鋼橋的發(fā)展機(jī)遇和展望
2014-08-20
1. 前言
鋼橋具有自重輕，強(qiáng)度高，壽命長(zhǎng)和更環(huán)保的特點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)在我國(guó)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(jìn)行，根據(jù)承受荷載的條件，可以使桿件標(biāo)準(zhǔn)定型化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，可以做到栓接裝配化，是適合大跨度橋梁的設(shè)計(jì)和地震區(qū)的最佳上部結(jié)構(gòu)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(zhǎng)效防護(hù)涂裝。其耐久性已有超過(guò)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(guó)目前發(fā)展鋼橋的機(jī)遇和展望
（1）目前我國(guó)鋼橋的數(shù)量?jī)H占全部橋梁總數(shù)的百分之一左右，而我國(guó)2010年的鋼產(chǎn)量已達(dá)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(guó)。進(jìn)入2011年，我國(guó)日均194萬(wàn)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(tái)。
?。?）‘十二五’期間，我國(guó)的鋼鐵工業(yè)發(fā)展，勢(shì)必將由規(guī)模擴(kuò)張為主向品種、質(zhì)量、效益為主轉(zhuǎn)型。全行業(yè)的運(yùn)行態(tài)勢(shì)由外延擴(kuò)張向提高運(yùn)行的質(zhì)量和效益轉(zhuǎn)變。近10年來(lái)，我國(guó)的鋼橋發(fā)展緊隨鋼材質(zhì)量的提高和制造技術(shù)的進(jìn)步如火如荼向前推進(jìn)?？缭介L(zhǎng)江、黃河等江河的大跨度鐵路橋梁，都采用了鋼梁結(jié)構(gòu)，如武漢天興洲公鐵兩用長(zhǎng)江大橋，為四線(xiàn)鐵路六車(chē)道城市道路的橋面雙層結(jié)構(gòu)，上層為公路，下層為鐵路，主橋采用98＋196＋504＋196＋98五跨過(guò)江，全長(zhǎng)為1092米的雙塔三索斜拉橋。又如南京大勝關(guān)六線(xiàn)鐵路長(zhǎng)江大橋是舉世矚目的特大橋，主橋采用108＋192＋336＋192＋108全長(zhǎng)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(zhǎng)江大橋、鄭州黃河公鐵兩用大橋、京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋等各座大橋的跨度都較大，設(shè)計(jì)時(shí)速均在200公里/時(shí)以上；而且采用了多項(xiàng)新技術(shù)、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(shù)平臺(tái)。
?。?）從制造速度、耐久性、抗自然災(zāi)害的能力（尤其抗地震災(zāi)害的能力）與砼橋梁比較,具有突出的優(yōu)勢(shì)。從綜合經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益指標(biāo)（建設(shè)速度、施工裝備與安全、質(zhì)量控制難度、維修頻率及費(fèi)用、耐久壽命、環(huán)保條件……）比較，必將有突破的趨勢(shì)。
（4）當(dāng)前世界上的美歐經(jīng)濟(jì)危機(jī)，引發(fā)的金融風(fēng)暴，對(duì)全球帶來(lái)了沖擊，我國(guó)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)也難免受到波動(dòng)和挑戰(zhàn)。為此，中央提出了一系列措施擴(kuò)大內(nèi)需，來(lái)應(yīng)對(duì)外部最大限度的影響，以確保我國(guó)經(jīng)濟(jì)能平穩(wěn)增長(zhǎng)。對(duì)鋼橋的發(fā)展也帶來(lái)了機(jī)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(duì)鋼橋所用的鋼材材質(zhì)提升必將帶來(lái)促進(jìn)作用。
?。?）根據(jù)橋梁科技事業(yè)的發(fā)展，我國(guó)已具有在鋼材冶煉、制造、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工裝備等各個(gè)方面深厚的沉淀和發(fā)現(xiàn)。從過(guò)去建設(shè)大跨度鋼橋，一般都要依靠國(guó)外進(jìn)口鋼材，到現(xiàn)在上海的振華重工集團(tuán)已能為西方大國(guó)建橋并出口鋼梁、制造和架設(shè)，獲得了舉世矚目的成就，這是一次質(zhì)和量的飛越進(jìn)步，也為中國(guó)的橋梁事業(yè)走出國(guó)門(mén)創(chuàng)造了有利條件，不斷在世界橋梁史上書(shū)寫(xiě)著新的篇章。
?。?）隨著水上航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，在我國(guó)通航的內(nèi)河上，由于船體越來(lái)越大，船只越來(lái)越多，船速越來(lái)越快，而相應(yīng)發(fā)生船撞橋的事故機(jī)率也就越來(lái)越大。為了落實(shí)以民為本的科學(xué)發(fā)展觀，真正去關(guān)懷民生、了解民生、改善民生的迫切要求和貫徹減災(zāi)、少災(zāi)、免災(zāi)的安全生產(chǎn)國(guó)策，筆者認(rèn)為在水面寬度100米以下的通航內(nèi)河上建橋，不宜設(shè)置橋墩，而宜多用鋼梁或組合梁一跨過(guò)河，來(lái)統(tǒng)籌兼顧解決船和橋?qū)α⒌拿埽_(dá)到統(tǒng)一、和諧相處的最佳途徑。同時(shí)亦為鋼橋擴(kuò)大內(nèi)需提供了機(jī)遇，這是一舉多得的實(shí)事工程。
