中国钢桥发展概况.docx
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中国钢桥发展概况
⒈中国钢桥发展概况
常见的钢桥型式有:
梁桥（I型板梁、桁梁、箱梁）,拱桥（系杆拱、下承拱、上承拱、中承拱）,以及悬索桥与斜拉桥等。
大跨径公路钢桥主要就是悬索桥（图1a）与斜拉桥（图1b）;铁路钢桥多为梁桥与拱桥。
图1c为低塔斜拉公铁两用梁桥。
按造桥方法,钢桥可分为:
ab
Cd
图1焊接钢桥的几种桥型
a---西陵长江大桥（公路桥）;b---南京长江二桥（公路桥）;
c---芜湖长江大桥（公铁两用桥）;d---贵州北盘江大桥（铁路桥）
铆接桥（工厂制造与工地拼接均为铆接）、栓焊桥（工厂制造为焊接,工地拼接为高强度螺栓连接）与全焊桥（工厂制造与工地拼接均为焊接）。
栓焊桥与全焊桥统称为焊接桥。
我国仅在长江上已有各种型式的桥梁29余座,其中接近半数为钢桥。
“万里长江成了中国当代桥梁的展台。
”（北京日报,2002、07、17）。
关于焊接钢桥,可以公路桥为对象作比较,按大跨径悬索桥的跨径L≥600m,大跨径斜拉桥L≥400m,进行不完全统计,90年代以来中国已建成大跨径悬索桥7座,大跨径斜拉桥10座;同时期国外建成的大跨径悬索桥有10座（其中日本6座）,大跨径斜拉桥有15座（其中日本6座）。
按跨径大小排序〔1〕〔2〕,在世界上建成的全部悬索桥中排名前十位的焊接钢桥中,中国有2座:
江阴长江大桥（L=1385m）排名第四,香港青马大桥（L=1377m）排名第五;日本明石海峡大桥L=1990m,居首位;丹麦的GreatBelt大桥L=1624m,排名第二。
而在全部斜拉桥排名前十位的焊接钢桥中,日本的多多罗大桥L=890m,居首位;中国有6座桥,排名第三、四、五、六、七与第九（南京长江二桥L=628m,排第三位;武汉长江三桥L=618m,排第四位）。
其中“不少已跻身‘世界级’桥梁,展示出中国当代建桥技术达到了世界先进水平”。
（北京日报2002、07、17）。
1996年布达佩斯国际焊接钢桥会议中,日本东京大学伊藤教授在题为“东亚焊接桥的技术进展”〔2〕（p、67）中讲了日本的情况,并着重评述了中国钢桥的发展,“中国当前正在蓬勃开展经济工作,条件允许,也需要在广阔的中国大地上大规模建设永久性基础设施。
在建设大跨度索承载桥（cable-supportedbridge）方面,中国仅次于日本,也有显着的成就。
”“（中国）目前正在非常积极地开发焊接桥梁。
”“关于焊接桥,中国工程技术人员正努力开发几百米跨径的全焊结构。
”实际上她还并不完全了解中国的发展情况。
这时中国已经建成第一座全焊钢桥,即西陵长江大桥（L=900m,单跨悬索钢桥,1996年）。
当然,这较之世界上第一座全焊悬索钢桥Severn大桥（英国,1966年,L=987、6m）晚了30年。
在〔2〕中,伊藤教授提到:
“日本钢结构的生产超过了其它所有国家”,“研究开发了多种用于日本钢桥的焊接技术,但迄今为止,关于工地焊接方面似乎还有些保守。
”这说明当时日本还未全力开发全焊钢桥。
瞧来,中国焊接钢桥已经开始疾步赶上并进入了世界的先进行列。
为了便于了解,将我国近50年来有代表性的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的演变。
中国焊接钢桥的发展并不就是一蹴而就的,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的成果。
中国钢桥就是从建设铁路桥起步的,相当长的时间里就是采用铆接制造技术。
采用的钢材就是低碳钢。
60年代初,开始栓焊钢桥的研制,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,就是我国钢桥技术的一次重大改革,并为我国钢桥的进一步发展提供了大量实践的经验,起到了促进作用。
”〔3〕
我国在70～80年代,桥梁用钢的质量不理想,同时也存在对焊接技术可靠性的疑虑,而妨碍焊接技术在桥梁钢结构上的应用。
1966年列为当时重点工程的枝城长江大桥（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,并进行了全部的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。
只当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1992年应用于九江长江大桥,建成L=216m公铁两用三跨连续系杆拱栓焊钢桥（最大板厚为56mm）。
表1中国钢桥的发展概况
№
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
铆接
2
1968
南京长江大桥
公铁
两用
桁梁
三跨
连续
160
16Mnq
铆接
铆接
3
1970
迎水河桥（成昆铁路）
铁路
系杆拱
刚性梁
112
16Mnq
焊接
栓接
4
1991
上海南浦大桥
公路
斜拉
结合梁
423
StE355
焊接
栓接
5
1992
九江长江大桥
公铁
