鋼橋的發(fā)展機遇和展望
2014-08-20
1. 前言
鋼橋具有自重輕，強度高，壽命長和更環(huán)保的特點。根據(jù)現(xiàn)在我國橋梁裝備的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的吊裝能力的條件，可以大型節(jié)段化在工廠制造，大部分焊接工作可在工廠進行，根據(jù)承受荷載的條件，可以使桿件標準定型化。根據(jù)現(xiàn)場施工條件，可以做到栓接裝配化，是適合大跨度橋梁的設計和地震區(qū)的最佳上部結構的首選方案。它也是一種可回收再利用資源的方便材料，便于維修和長效防護涂裝。其耐久性已有超過100年的歷史，施工方便，快速。工程質(zhì)量易于控制，并得到保證。
2. 中國目前發(fā)展鋼橋的機遇和展望
?。?）目前我國鋼橋的數(shù)量僅占全部橋梁總數(shù)的百分之一左右，而我國2010年的鋼產(chǎn)量已達到6.3億噸，占全球鋼產(chǎn)量的百分之四十四以上，已成了全球鋼材產(chǎn)量的第一大國。進入2011年，我國日均194萬噸的產(chǎn)量記錄，年均7億噸的粗鋼產(chǎn)量，以及百分之九十以上的產(chǎn)能利用率，更將為發(fā)展鋼橋提供了有力的支撐平臺。
?。?）‘十二五’期間，我國的鋼鐵工業(yè)發(fā)展，勢必將由規(guī)模擴張為主向品種、質(zhì)量、效益為主轉(zhuǎn)型。全行業(yè)的運行態(tài)勢由外延擴張向提高運行的質(zhì)量和效益轉(zhuǎn)變。近10年來，我國的鋼橋發(fā)展緊隨鋼材質(zhì)量的提高和制造技術的進步如火如荼向前推進?？缭介L江、黃河等江河的大跨度鐵路橋梁，都采用了鋼梁結構，如武漢天興洲公鐵兩用長江大橋，為四線鐵路六車道城市道路的橋面雙層結構，上層為公路，下層為鐵路，主橋采用98＋196＋504＋196＋98五跨過江，全長為1092米的雙塔三索斜拉橋。又如南京大勝關六線鐵路長江大橋是舉世矚目的特大橋，主橋采用108＋192＋336＋192＋108全長1615米，基本覆蓋了全部水域范圍的六跨連續(xù)大跨度鋼桁梁拱橋。還有安徽銅陵公鐵兩用長江大橋、鄭州黃河公鐵兩用大橋、京滬高速鐵路濟南黃河大橋等各座大橋的跨度都較大，設計時速均在200公里/時以上；而且采用了多項新技術、新材料、并且均取得了成功，為今后鋼橋的發(fā)展提供了參考的技術平臺。
?。?）從制造速度、耐久性、抗自然災害的能力（尤其抗地震災害的能力）與砼橋梁比較,具有突出的優(yōu)勢。從綜合經(jīng)濟和社會效益指標（建設速度、施工裝備與安全、質(zhì)量控制難度、維修頻率及費用、耐久壽命、環(huán)保條件……）比較，必將有突破的趨勢。
?。?）當前世界上的美歐經(jīng)濟危機，引發(fā)的金融風暴，對全球帶來了沖擊，我國經(jīng)濟形勢也難免受到波動和挑戰(zhàn)。為此，中央提出了一系列措施擴大內(nèi)需，來應對外部最大限度的影響，以確保我國經(jīng)濟能平穩(wěn)增長。對鋼橋的發(fā)展也帶來了機遇。最近寶鋼適度減產(chǎn)而向品種、質(zhì)量上轉(zhuǎn)型，是十分必要的措施，對鋼橋所用的鋼材材質(zhì)提升必將帶來促進作用。
?。?）根據(jù)橋梁科技事業(yè)的發(fā)展，我國已具有在鋼材冶煉、制造、結構設計、施工裝備等各個方面深厚的沉淀和發(fā)現(xiàn)。從過去建設大跨度鋼橋，一般都要依靠國外進口鋼材，到現(xiàn)在上海的振華重工集團已能為西方大國建橋并出口鋼梁、制造和架設，獲得了舉世矚目的成就，這是一次質(zhì)和量的飛越進步，也為中國的橋梁事業(yè)走出國門創(chuàng)造了有利條件，不斷在世界橋梁史上書寫著新的篇章。