3. 鋼橋發(fā)展的重要前提和淺見(jiàn)
設(shè)計(jì)大師邵長(zhǎng)宇指出“橋梁技術(shù)的發(fā)展都離不開(kāi)材料，但就鋼橋發(fā)展來(lái)說(shuō)，國(guó)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(yīng)具有高強(qiáng)度、高堅(jiān)韌性、高淬透性、低碳且塑性好并具有高性?xún)r(jià)比的環(huán)保材料的特點(diǎn)，一般稱(chēng)之為高性能鋼（HPS）, 如今，我國(guó)鋼材產(chǎn)量和質(zhì)量比過(guò)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(guó)外還有較大的差距，因而在一定程度上成了影響著橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(guān)的。武漢長(zhǎng)江第一大橋所用的是低碳CT.3號(hào)鋼；到了南京大橋使用了鞍鋼開(kāi)發(fā)的16錳“爭(zhēng)氣鋼”，以后也用在枝城長(zhǎng)江大橋上；九江長(zhǎng)江大橋采用屈服強(qiáng)度420MPa的16vMnVNq鋼,栓焊連接。而在最近建成的武漢天興洲長(zhǎng)江大橋和南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋上，主桁桿件采用420鋼，在橋面結(jié)構(gòu)則采用Q370E鋼的鋼板。如今雖然鋼材產(chǎn)量已達(dá)飽和狀態(tài)，但在鋼橋的發(fā)展上，對(duì)橋梁的耐久性、安全性、全壽命經(jīng)濟(jì)性、降低維修費(fèi)用等方面的要求也與日俱增，相對(duì)于砼橋梁的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力也在不斷增加，而為要取得競(jìng)爭(zhēng)上的優(yōu)勢(shì)，其前提首先要在材質(zhì)上更進(jìn)一步創(chuàng)新突破，同時(shí)在涂裝上宜采用長(zhǎng)效防護(hù)體系[1]來(lái)降低維修頻率，也就隨之降低大量維修費(fèi)用。在安全、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、美觀、耐久、環(huán)保六項(xiàng)原則上挖掘潛力，來(lái)提高鋼橋發(fā)展的潛在競(jìng)爭(zhēng)能力是存在有利的優(yōu)勢(shì)條件的。
最近一種新型合金結(jié)構(gòu)鋼品種問(wèn)世的信息和應(yīng)用問(wèn)題。新的高性能鋼材的出現(xiàn)與應(yīng)用，必將促進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工工藝的相應(yīng)創(chuàng)新。國(guó)外在上世紀(jì)80年代后，開(kāi)始大力發(fā)展高性能鋼材和品種，隨之而來(lái)必將促使計(jì)算理論、體系、構(gòu)造、施工和管養(yǎng)等作出相應(yīng)的變革，從而使橋梁建設(shè)的技術(shù)水平向更高層次發(fā)展。同時(shí)施工裝備由于材質(zhì)強(qiáng)度提高必然會(huì)大大提高其使用效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，也將促使現(xiàn)場(chǎng)施工人員的減少，演變?yōu)閷?zhuān)業(yè)化大型構(gòu)件的工廠預(yù)制和配以大型自動(dòng)化優(yōu)質(zhì)的吊裝施工機(jī)械在現(xiàn)場(chǎng)拼裝就位。也就促進(jìn)了質(zhì)量得到預(yù)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(jìn)步，勢(shì)必在經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益上都會(huì)得到升華。
筆者有幸相識(shí)一位熱處理專(zhuān)家韓建中高級(jí)工程師，由他發(fā)明的38SiMnVBE高強(qiáng)韌性、高淬透性、高應(yīng)用領(lǐng)域和高性?xún)r(jià)比的新型合金結(jié)構(gòu)鋼，獲得了國(guó)家的專(zhuān)利。專(zhuān)利號(hào)是ZL-98113532.3.這種高性能超高強(qiáng)度鋼的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)是﹕
（1）具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性（以ф75mm吊桿或拉桿為例）
抗拉強(qiáng)度 σъ=1985~1565M Pa﹔
屈服強(qiáng)度 σ0.2=965~1320M Pa﹔
伸長(zhǎng)率 δ5≧8％﹔
面縮率 Ψ≧23.5％。
按我們國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目﹙973﹚“新一代鋼鐵材料的重大基礎(chǔ)研究”對(duì)該鋼進(jìn)行“超細(xì)晶粒控制軋制”的盤(pán)條,制成園棒、鋼筋后，其：
抗拉強(qiáng)度 σь＝2030~2140M Pа﹔
