中国钢桥发展概况Word格式文档下载.docx
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瞧来,中国焊接钢桥已经开始疾步赶上并进入了世界得先进行列。
为了便于
了解,将我国近50年来有代表性得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,而就是为说明各时期桥型、钢材及钢梁制造安装方法等得演变。
中国焊接钢桥得发展并不就是一蹴而就得,而就是设计、冶金、焊接各方面工程技术人
员与技术工人密切配合,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
取得令世人瞩目得成果。
中国钢桥就是从建设铁路桥起步得,相当长得时间里就是采用铆接
制造技术。
采用得钢材就是低碳钢。
60年代初,开始栓焊钢桥得研制,并于1962年与1964
年分别建成雒容(L=44、62m)与浪江(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,清华大学与哈尔滨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,就是我国钢桥技术得一次重大改革,并为我国钢桥得进一步发展提供了大量实践得经验,起到了促进作用。
”〔3〕
我国在70〜80年代,桥梁用钢得质量不理想,同时也存在对焊接技术可靠性得疑虑,而妨碍焊接技术在桥梁钢结构上得应用。
1966年列为当时重点工程得枝城长江大桥(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
只当
并进行了全部得焊接性与焊接工艺试验;
但最终仍将栓焊结构改变为铆接结构。
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
1992年应用于九江
年代
桥名
类别
桥型
结构
跨径
/m
钢材
制造
安装
1
1957
武汉长江大桥
公铁两用
桁梁
三跨连续
128
CT、3(相当
Q235)
铆接
2
1968
南京长江大桥
160
16Mnq
3
1970
迎水河桥(成昆铁路)
铁路
系杆拱
刚性梁
112
焊接
栓接
4
1991
上海南浦大桥
公路
斜拉
结合梁
423
StE355
5
1992
九江长江大桥
三跨连续
216
15MnVNq
6
1993
上海杨浦大桥
602
7
1995
孙口黄河大桥
四跨连续
108
SM490C
8
1996
上海徐浦大桥
混合梁
590
S355N
9
西陵长江大桥
悬索
单跨箱梁
900
56mm。
表1中国钢桥得发展概况
10
1997
香港青马大桥
三跨连续箱梁
1377
BS4360Gr、500YS
11
虎门大桥
■^跨
箱梁
888
12
1999
厦门海沧大桥
648
16Mn
13
单跨
1箱梁
1385
Fe510D
(S355J2G3)
14
2000
芜湖长江大桥
°
低—塔1
三跨连
1续桁梁
312
14MnNbq
15
2001
南京长江二桥
1续箱梁
628
16
宜昌长江大桥
960
Q345E
17
大津塘沽海河大桥
单塔斜拉
混合箱梁
310
18
^州
北盘江大桥
拱
钢管砼
236
Q345D
19
武汉
军山长江大桥
续箱梁
460
Q345C
20
在建
巫峡长江大桥
21
舟山桃夭门大桥
580
22
润扬长江大桥北汊大桥
406
进入90年代,经济发展对交通建设得需求日益增长,高速公路网得建设与跨江河、跨海湾通道得建设,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。
除了山海关与宝鸡两个桥梁厂,大型船厂如沪东造船厂、江南造船厂、
武昌造船厂及广州造船厂等均有条件承担大跨径钢桥得制造任务,并且已经成功地制造出高
质量得焊接钢桥。
1991年,L=423m
L=590m,混合梁)。
1996年、1997年
1991年开始,上海率先先后建成三座斜拉式栓焊公路桥:
南浦大桥(结合梁)、杨浦大桥(1993年,L=602m,结合梁)、徐浦大桥(1996年,正在建设得上海卢浦大桥,L=550m就是世界上最大得一座钢拱公路桥。
相继建成全焊结构得单跨钢箱梁悬索桥:
西陵长江大桥(L=900n)、虎门大桥(L=888m)。
以
后陆续建成江阴长江大桥、汕头石大桥、武汉长江三桥、宜昌长江大桥、武汉军山长江大