（6）隨著水上航運事業(yè)的發(fā)展，在我國通航的內(nèi)河上，由于船體越來越大，船只越來越多，船速越來越快，而相應發(fā)生船撞橋的事故機率也就越來越大。為了落實以民為本的科學發(fā)展觀，真正去關懷民生、了解民生、改善民生的迫切要求和貫徹減災、少災、免災的安全生產(chǎn)國策，筆者認為在水面寬度100米以下的通航內(nèi)河上建橋，不宜設置橋墩，而宜多用鋼梁或組合梁一跨過河，來統(tǒng)籌兼顧解決船和橋?qū)α⒌拿?，達到統(tǒng)一、和諧相處的最佳途徑。同時亦為鋼橋擴大內(nèi)需提供了機遇，這是一舉多得的實事工程。
3. 鋼橋發(fā)展的重要前提和淺見
設計大師邵長宇指出“橋梁技術的發(fā)展都離不開材料，但就鋼橋發(fā)展來說，國內(nèi)橋梁用鋼的發(fā)展還有待突破……”。那就是鋼梁的材質(zhì)應具有高強度、高堅韌性、高淬透性、低碳且塑性好并具有高性價比的環(huán)保材料的特點，一般稱之為高性能鋼（HPS）, 如今，我國鋼材產(chǎn)量和質(zhì)量比過去提高很多，但在材料的品種、規(guī)格和性能的多用途上與國外還有較大的差距，因而在一定程度上成了影響著橋梁結構的設計和施工工藝的瓶頸。所以橋梁的質(zhì)量、耐久性和跨度的大小與鋼材的創(chuàng)新是密切相關的。武漢長江第一大橋所用的是低碳CT.3號鋼；到了南京大橋使用了鞍鋼開發(fā)的16錳“爭氣鋼”，以后也用在枝城長江大橋上；九江長江大橋采用屈服強度420MPa的16vMnVNq鋼,栓焊連接。而在最近建成的武漢天興洲長江大橋和南京大勝關長江大橋上，主桁桿件采用420鋼，在橋面結構則采用Q370E鋼的鋼板。如今雖然鋼材產(chǎn)量已達飽和狀態(tài)，但在鋼橋的發(fā)展上，對橋梁的耐久性、安全性、全壽命經(jīng)濟性、降低維修費用等方面的要求也與日俱增，相對于砼橋梁的經(jīng)濟競爭力也在不斷增加，而為要取得競爭上的優(yōu)勢，其前提首先要在材質(zhì)上更進一步創(chuàng)新突破，同時在涂裝上宜采用長效防護體系[1]來降低維修頻率，也就隨之降低大量維修費用。在安全、實用、經(jīng)濟、美觀、耐久、環(huán)保六項原則上挖掘潛力，來提高鋼橋發(fā)展的潛在競爭能力是存在有利的優(yōu)勢條件的。
最近一種新型合金結構鋼品種問世的信息和應用問題。新的高性能鋼材的出現(xiàn)與應用，必將促進橋梁結構設計與施工工藝的相應創(chuàng)新。國外在上世紀80年代后，開始大力發(fā)展高性能鋼材和品種，隨之而來必將促使計算理論、體系、構造、施工和管養(yǎng)等作出相應的變革，從而使橋梁建設的技術水平向更高層次發(fā)展。同時施工裝備由于材質(zhì)強度提高必然會大大提高其使用效率，減輕勞動強度，也將促使現(xiàn)場施工人員的減少，演變?yōu)閷I(yè)化大型構件的工廠預制和配以大型自動化優(yōu)質(zhì)的吊裝施工機械在現(xiàn)場拼裝就位。也就促進了質(zhì)量得到預控、施工速度加快、耐久性更可靠和低碳環(huán)保等各方面的進步，勢必在經(jīng)濟效益和社會效益上都會得到升華。
筆者有幸相識一位熱處理專家韓建中高級工程師，由他發(fā)明的38SiMnVBE高強韌性、高淬透性、高應用領域和高性價比的新型合金結構鋼，獲得了國家的專利。專利號是ZL-98113532.3.這種高性能超高強度鋼的優(yōu)勢和特點是﹕
?。?）具有優(yōu)良的強韌性（以ф75mm吊桿或拉桿為例）
抗拉強度 σъ=1985~1565M Pa﹔
屈服強度 σ0.2=965~1320M Pa﹔
伸長率 δ5≧8％﹔
面縮率 Ψ≧23.5％。