屈服強(qiáng)度 σ0.2=1900~2100M Pа﹔
伸長(zhǎng)率 δ5＝12~15﹪﹔
面縮率 Ψ﹦48~55﹪。
這樣高的強(qiáng)韌性鋼，在國(guó)際上是少有的，使我國(guó)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中處于有力的地位。在高強(qiáng)韌性中，該鋼的低溫沖擊韌性很好。經(jīng)國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心測(cè)試，在該專(zhuān)利鋼強(qiáng)度高于我國(guó)的彈簧鋼性能，與鐵道部專(zhuān)用鋼60Si2CrVAT比較，38SiMnVBE專(zhuān)利鋼在-60℃時(shí)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(duì)運(yùn)行在特大雪凍嚴(yán)寒工程建筑用的鋼材，防止脆斷具有很高的實(shí)用價(jià)值。
（2）發(fā)達(dá)國(guó)家（美、德、法、英、日）和國(guó)際上都根據(jù)淬透性的要求作為選擇應(yīng)用彈簧鋼的依據(jù)，在他們彈簧鋼標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)要求上都有鋼的淬透性數(shù)據(jù)。而我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)中尚沒(méi)有，今38SiMnVBE合金結(jié)構(gòu)鋼的淬透性能達(dá)到與國(guó)際上最好的一類(lèi)彈簧鋼一致的水平。
?。?）具有寬廣的應(yīng)用范圍38SiMnVBE鋼除可作為高性能彈簧鋼應(yīng)用外，也可作為合金結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)用，用于各種精密機(jī)械設(shè)備中的軸桿、連桿、齒輪、高強(qiáng)度螺栓、彈簧、高韌性抗磨件和預(yù)應(yīng)力砼橋梁中的棒、錨具、錨桿等各個(gè)方面，還必將會(huì)應(yīng)用在鋼橋、大型鋼結(jié)構(gòu)中的高強(qiáng)度鋼拉桿等產(chǎn)品上，因此比彈簧鋼應(yīng)用范圍寬得多。
?。?）具有良好的性?xún)r(jià)比國(guó)內(nèi)、外高強(qiáng)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(jié)合我國(guó)資源條件，并且合理的設(shè)計(jì)，只含微量的貴重合金元素V，因而與國(guó)內(nèi)外同等高性能的鋼材相比，有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，用專(zhuān)利鋼制成高性能產(chǎn)品其價(jià)格卻不到進(jìn)口的三分之一。若與進(jìn)口我國(guó)的高性能彈簧產(chǎn)品相比，國(guó)外價(jià)格是38SiMnVBE制成彈簧產(chǎn)品的3～10倍。比如高級(jí)客車(chē)空氣簧配用大厚度﹝40mm以上﹞的導(dǎo)向臂，進(jìn)口的價(jià)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(shì)必會(huì)促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)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(yīng)用。尤其在斜拉索上的應(yīng)用，若投入試驗(yàn)取得高抗拉強(qiáng)度結(jié)果的話(huà)，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(lái)了焊接工藝配套問(wèn)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(shù)的發(fā)展有賴(lài)于設(shè)計(jì)、冶金、焊接各方面技術(shù)人員的密切配合和合作。因?yàn)楹附邮且粋€(gè)再冶金過(guò)程，鋼的微觀組織成分發(fā)生了改變，它會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)使用壽命帶來(lái)潛移默化的影響，所以橋梁設(shè)計(jì)人員在結(jié)構(gòu)技術(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算中，要在細(xì)節(jié)上充分周全把握疲勞和磨損帶來(lái)使用壽命的問(wèn)題，應(yīng)該是可以做到的，而關(guān)鍵是要解決防銹蝕的問(wèn)題。
根據(jù)我國(guó)鋼產(chǎn)量的儲(chǔ)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(zhǎng)效防護(hù)技術(shù)體系，并取得了良好的效果，從而推動(dòng)鋼橋的發(fā)展提供了有利的條件，同時(shí)也就開(kāi)拓了廣闊發(fā)展的前景。長(zhǎng)期以來(lái)，一般認(rèn)為鋼橋的造價(jià)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(yīng)用、大型構(gòu)件在工廠預(yù)制、減少現(xiàn)場(chǎng)工序和勞動(dòng)力需求，則鋼橋的優(yōu)越性就可明顯體現(xiàn)出來(lái)。例如杭州錢(qián)塘江上的九堡大橋就是一個(gè)范例。