jìn)行研究后得出結(jié):鋼橋失效主要是由材料制作不良、自然災(zāi)害和各交通事故、金屬腐蝕等造成的,其中金屬腐蝕是主原因之一。涂料涂裝防腐涂層的使用壽命只有215年,每35年的防腐蝕涂裝費用巨大,占鋼橋費用的10%以上。因此,世界各國都致力于開發(fā)梁防腐蝕新工藝、新材料,并成功開發(fā)出熱噴涂長防腐技術(shù):依靠專用設(shè)備產(chǎn)生的熱源(火焰、電弧、離子等),把金屬或金屬固體材料加熱熔融或軟,并用熱源自身的動力或外加高速氣流霧化,使霧化的噴涂材料快速噴射到經(jīng)預(yù)處理干凈的基體表面形成涂層。這些噴涂層具有防腐蝕、耐磨、耐熱、抗氧化、絕緣、導(dǎo)電、屏蔽等功能,其耐腐蝕壽命可達(dá)3050年。熱噴涂現(xiàn)有噴鋅、噴鋁兩種。20世紀(jì)50年代,北美洲和歐洲在鋼橋防腐中大量使用熱噴涂長效防腐技術(shù)。該技術(shù)于20世紀(jì)90年代在我國橋梁領(lǐng)域得到了部分應(yīng)用,并取得了良好效果。目前,我國在施工質(zhì)量和生產(chǎn)效率方面都獲得了穩(wěn)定提高,將使熱噴涂長效防腐技術(shù)在鋼橋梁中得到廣泛應(yīng)用,從而推動鋼橋梁的發(fā)展。4.我國發(fā)展戰(zhàn)略的實施將為鋼結(jié)構(gòu)橋梁提供廣闊的天地。我國在20世紀(jì)后20年交通領(lǐng)域所取得成就的鼓舞下,構(gòu)想21世紀(jì)更大規(guī)模的發(fā)展。實現(xiàn)南北貫通的主干線之一的同三線(同江三亞)上將興建渤海海峽工程、長江口越江工程、杭州灣跨海工程、珠江口伶仃洋工程;舟山群島也在進(jìn)行通過6個跨島橋梁工程與大陸相連接的宏偉規(guī)劃;許多沿江城市都將通過建造多座越江大橋形成城市環(huán)線,以解決日益擁擠的交通問題。所有這些宏偉規(guī)劃的實施,特別是超長大橋梁的建設(shè)將為鋼結(jié)構(gòu)橋梁提供廣闊的天地。5.結(jié)論適用于不同形式、各種跨度的鋼結(jié)構(gòu)橋梁在我國橋梁建設(shè)中將得到越來越多的應(yīng)用,特別是在超長大橋梁中,鋼結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用前景更加廣闊。三、我國橋梁用鋼的發(fā)展現(xiàn)狀由于其工作環(huán)境和所承受的載荷的不同，大型橋梁用鋼可分為公路橋梁用鋼和鐵路橋梁用鋼兩大類。另外跨海大橋用鋼由于其所處的海洋腐蝕性環(huán)境以及橋梁下部結(jié)構(gòu)的不問，也有其不同的特點。1. 鐵路橋梁用鋼 自從前蘇聯(lián)援建武漢長江大橋以來，我國已建造了大量的大跨度鐵路橋梁。最初的武漢長江大橋采用的是前蘇聯(lián)生產(chǎn)的A3鋼，其屈服強度僅要求大于等于240MPa，橋梁的上段結(jié)構(gòu)采用的是鉚接菱形連續(xù)梁。 武漢長江大橋 1969年建成通車的南京長江大橋，則是由完全由我國自主沒計建造的大型公鐵兩用橋梁，采用的是16Mnq鋼，其屈服強度僅要求大于等于320MPa。當(dāng)時16Mnq在行業(yè)中雖然應(yīng)用廣泛，但使用部門反映，16Mnq鋼板采用U形缺口沖擊，韌性指標(biāo)偏低。同時也反映板厚效應(yīng)嚴(yán)重，鐵路橋僅能用到32mm,超過此厚度冶金質(zhì)量難以保證。南京長江大橋 受制于大跨度鐵道橋梁的發(fā)展需求，迫切需求鐵路橋梁用鋼提高強度級別。1995年建成的九江長江大橋，采用的就是15MnVNq。和16Mnq鋼相比，這種鋼的強度確實有了顯著提高，屈服強度要求大于等于412MPa(當(dāng)板厚16mm時)。但由于采用加釩捉高強度的方法，導(dǎo)致鋼板低溫韌性和焊接性較差，給橋梁制造帶來很多困難。九江長江大橋建成后，該鋼種一直未能得到推廣應(yīng)用。橋梁鋼已成為制約鐵路橋梁發(fā)展的一個突出矛盾。 上世紀(jì)90年代初，鐵路橋梁建設(shè)面臨蕪湖長江大橋的建設(shè)，主跨達(dá)312米。橋梁鋼問題顯得愈加突出。為了保證橋梁工程的安全性和加工制造的方便，需要突出解決鋼板的低溫韌性和焊接性等問題。為此中鐵大橋局和武鋼聯(lián)合共同開發(fā)了大跨度鐵路橋梁用鋼14MnNbq。該鋼采用降碳加鈮合超純凈的冶金方法，保證了屈服強度ReL370MPa的基礎(chǔ)上，具有優(yōu)異的-40低溫沖擊韌性(蕪湖橋標(biāo)準(zhǔn)要求-40Akv120J)。