两用
系杆拱
三跨连续
216
15MnVNq
焊接
栓接
6
1993
上海杨浦大桥
公路
斜拉
结合梁
602
StE355
焊接
栓接
7
1995
孙口黄河大桥
铁路
桁梁
四跨连续
108
SM490C
焊接
栓接
8
1996
上海徐浦大桥
公路
斜拉
混合梁
590
S355N
焊接
栓接
9
1996
西陵长江大桥
公路
悬索
单跨
箱梁
900
16Mnq
焊接
焊接
10
1997
香港青马大桥
公铁
两用
悬索
三跨连续箱梁
1377
BS4360
Gr、500YS
焊接
栓接
11
1997
虎门大桥
公路
悬索
单跨
箱梁
888
16Mnq
焊接
焊接
12
1999
厦门海沧大桥
公路
悬索
三跨连续箱梁
648
16Mn
焊接
焊接
13
1999
江阴长江大桥
公路
悬索
单跨
箱梁
1385
Fe510D
（S355J2G3）
焊接
焊接
14
2000
芜湖长江大桥
公铁
两用
低塔斜拉
三跨连续桁梁
312
14MnNbq
焊接
栓接
15
2001
南京长江二桥
公路
斜拉
三跨连续箱梁
628
16Mnq
焊接
焊接
16
2001
宜昌长江大桥
公路
悬索
单跨
箱梁
960
Q345E
焊接
焊接
17
2001
天津塘沽
海河大桥
公路
单塔
斜拉
混合
箱梁
310
Q345E
焊接
焊接
18
2001
贵州
北盘江大桥
铁路
拱
钢管砼
236
Q345D
焊接
焊接
19
2001
武汉
军山长江大桥
公路
斜拉
三跨连续箱梁
460
Q345C
焊接
焊接
20
在建
巫峡长江大桥
公路
拱
钢管砼
460
Q345C
焊接
焊接
21
在建
舟山
桃夭门大桥
公路
斜拉
混合
箱梁
580
Q345D
焊接
焊接
22
在建
润扬长江大桥北汊大桥
公路
斜拉
三跨连续箱梁
406
Q345D
焊接
焊接
进入90年代,经济发展对交通建设的需求日益增长,高速公路网的建设与跨江河、跨海湾通道的建设,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的制造任务,并且已经成功地制造出高质量的焊接钢桥。
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（1991年,L=423m,结合梁）、杨浦大桥（1993年,L=602m,结合梁）、徐浦大桥（1996年,L=590m,混合梁）。
正在建设的上海卢浦大桥,L=550m,就是世界上最大的一座钢拱公路桥。
1996年、1997年相继建成全焊结构的单跨钢箱梁悬索桥:
西陵长江大桥（L=900m）、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。
在建中的润扬长江大桥南汊大桥,L=1490m,为我国当前跨距最大的公路悬索桥。
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的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。
芜湖长江大桥的建成,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的第四座里程碑〔4〕。
”这样,中国自90年代开始了焊接钢桥大发展的黄金时期。
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、中国焊接钢桥的若干技术进展
2、1桥梁钢的开发与优化
我国在发展焊接钢桥的过程中主要就是采用国产钢材（表1）,钢的强度级别主要就是屈服点σS≥345Mpa级,如16Mn（Q345）。
少数大桥应用了σS≥420Mpa级的15MnVN。
也采用过国外的钢材,钢的强度级别均相当于Q345,如SM490C、Fe510D、StE355之类。
50年代,武汉长江大桥采用的就是前苏联提供的低碳钢,牌号为CT、3（相当于Q235）。
60年代,南京长江大桥建桥初期,使用的也就是前苏联提供的低合金钢,牌号为Нл2（σS=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,以解南京长江大桥的“燃眉之急”。
开始时,成材率很低,钢的质量不够理想,也不够稳定;但在以后的发展中逐步改善,并成为国内各个钢厂长时期的基本产品。
16Mnq钢就就是这样诞生的。
在制造成昆铁路栓焊钢梁时,使用了国内几个钢厂的16Mnq钢,曾遇到钢板严重的碳偏析情况。
标准规定碳的含量上限为0、20%,而有的钢板碳含量高达0、24%。
在工型杆件角焊缝埋弧焊时,焊缝产生热裂纹。
不得不进行焊丝的优化工作,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钢的生产工艺改进较小,钢的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（TMCP）、水幕冷却等新工艺,使16Mn钢的质量得到了很大提高,主要指标达到了当时国外同类钢材的水平。
〔5〕表2列出新冶炼工艺的效果。
