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桥梁用钢材的发展与展望
信息来源:世界金属导报2019-09-10B01      时间:2019-09-12 15:12:56


1前言

随着生产技术的进步,用于桥梁建造的钢铁材料各项性能得到了提高,利用其特性,实现了各种新的桥梁结构。桥梁用钢材有许多种类,本文仅限于结构用钢材,回顾钢铁材料的进步对桥梁结构的影响并对今后发展趋势提出见解。

2材料进步带来桥梁结构变化实例

日本最初用于造桥的钢铁材料是铸铁、锻铁,铸铁脆而不耐拉伸,锻铁韧性强但强度低,根据材料的性能区别使用:压缩部件采用铸铁、拉伸部件使用锻铁。而钢则兼备强度和韧性,又易于加工,可以用于压缩和拉伸二者均发挥作用的结构,因此自出现以来,钢就成为了桥梁建造的主要材料,为二战前桁架桥等应用跨度的延伸做出了贡献。在当时,采用了将钢板、型钢用铆钉与部件连接的结构。

在钢桥的发展史中,高强度化是技术革新的主要课题。二战前,关东大地震后重建的、于1928年完工的永代桥、清州桥将当时刚开发的抗拉强度620MPa级钢材——杜科尔低锰合金结构钢用于拉伸部件。但由于这种钢材以当时的技术难以加工,未能实现普及。

从战后复兴期到经济高速发展期,日本的基础设施大量集中建设于这一时期。这段时间内,为了高效推进建设,经济性和制作效率的提高是重点需要解决的问题,要求钢材在具有高强度的同时提高焊接性等加工性能。为应对这一要求,焊接技术得到了迅速提高,而钢材开发方面,1952年从造船用钢发展而来的400MPa级焊接结构用钢材(SM)被列入JIS标准。此后,经过多次改良,又增加了490MPa级(1959年)、570MPa级(1966年)钢种。这些钢材应用于桥梁的业绩不断增加,高强度化得到了切实发展。

随着焊接的普及,桥梁建造中,钢材的接合由铆接逐步

转为焊接,大大减少了材料的用量和加工工时。通过焊接,可较容易地用筋加固薄钢板制作出加固钢板,因此出现了新形式的桥梁结构,即箱梁桥和水泥板等。随着焊接性优秀的钢板的出现,桥梁建设进一步合理化,同时可建造出形状复杂的桥桁,为在狭窄的都市空间建设线形复杂的城市快速路做出了巨大的贡献。

另一方面,以世界最长的明石海峡大桥的建设为代表,继续对更长的桥梁建设开展技术性挑战,对钢材的要求更加高度化和复杂化。大型桥梁的建设中,不可或缺的是通过钢材的高强度化实现轻量化,抗拉强度780MPa级的高强钢已经投入实际应用,而在通过钢材开发谋求高强度的同时,改善焊接性也是十分重要的课题。

780MPa级钢被初次大量使用的港大桥(1974年竣工),采取了高温预热等措施以确保焊接质量,花费了大量人力和工时,而1998年建成的明石海峡大桥,由于在建设中采用了因材料技术进步而开发的可大幅降低预热温度的780MPa级钢,实现了制造的省力化并确保了桥梁的建设质量。因此,钢材的进步为实现新的桥梁结构做出了切实的贡献。

3近年来的高性能钢

本州-四国连络桥建设后,缩减建设成本的要求提高,以新东名高速公路建设为契机,将板梁桥、箱梁桥这类“普通桥”以低成本高效率建设成为桥梁建设中的重要课题。另外,随着桥梁逐步高龄化,对桥梁长寿化的要求增强。

为了应对缩减桥梁建设成本的要求,开发了用于钢桥的高耐久性水泥板,从20世纪90年代中后期开始普及减少主梁根数、使用厚钢材减少加固钢材和部件数量的“少加固、厚断面”桥梁。图1所示为新旧板梁结构示例。可以看出,由于设计、施工方法的革新,新旧板梁在结构上完全不同。

在新结构的普及过程中,对钢材性能的要求日益多样化,如板厚超过50mm的厚钢板、可应对施工现场超过10kJ/mm焊接输入热量的钢板的应用等。此外,为了实现制作的省力化和提高美观性,还开发出能进行高难度冷弯加工的高韧性钢的利用技术等,如表1所示,开发出具有各种性能的高性能钢材并获得应用。

桥梁用高屈服点钢板SBHS,是反映出这些多种多样的高性能钢的实绩,带来日本钢材生产技术的进步,将桥梁所需钢材各项性能提高到最恰当水平的桥梁专用钢材,于2008年形成JIS标准。SBHS的强度、破坏韧性、焊接性、加工性、耐候性等各项性能均高于传统钢材(表2),是可降低桥梁建设成本并提高可靠性的钢材。

2012年开通的东京门户大桥、2010年完成的永田桥等,需要高难度加工技术,SBHS400和SBHS500被应用于这些桥梁建设后,将其具体设计手法记载于2017年修订的道路桥梁指导书。期待今后得到真正意义上的普及。

妨碍钢桥寿命的主要因素是疲劳和腐蚀,解决这些问题是近年来面临的重大课题。期待今后能通过改善钢材性能克服这些问题,开发耐疲劳钢和各种耐蚀钢。耐蚀钢从很早以来就开始普及无需涂装的耐候性钢材,可缩减维护管理费用,但可适用的环境有一定局限。近年来,不断推进提高耐盐害性的各种镍系高耐候性钢材、延长涂装寿命的钢材等的开发及性能评价,实现了多样环境下钢桥全生命周期成本的降低。

4今后桥梁用钢材的展望

以国土强韧化、基础设施长寿化为背景,桥梁被赋予的作用越来越重要,需要更进一步利用钢材的性能,提高桥梁的可靠性。

另外,近年来应对大规模灾害成为紧迫的课题,耐大规模地震的结构物对于其“韧性”有高要求。目前,在钢的抗震部件设计中,通过采用厚而紧凑的断面防止峰值后的极速强度下降,而且通过控制屈服点充分利用材料的性能,还能更进一步提高结构物的抗震性。 (孟群)

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