桥、天津塘沽海河大桥及南京长江二桥等多座公路大桥。
在建中得润扬长江大桥南汊大桥,L=1490m为我国当前跨距最大得公路悬索桥。
铁路钢桥也有明显进步,建造了诸如九江长江大桥、孙口黄河大桥、长东黄河二桥、芜湖长江大桥等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得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
芜湖长江大桥得建成,被铁路系统“誉为继武汉、南京、九江长江大桥之后我国桥梁建设得
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得黄金时期。
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、中国焊接钢桥得若干技术进展
2、1桥梁钢得开发与优化
1),钢得强度级别主要就是
S>
420Mpa级得15MnVN也采用
Fe510DStE355之类。
牌号为CT3(相当于Q235)。
我国在发展焊接钢桥得过程中主要就是采用国产钢材(表屈服点bS>
345Mpa级,女016Mn(Q345)。
少数大桥应用了c过国外得钢材,钢得强度级别均相当于Q345,如SM490C
50年代,武汉长江大桥采用得就是前苏联提供得低碳钢,
60年代,南京长江大桥建桥初期,使用得也就是前苏联提供得低合金钢,牌号为H沢2(b
s=290〜390Mpa),但仅供应少量后就停止了。
从此开始了自力更生。
鞍山钢铁公司全力以赴地开发16Mnq钢,以解南京长江大桥得“燃眉之急”。
开始时,成材率很低,钢得质量不够
理想,也不够稳定;
但在以后得发展中逐步改善,并成为国内各个钢厂长时期得基本产品。
16Mnq钢就就是这样诞生得。
在制造成昆铁路栓焊钢梁时,使用了国内几个钢厂得16Mnq钢,曾遇到钢板严重得碳偏
析情况。
标准规定碳得含量上限为0、20%而有得钢板碳含量高达0、24%。
在工型杆件角
焊缝埋弧焊时,焊缝产生热裂纹。
不得不进行焊丝得优化工作,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。
〔3〕
1985年以前,由于16Mn钢得生产工艺改进较小,钢得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,特别就是低温冲击韧性差,不能适应市场需
TMCP、
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、热机械控制处理(水幕冷却等新工艺,使16Mn钢得质量得到了很大提高,主要指标达到了当时国外同类钢材得水平。
〔5〕表2列出新冶炼工艺得效果。
将优化得16Mn钢与近些年应用得几种同类钢材
作对比,列于表3,从表3可见,优化得16Mn钢得韧性确已得到明显改善。
1966年初,为满足枝城长江大桥得需要,鞍山钢铁公司开始开发15MnVNq针对设计得
最大板厚为38mm屈服点bS>
420Mpa确定正火供货,以保证韧性。
起初,经过焊接性与焊接工艺试验,发现,正火得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得优化工作取得了成果,并应用于白河大桥。
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钢得优化,实际就是利
用先进冶炼工艺尽可能降低硫与磷得含量,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钢化学成分与夹杂物得控制标准〔5〕
标准
化学成分/%
夹杂物级别
C
P
S
硫化物
氧化物
新工艺16Mn
0、14〜0、18
<
0、025
0、010
0、1
1、5
YB(T)10-8116Mnq
0、12〜0、20
0、035
0、035
2〜3
表3改进工艺得16Mn与同类钢得低温韧性对比
钢号
aKU/J、
cm-2
Akv/J
-40C
0C
-20C
优化16Mn〔5〕
140
200
-
100
Q345C(*巫峡桥,#军山桥)
70〜280*
50〜260#
Q345D润扬长江大桥北汊桥)
80〜250
Q345E(宜昌长江大桥)
65〜180
14MnNbq(芜湖长江大桥)
190〜220
日本SM490C(孙口黄河大桥)
140〜270
丹麦Fe510D(Storebaelt桥)