按我們國家重大基礎研究項目﹙973﹚“新一代鋼鐵材料的重大基礎研究”對該鋼進行“超細晶粒控制軋制”的盤條,制成園棒、鋼筋后，其：
抗拉強度 σь＝2030~2140M Pа﹔
屈服強度 σ0.2=1900~2100M Pа﹔
伸長率 δ5＝12~15﹪﹔
面縮率 Ψ﹦48~55﹪。
這樣高的強韌性鋼，在國際上是少有的，使我國在國際競爭中處于有力的地位。在高強韌性中，該鋼的低溫沖擊韌性很好。經(jīng)國家鋼鐵材料測試中心測試，在該專利鋼強度高于我國的彈簧鋼性能，與鐵道部專用鋼60Si2CrVAT比較，38SiMnVBE專利鋼在-60℃時的低溫沖擊韌性，是60Si2CrVAT鋼的1.83倍，室溫沖擊韌性的1.53倍。對運行在特大雪凍嚴寒工程建筑用的鋼材，防止脆斷具有很高的實用價值。
（2）發(fā)達國家（美、德、法、英、日）和國際上都根據(jù)淬透性的要求作為選擇應用彈簧鋼的依據(jù)，在他們彈簧鋼標準或技術要求上都有鋼的淬透性數(shù)據(jù)。而我國的標準中尚沒有，今38SiMnVBE合金結構鋼的淬透性能達到與國際上最好的一類彈簧鋼一致的水平。
?。?）具有寬廣的應用范圍38SiMnVBE鋼除可作為高性能彈簧鋼應用外，也可作為合金結構鋼應用，用于各種精密機械設備中的軸桿、連桿、齒輪、高強度螺栓、彈簧、高韌性抗磨件和預應力砼橋梁中的棒、錨具、錨桿等各個方面，還必將會應用在鋼橋、大型鋼結構中的高強度鋼拉桿等產(chǎn)品上，因此比彈簧鋼應用范圍寬得多。
?。?）具有良好的性價比國內(nèi)、外高強韌性、高淬透性鋼都含較多的貴重合金元素﹕Mo、Ni、V等，而38SiMnVBE鋼，能結合我國資源條件，并且合理的設計，只含微量的貴重合金元素V，因而與國內(nèi)外同等高性能的鋼材相比，有明顯的價格優(yōu)勢，用專利鋼制成高性能產(chǎn)品其價格卻不到進口的三分之一。若與進口我國的高性能彈簧產(chǎn)品相比，國外價格是38SiMnVBE制成彈簧產(chǎn)品的3～10倍。比如高級客車空氣簧配用大厚度﹝40mm以上﹞的導向臂，進口的價格是38SiMnVBE鋼制產(chǎn)品的10倍。
所以這種38SiMnVBE新型鋼種的發(fā)明，勢必會促進鋼結構形式的多樣化、自重減輕合理化，并在更廣泛的范圍內(nèi)得以應用。尤其在斜拉索上的應用，若投入試驗取得高抗拉強度結果的話，其經(jīng)濟效益和社會效益的成果是不可估量的[2]。
高性能鋼材的不斷涌現(xiàn)，也帶來了焊接工藝配套問題，焊縫的疲勞裂紋集中表現(xiàn)為早發(fā)性、多發(fā)性和重現(xiàn)性。焊接技術的發(fā)展有賴于設計、冶金、焊接各方面技術人員的密切配合和合作。因為焊接是一個再冶金過程，鋼的微觀組織成分發(fā)生了改變，它會對結構使用壽命帶來潛移默化的影響，所以橋梁設計人員在結構技術的設計計算中，要在細節(jié)上充分周全把握疲勞和磨損帶來使用壽命的問題，應該是可以做到的，而關鍵是要解決防銹蝕的問題。
根據(jù)我國鋼產(chǎn)量的儲備和材質(zhì)水平不斷提高，尤其是高性能鋼新的品種增多，以及防腐蝕采用電弧噴涂鋅鋁偽合金長效防護技術體系，并取得了良好的效果，從而推動鋼橋的發(fā)展提供了有利的條件，同時也就開拓了廣闊發(fā)展的前景。長期以來，一般認為鋼橋的造價要比砼橋梁高得多，但是若在施工工藝上有所創(chuàng)新、配以新材料的應用、大型構件在工廠預制、減少現(xiàn)場工序和勞動力需求，則鋼橋的優(yōu)越性就可明顯體現(xiàn)出來。例如杭州錢塘江上的九堡大橋就是一個范例。他們采用頂推的施工方法，將水上施工搬到岸上，鋼構件部分基本上在工廠完成，橋面板則采用預制板，與現(xiàn)場澆筑預應力砼結構相比，其質(zhì)量更有保障，使工程整體在設計、施工、維修和管理上更趨合理，因而更具有耐久性，來實現(xiàn)全壽命的經(jīng)濟性。