将优化的16Mn钢与近些年应用的几种同类钢材作对比,列于表3,从表3可见,优化的16Mn钢的韧性确已得到明显改善。
1966年初,为满足枝城长江大桥的需要,鞍山钢铁公司开始开发15MnVNq。
针对设计的最大板厚为38mm,屈服点σS≥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,正火的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的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钢的优化,实际就是利用先进冶炼工艺尽可能降低硫与磷的含量,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的控制标准〔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
2～3
表3改进工艺的16Mn与同类钢的低温韧性对比
№
钢号
aKU/J、cm-2
AKV/J
-40℃
0℃
-20℃
-40℃
1
优化16Mn〔5〕
140
200
-
100
2
Q345C（*巫峡桥,#军山桥）
-
70～280*
50～260#
-
3
Q345D（润扬长江大桥北汊桥）
-
-
80～250
-
4
Q345E（宜昌长江大桥）
-
-
-
65～180
5
14MnNbq（芜湖长江大桥）
-
-
-
190～220
6
日本SM490C（孙口黄河大桥）
-
-
-
140～270
7
丹麦Fe510D（Storebaelt桥）
-
-
234
-
注:
①#军山长江大桥钢料,武昌造船厂的-23℃试验数据。
②Q345C、D、E按GB/T1591-94供货,为多批统计数据。
表415MnVNq的优化效果〔6〕
化学成分/%
力学性能
C
P
S
σs/mpa
δ5/%
aKU/J
优化前
0、18
0、025
0、032
460
24
30
优化后
0、14
0、016
0、008
440
21
98
九江长江大桥所确定的焊接方法主要就是埋弧焊。
为了与优化的15MnVNq匹配,焊丝与焊剂也应进行优化,表5列出焊丝与焊剂的匹配结果。
所谓焊丝优化,就就是尽量降低焊丝中的S（≤0、01%）、P（≤0、015%）,适当减少C。
这种优化的焊丝,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→H08E;H10Mn2→H08Mn2E;H08MnA→H08MnE。
这些焊丝目前正在广泛应用于钢桥的制造中。
表5优化的15MnVNq钢埋弧焊焊丝焊剂匹配结果〔6〕
焊丝
焊剂
σS/MPa
δ5/%
AKV（-20℃）
H04MnMoE
HJ603（高碱度）
584
26
104
HJ350
607
21
59
显然,钢材的“优化”,实际就就是提高钢的纯度。
在今天的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的Q345D钢几个具体批号的数据,如表6所示。
比较表6与表4,显然,当时“优化”的结果远未达到当前所用钢种的性能水平。
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,促进了优质厚钢板的发展,无层状撕裂的缺陷。
层状撕裂,只就是一个过去的幽灵”。
我国钢材的性能已达到相当高的水平,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的化学成分与力学性能（山海关桥梁厂2002年数据）
钢厂
板厚/mm
化学成分/%
力学性能
C
P
S
Ceq*
σS/MPa
δ5/%
AKV（-20℃）/J
舞阳
30
0、13
0、006
0、002
0、40
420
28
279,278,252
65
0、16
0、006
0、002
0、40
360
31
259,255,266
鞍钢
12
0、14
0、014
0、006
0、39
475
26
196,162,125
武钢
20
0、15
0、015
0、001
0、39
360
31
265,263,266
*注:
Ceq为碳当量
在16Mn微合金化优化工作的基础上,于1994年修订完成〈低合金高强度钢〉国家标准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。
14MnNbq钢开发成功表明我国冶金技术已达到较高的水平,可以保证钢的高纯净度与性能要求。
表7与表8就是芜湖长江大桥14MnNbq钢板供货技术条件［WJX（ZB）36-1997］。
在表7、与表8中同时列出GB/T1591-94标准关于Q345E级钢的技术条件,以资对比。
表714MnNbq与Q345E钢的化学成分标准（质量分数,%）
钢种
C
Mn
Si
S
P
Nb
14MnNbq
0、11~0、17
1、20~1、60
≤0、50
≤0、010
≤0、020
0、015~0、035
Q345E
≤0、18
1、00~1、60
≤0、55
≤0、025
≤0、025