234
注:
①#军山长江大桥钢料,武昌造船厂得-23C试验数据。
②Q345C、D、E按GB/T1591-94供货,为多批统计数据。
表415MnVNq得优化效果〔6〕
化学成分/%
力学性能
(Ts/mpa
55/%
aKu/J
优化前
0、18
0、025
0、032
24
30
优化后
0、14
0、016
0、008
440
98
九江长江大桥所确定得焊接方法主要就是埋弧焊。
为了与优化得15MnVNc匹配,焊丝与
焊剂也应进行优化,表5列出焊丝与焊剂得匹配结果。
所谓焊丝优化,就就是尽量降低焊丝
中得S(<0、01%)、P(<0、015%),适当减少Co这种优化得焊丝,在钢号尾部附以“E”。
在孙口大桥、芜湖大桥建造时也作了焊丝优化工作:
H08A^H08EH10Mn古H08Mn2EH08MnA
TH08MnE。
这些焊丝目前正在广泛应用于钢桥得制造中。
表5优化得15MnVNq钢埋弧焊焊丝焊剂匹配结果〔6〕
焊丝
焊剂
bs/MPa
55/%
AKV(-20c)
H04MnMoE
HJ603(高碱度)
584
26
104
HJ350
607
59
显然,钢材得“优化”,实际就就是提高钢得纯度。
在今天得冶金技术瞧来已不就是问题。
兹再列举一些润扬长江大桥使用得Q345D钢几个具体批号得数据,如表6所示。
比较表
6与表4,显然,当时“优化”得结果远未达到当前所用钢种得性能水平。
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,促进了优质厚钢板得发展,无层状撕裂得缺陷。
层状撕裂,只就是一个过去得幽灵”。
我国钢材得性能已达到相当高得水平,但似乎还有质量稳定性问题,尤其就是低温韧度常有
低值出现,还需进一步改善。
表6Q345D得化学成分与力学性能(山海关桥梁厂2002年数据)
钢厂
板厚
/mm
Ceq*
bS/MPa
AkV(-20c)/J
舞阳
0、
0、40
420
28
279,278,252
006
002
65
360
31
259,255,266
鞍钢
0、39
475
196,162,125
014
武钢
265,263,266
015
001
*注:
Ceq为碳当量
在16Mn微合金化优化工作得基础上,于1994年修订完成〈低合金高强度钢〉国家标准
14MnNbq钢开发成功表明我国冶
表7与表8就是芜湖长江大
GB1591-88,代之以GB/T1591-94。
与此同时,武汉钢铁公司逐渐将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。
金技术已达到较高得水平,可以保证钢得高纯净度与性能要求。
与表8中同时列出GB/T1591-94
桥14MnNbq钢板供货技术条件[WJX(ZB)36-1997]。
在表7、
标准关于Q345E级钢得技术条件,以资对比。
14MnNbq
0、11~0、
1、20~1、
60
0、
50
010
0、020
0、015~0、035
0、18
1、00~1、
55
0、025
0、015~0、060
025
*
钢中至少含有Nb、V(0、02~0、、20%)、Ti(0、02~0、020%)中一种。
表814MnNbq与Q345E钢得力学性能标准(摘录)
钢种
交货状态
TS/
MPa
Tb/MPa
冷弯
1800
AKV-40C/J
正火
16
>
370
530~685
20
d=2a
100
37~60
340
490~625
19
d=3a
120
协议
345
470~630
22
27
35~50
295
可见,14MnNbq较Q345E对钢得成分得控制更严,对低温韧性得要求也更高,而实际供货得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、焊缝韧性要求得关系式,为大桥防脆断设计提供了一定依据。
2、2关于焊缝强韧性标准
在焊缝强韧性控制上得贡献就是提出了一个新概念"
韧强比”(toughnesstostrengh
ratio)。
这个新概念“韧强比”曾经1998年5月28日北京“14MnNbq钢材、焊接材料及焊
接工艺”评审会讨论,并写入铁道部科技司文件’科技工函〔1998〕109号'
防脆断设计就是焊接钢桥设计中应予考虑得重要内容之一,其中,规定缺口冲击韧性标
准就是一个颇为令人为难得问题。
几乎每一座大型焊接钢桥都会讨论这个问题。
另外,焊缝
强度应不应该有上限?