他們采用頂推的施工方法，將水上施工搬到岸上，鋼構(gòu)件部分基本上在工廠完成，橋面板則采用預(yù)制板，與現(xiàn)場(chǎng)澆筑預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)相比，其質(zhì)量更有保障，使工程整體在設(shè)計(jì)、施工、維修和管理上更趨合理，因而更具有耐久性，來(lái)實(shí)現(xiàn)全壽命的經(jīng)濟(jì)性。該橋主跨85m組合箱梁與同等跨度預(yù)應(yīng)力砼箱梁按每平米綜合工程造價(jià)相比，前者為8497元，后者卻為8815元。這是值得我們的設(shè)計(jì)人員去探索深思的。再者，如果我們能采用具有良好的力學(xué)性能，強(qiáng)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(mǎn)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(dú)特優(yōu)點(diǎn)。上面介紹的38SiMnVBE合金結(jié)構(gòu)鋼已在許多重大工程建筑上，得到了切實(shí)的應(yīng)用：北京交通大學(xué)徐國(guó)彬教授和王軍高級(jí)工程師遠(yuǎn)用了38SiMiVBE鋼已制作了“萬(wàn)向承載、萬(wàn)向轉(zhuǎn)動(dòng)、抗震減震彈性鋼支座”，整個(gè)支座將地震作用力減少20倍，有效地保護(hù)了建筑工程結(jié)構(gòu)在大地震（包括汶川大地震）作用下的安全，發(fā)揮它應(yīng)有的作用。而這種專(zhuān)利鋼筆者在四年前曾向有關(guān)的橋梁設(shè)計(jì)、施工單位推薦過(guò)，而且也附有國(guó)家多項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)，其主要技術(shù)指標(biāo)均超過(guò)或接近國(guó)內(nèi)外的水平，但迄今還未正式采用，關(guān)鍵的問(wèn)題是要等待列入國(guó)標(biāo)后方可使用，所以處于滯后狀態(tài)。筆者也曾詢(xún)問(wèn)專(zhuān)利發(fā)明人韓建中先生，如果某些技術(shù)指標(biāo)還達(dá)不到要求，怎么辦？！韓回答：“完全可針對(duì)該產(chǎn)品的要求在38SiMnVBE寬的成分范圍中，通過(guò)適當(dāng)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(guān)專(zhuān)家及橋梁界的設(shè)計(jì)大師以及設(shè)計(jì)、制造、施工等單位共同合作、探討、試驗(yàn)和應(yīng)用服務(wù)。對(duì)這種專(zhuān)利鋼能否早日應(yīng)用于橋梁和其他領(lǐng)域上，筆者呼吁國(guó)家科技部或有關(guān)部門(mén)牽頭，能迅速將這項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的特種專(zhuān)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(guó)家創(chuàng)造更多的財(cái)富和聲譽(yù)。
4. 結(jié)語(yǔ)
?。?）任何一種技術(shù)或產(chǎn)品，如果能夠迅速得到普遍應(yīng)用和發(fā)展，一定是取決于其本身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。鋼橋在我國(guó)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(wèn)世和長(zhǎng)效防護(hù)技術(shù)體系的配套應(yīng)用，其耐久壽命超過(guò)150年甚至更久是可預(yù)見(jiàn)的。
?。?）根據(jù)我國(guó)鋼產(chǎn)量和優(yōu)質(zhì)品種的有利平臺(tái)，必將為鋼橋的發(fā)展提供了廣闊的前景。我們展望在超長(zhǎng)跨海大橋的淺灘非通航孔的長(zhǎng)橋中，采用適當(dāng)大跨度的鋼梁或鋼混組合結(jié)構(gòu)，其建安費(fèi)并不是高的，甚至有可能比多墩等跨的先簡(jiǎn)支后連續(xù)的砼箱梁的造價(jià)還要低。
（3）在我國(guó)通航的內(nèi)河上，由于航運(yùn)事業(yè)的飛速發(fā)展，尤其是水運(yùn)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(yīng)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(yīng)統(tǒng)籌兼顧，盡量把航道留給航務(wù)部門(mén)，如果水面寬度在100米以下時(shí)，盡可能采用鋼橋一跨過(guò)江，這也是貫徹以民為本落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀的國(guó)策要求。
?。?）在城市道路或高速公路立體交叉跨越時(shí)，盡量采用鋼梁或組合梁一跨跨越，施工時(shí)既不影響交通正常通行，也可以減少用地和對(duì)民生的干擾。
?。?）鋼橋和鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁由于工廠化制造程度高，施工快捷，自身強(qiáng)度高，自重輕，質(zhì)量有保證，養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于預(yù)應(yīng)力砼橋梁的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力也與日俱增，展望迎來(lái)前所未有的發(fā)展期和良好的前景。
《第二十屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集》2012年
參考文獻(xiàn)
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