該橋主跨85m組合箱梁與同等跨度預應力砼箱梁按每平米綜合工程造價相比，前者為8497元，后者卻為8815元。這是值得我們的設計人員去探索深思的。再者，如果我們能采用具有良好的力學性能，強度高，塑性好，韌性高和優(yōu)良的加工性能的高性能鋼種，它就能滿足橋梁的輕質(zhì)化、大跨度的需求，那末就更顯示出鋼橋的獨特優(yōu)點。上面介紹的38SiMnVBE合金結構鋼已在許多重大工程建筑上，得到了切實的應用：北京交通大學徐國彬教授和王軍高級工程師遠用了38SiMiVBE鋼已制作了“萬向承載、萬向轉(zhuǎn)動、抗震減震彈性鋼支座”，整個支座將地震作用力減少20倍，有效地保護了建筑工程結構在大地震（包括汶川大地震）作用下的安全，發(fā)揮它應有的作用。而這種專利鋼筆者在四年前曾向有關的橋梁設計、施工單位推薦過，而且也附有國家多項測試數(shù)據(jù)，其主要技術指標均超過或接近國內(nèi)外的水平，但迄今還未正式采用，關鍵的問題是要等待列入國標后方可使用，所以處于滯后狀態(tài)。筆者也曾詢問專利發(fā)明人韓建中先生，如果某些技術指標還達不到要求，怎么辦？！韓回答：“完全可針對該產(chǎn)品的要求在38SiMnVBE寬的成分范圍中，通過適當調(diào)整成分和熱處理工藝，使該鋼更符合產(chǎn)品的需要，是大有作為的。”他表示愿與有關專家及橋梁界的設計大師以及設計、制造、施工等單位共同合作、探討、試驗和應用服務。對這種專利鋼能否早日應用于橋梁和其他領域上，筆者呼吁國家科技部或有關部門牽頭，能迅速將這項自主知識產(chǎn)權的特種專利鋼抓緊產(chǎn)業(yè)化不僅為鋼橋發(fā)展起到巨大作用，而且也將為國家創(chuàng)造更多的財富和聲譽。
4. 結語
?。?）任何一種技術或產(chǎn)品，如果能夠迅速得到普遍應用和發(fā)展，一定是取決于其本身的獨特優(yōu)勢。鋼橋在我國的歷史，已在百年以上，它的耐久性是毋庸置疑的。隨著高性能鋼種的不斷問世和長效防護技術體系的配套應用，其耐久壽命超過150年甚至更久是可預見的。
?。?）根據(jù)我國鋼產(chǎn)量和優(yōu)質(zhì)品種的有利平臺，必將為鋼橋的發(fā)展提供了廣闊的前景。我們展望在超長跨海大橋的淺灘非通航孔的長橋中，采用適當大跨度的鋼梁或鋼混組合結構，其建安費并不是高的，甚至有可能比多墩等跨的先簡支后連續(xù)的砼箱梁的造價還要低。
（3）在我國通航的內(nèi)河上，由于航運事業(yè)的飛速發(fā)展，尤其是水運成本的低廉，船只的數(shù)量、速度和船身容量都在增多、增大，因而相應也增加了船撞橋事故的難題，因此建議今后在通航內(nèi)河上建橋，應統(tǒng)籌兼顧，盡量把航道留給航務部門，如果水面寬度在100米以下時，盡可能采用鋼橋一跨過江，這也是貫徹以民為本落實科學發(fā)展觀的國策要求。
?。?）在城市道路或高速公路立體交叉跨越時，盡量采用鋼梁或組合梁一跨跨越，施工時既不影響交通正常通行，也可以減少用地和對民生的干擾。
?。?）鋼橋和鋼混組合結構橋梁由于工廠化制造程度高，施工快捷，自身強度高，自重輕，質(zhì)量有保證，養(yǎng)護簡單等優(yōu)點，相對于預應力砼橋梁的經(jīng)濟競爭力也與日俱增，展望迎來前所未有的發(fā)展期和良好的前景。
《第二十屆全國橋梁學術會議論文集》2012年
參考文獻
[1]朱海濤：“關于橋梁應用長效防護技術的建議方案”.
北京2008年《中國工程科學高層論壇—京滬高速鐵路橋梁建設技術發(fā)展工藝設備材料交流研討會論文集》.
[2]韓建中：“一種高性能、多用途的新型鋼—38SiMnVBE合金結構鋼的應用”.