国内外一般只要求焊缝强度不低于母材强度即可,没有规定焊缝强度
上限。
但考虑到高强度钢得屈强比总就是随强度提高而提高,因而对应力集中得敏感性也随
之增大,所以,认为焊缝强度应该有上限。
曾规定焊缝得“超强值”。
例如规定:
坡口焊缝
屈服点超出母材屈服点得数值不得大于100Mp&
但不仅理论根据与试验根据不够充分,执
行起来也常有矛盾。
芜湖长江大桥曾为此在两年间展开了两次认真得讨论,在宜昌长江大桥、
桃夭门大桥等大桥焊接工艺评审时也议论过韧性标准问题。
防脆断设计要考虑断裂准则。
断裂准则就是用来鉴定结构就是否符合断裂特性要求得一个标准,总得来说,断裂准则与断裂特性或断裂状态(即弹性断裂、弹-塑性断裂、塑性断
裂)有关。
对于大多数大型复杂结构(桥梁、船舶、压力容器等),一定水平得弹-塑性就
是合适得,这就就是所谓“屈服准则”(YieldCriteria,YC)。
对应于弹性断裂状态,就是
为“平面应变极限准则”(LC)。
实际上,现有大部分规范多选择了屈服准则。
所谓“韧强比”,就是指冲击功A<
V与屈服点(TS之比,令R^代表韧强比,即
RA=AKV/(TS
满足屈服准则(YC条件得韧强比要求值FA(Y),根据断裂力学可表达为:
RvY)=0、00165+0、01
这样,韧强比直接与板厚5大小联系起来。
在图2中标示得一条斜线,就是英国桥梁规范BS5400所给冲击韧度计算公式得计算值,取安全系数倒数a=0、59,应力集中系数K=2。
显然,完全符合屈服准则。
在图中还标有①、②两个点,分别就是芜湖长江大桥与南京长江
二桥关于焊接接头冲击韧度得设计要求。
南京长江二桥,板厚5=14mmbs>
345Mpa试验
温度T=-20C,Akv>
27J;
芜湖长江大桥,板厚5=50mmbs>
345Mps,试验温度T=-30C,Akv>
48J。
如计算韧强比,南京二桥:
Rvy)=0、032,实际规定得Rx=0、078;
对于芜湖长江大桥:
Ra(y)=0、09,Rx=0、14(焊缝实际验收时提高到规定大大超出屈服准则得要求,安全裕度很大。
言,由于焊缝得实际韧度常随其强度提高而降低,如图3所示,要求提高焊缝强度同时又要
提高韧度,就是有颇大难度得;
因而一般应采取适当限制焊缝强度上限得方法,即限制焊缝
超强来保证韧强比得规定要求。
焊缝强度上限决定于韧强比规定值。
由图3可知,采用“韧
强比”作为控制指标,概念明确而易于实施。
120
*1no-
A
I4ivinnb<
i
SAW
焊缝韧度与焊缝强度b「SW得关系(据宝鸡桥梁厂实验数据八
Kn35ncdd
关于韧度
Akv,只要根据设计确定得最大板厚5求得韧强比与最低屈服点
a
dS,即可确定韧度最低要求值。
实际上,目前一些大桥得设计所确定得韧度要求值Akv都远高出计算
得数值,例如南京二桥,按屈服准则Akv>
11J,实际规定Akv>
27J,偏于安全。
关于最低设计使用温度T,国内多采用桥址环境温度Ts(50年间气象资料给出得最低
温度)减去5C,即T=Ts-5C。
例如,长江下游最低气温可按-15C算(南京芜湖附近历史上
T=-20C、
遭遇得最低气温为-13、1C),则知南京二桥、润扬长江大桥得最低设计温度2
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