0、015~0、060*
*注:
钢中至少含有Nb、V（0、02~0、、20%）、Ti（0、02~0、020%）中一种。
表814MnNbq与Q345E钢的力学性能标准（摘录）
钢种
交货状态
板厚/mm
σS/MPa
σb/MPa
δ5 /%
冷弯
180º
AKV-40℃/J
14MnNbq
正火
≤16
≥370
530~685
≥20
d=2a
≥100
37~60
≥340
490~625
≥19
d=3a
≥120
Q345E
协议
≤16
≥345
470~630
≥22
d=2a
≥27
35~50
≥295
d=3a
可见,14MnNbq较Q345E对钢的成分的控制更严,对低温韧性的要求也更高,而实际供货的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、焊缝韧性要求的关系式,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的贡献就是提出了一个新概念“韧强比”（toughnesstostrenghratio）。
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的重要内容之一,其中,规定缺口冲击韧性标准就是一个颇为令人为难的问题。
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。
但考虑到高强度钢的屈强比总就是随强度提高而提高,因而对应力集中的敏感性也随之增大,所以,认为焊缝强度应该有上限。
曾规定焊缝的“超强值”。
例如规定:
坡口焊缝屈服点超出母材屈服点的数值不得大于100Mpa。
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的讨论,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的一个标准,总的来说,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）,一定水平的弹-塑性就是合适的,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AKV与屈服点σS之比,令RA代表韧强比,即
RA=AKV/σS
满足屈服准则（YC）条件的韧强比要求值RA（Y）,根据断裂力学可表达为:
RA（Y）=0、0016δ+0、01
这样,韧强比直接与板厚δ大小联系起来。
在图2中标示的一条斜线,就是英国桥梁规范BS5400所给冲击韧度计算公式的计算值,取安全系数倒数α=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的设计要求。
南京长江二桥,板厚δ=14mm,σS≥345Mpa,试验温度T=-20℃,AKV≥27J;芜湖长江大桥,板厚δ=50mm,σS≥345Mpa,试验温度T=-30℃,AKV≥48J。
如计算韧强比,南京二桥:
RA（Y）=0、032,实际规定的RA=0、078;对于芜湖长江大桥:
RA（Y）=0、09,RA=0、14（焊缝实际验收时提高到RA=0、15）。
可见,设计的规定大大超出屈服准则的要求,安全裕度很大。
图2屈服准则的应用与“韧强比”
为了保证“韧强比”规定值的要求,在提高强度同时必须相应提高韧度值。
但对焊缝而言,由于焊缝的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,就是有颇大难度的;因而一般应采取适当限制焊缝强度上限的方法,即限制焊缝超强来保证韧强比的规定要求。
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。
图3焊缝韧度与焊缝强度σSW的关系（据宝鸡桥梁厂实验数据）
关于韧度AKV,只要根据设计确定的最大板厚δ求得韧强比与最低屈服点σS,即可确定韧度最低要求值。
实际上,目前一些大桥的设计所确定的韧度要求值AKV都远高出计算的数值,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年间气象资料给出的最低温度）减去5℃,即T=TS-5℃。
例如,长江下游最低气温可按-15℃算（南京芜湖附近历史上遭遇的最低气温为-13、1℃）,则知南京二桥、润扬长江大桥的最低设计温度T=-20℃、
2、3焊接钢桥的制造技术
我国桥梁钢结构由早期的铁路桥的简单工型杆件、箱型杆件到当前悬索桥与斜拉桥的复杂的正交异性板（orthotropicbridgedeck）之类结构,对焊接技术的要求提高很多,各钢桥制造单位为适应发展的需要,在不断地完善与革新制造技术,工艺装备与工艺水平在不断提高。
发展到今天,已具有了制造高质量焊接钢桥的条件,完全能够保证钢梁有高的制造精度（例如表9,另参见〔4〕）与焊缝力学性能。
表9钢箱梁制造精度实例（润扬长江大桥北汊桥）
检测项目
设计尺寸/mm
允许偏差/mm
实测尺寸/mm
桥面板
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