同時焊接性能也大大提高，解決了板厚效應(yīng)問題，可大批量供應(yīng)3250mm厚鋼板。在蕪湖長江大橋46000噸供貨統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：所供1050mm鋼板沖擊韌性平均實物質(zhì)量達(dá)到-40Akv為223J的優(yōu)異水平。蕪湖長江大橋橋建設(shè)后的10年時間里，14MnNbq鋼在全面滿足了鐵路橋梁建設(shè)的需要，得到了極為廣泛的應(yīng)用。2000年，14MnNbq鋼納入橋梁鋼國家標(biāo)準(zhǔn)，成為Q370qE鋼。鐵路橋梁用鋼 正在建設(shè)的京滬高速鐵路南京大勝關(guān)長江大橋，是京滬高速鐵路和滬漢蓉鐵路于南京跨越長江的越江通道，是我國鐵路橋梁史上的又一個里程碑，為六線鐵路橋梁，設(shè)計時速300km/h，是京滬高速鐵路的控制性工程。該橋具有大跨、重載、高速三大特點。主桁構(gòu)件最大軸力高達(dá)9000余噸，中主墩最大支座反力約15000噸。如果繼續(xù)使用傳統(tǒng)的14MnNbq鋼，則最大板厚必須使用到120mm，這將會給設(shè)計施工帶來極大的困難。為此，武鋼和中鐵大橋局聯(lián)合開發(fā)了WNQ570鋼，以滿足國家“十一五”重點工程京滬高速鐵路南京大勝關(guān)長江大橋的工程需要。 與我國現(xiàn)有橋梁鋼相比，WNQ570鋼有以下特點：強度明顯提高，不區(qū)分板厚效應(yīng)，在1268mm范圍內(nèi)，均要求Rm570MPa。而15MnVNq鋼和14MnNbq鋼在板厚為68mm時，僅為Rm530MPa或Rm490MPa。由于采用一系列精煉技術(shù)，同時隨著軋制力的提高，鋼板由傳統(tǒng)的最大使用板厚為50mm擴(kuò)展到68mm。在焊接材料上，革新傳統(tǒng)的C-Mn、Si-Mn系焊材的焊縫強度僅在500MPa級別以下、焊縫低溫沖擊韌性僅能達(dá)到-30時48J的狀況，研制新型針狀鐵索體型橋梁用鋼的手工焊、氣保焊、埋弧焊焊接材料，焊縫強度大于570MPa，同時-40沖擊韌性可以達(dá)到48J以上。我國鐵路橋梁發(fā)展的標(biāo)志性工程見表1。2. 公路橋梁用鋼 由于公路橋梁的受力狀況和鐵路橋梁有諸多不同，因此，公路橋梁用鋼多選用Q345、Q370等鋼種，也有使用Q420的，但供貨技術(shù)條件中強度一般都是隨板厚的增加而遞減。鋼板的規(guī)格也比較薄，需求較大，該品種的競爭主要集中在價格、鋼廠資源等方面。鋼牌號以及各種鋼種3. 跨海大橋用鋼 跨海大橋用鋼主要集中于管樁鋼、通航主橋的橋梁鋼、橋面護(hù)欄以及帶肋鋼筋，其中管樁鋼、通航主橋的橋梁鋼占鋼材總量的60%，僅管樁鋼就占其鋼材總量的50%左右。管樁鋼的材質(zhì)主要為Q345C，規(guī)格范圍為1625mm之間，大部分為熱軋卷板，并采用螺旋焊管形式，跨海大橋的管樁用鋼量特別大，杭州灣跨海大橋就使用了武鋼生產(chǎn)的管樁鋼Q345C約39萬噸。通航主橋的橋梁鋼的材質(zhì)主要集中于Q345D級別，規(guī)格為1050mm之間，主要為平板產(chǎn)品；護(hù)欄用鋼的材質(zhì)為Q345D/Q390D，規(guī)格為425mm之間。上述三個產(chǎn)品種對鋼材的耐蝕性都有較高的要求，杭州灣跨海大橋甚至第一次明確提出了使用壽命100年以上的要求，因此，橋梁用鋼的耐蝕性能成為設(shè)計者選材的重要考慮部分?？绾４髽蛩?、結(jié)束語在我國中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃中明確提出，到2020年，全國鐵路營運里程達(dá)到10萬公里，主要繁忙干線實現(xiàn)客貨分線，規(guī)劃建設(shè)新線約1.6萬公里，規(guī)劃既有線增建二線1.3萬公里，這為鐵路橋梁的建設(shè)提供了極大的機遇，也將為我國鐵路橋梁用鋼帶來更大的發(fā)展。五大跨海工程的建設(shè)對橋梁用鋼的發(fā)展也將產(chǎn)生極大的推動作用。在今后的橋梁鋼發(fā)展中，順應(yīng)橋梁工程發(fā)展需要的高強度、可焊性、防斷性、疲勞性、耐候性良好的高性能橋梁鋼將是我國橋梁鋼發(fā)展的主要方向。我國在橋梁鋼的使用上還缺乏足夠的工程數(shù)據(jù)，相應(yīng)的行業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn)還未建立，還