钢桥的发展机遇和展望
2014-08-20
1. 前言
钢桥具有自重轻，强度高，寿命长和更环保的特点。根据现在我国桥梁装备的不断发展，现有的吊装能力的条件，可以大型节段化在工厂制造，大部分焊接工作可在工厂进行，根据承受荷载的条件，可以使杆件标准定型化。根据现场施工条件，可以做到栓接装配化，是适合大跨度桥梁的设计和地震区的最佳上部结构的首选方案。它也是一种可回收再利用资源的方便材料，便于维修和长效防护涂装。其耐久性已有超过100年的历史，施工方便，快速。工程质量易于控制，并得到保证。
2. 中国目前发展钢桥的机遇和展望
（1）目前我国钢桥的数量仅占全部桥梁总数的百分之一左右，而我国2010年的钢产量已达到6.3亿吨，占全球钢产量的百分之四十四以上，已成了全球钢材产量的第一大国。进入2011年，我国日均194万吨的产量记录，年均7亿吨的粗钢产量，以及百分之九十以上的产能利用率，更将为发展钢桥提供了有力的支撑平台。
（2）‘十二五’期间，我国的钢铁工业发展，势必将由规模扩张为主向品种、质量、效益为主转型。全行业的运行态势由外延扩张向提高运行的质量和效益转变。近10年来，我国的钢桥发展紧随钢材质量的提高和制造技术的进步如火如荼向前推进。跨越长江、黄河等江河的大跨度铁路桥梁，都采用了钢梁结构，如武汉天兴洲公铁两用长江大桥，为四线铁路六车道城市道路的桥面双层结构，上层为公路，下层为铁路，主桥采用98＋196＋504＋196＋98五跨过江，全长为1092米的双塔三索斜拉桥。又如南京大胜关六线铁路长江大桥是举世瞩目的特大桥，主桥采用108＋192＋336＋192＋108全长1615米，基本覆盖了全部水域范围的六跨连续大跨度钢桁梁拱桥。还有安徽铜陵公铁两用长江大桥、郑州黄河公铁两用大桥、京沪高速铁路济南黄河大桥等各座大桥的跨度都较大，设计时速均在200公里/时以上；而且采用了多项新技术、新材料、并且均取得了成功，为今后钢桥的发展提供了参考的技术平台。
（3）从制造速度、耐久性、抗自然灾害的能力（尤其抗地震灾害的能力）与砼桥梁比较,具有突出的优势。从综合经济和社会效益指标（建设速度、施工装备与安全、质量控制难度、维修频率及费用、耐久寿命、环保条件……）比较，必将有突破的趋势。
（4）当前世界上的美欧经济危机，引发的金融风暴，对全球带来了冲击，我国经济形势也难免受到波动和挑战。为此，中央提出了一系列措施扩大内需，来应对外部最大限度的影响，以确保我国经济能平稳增长。对钢桥的发展也带来了机遇。最近宝钢适度减产而向品种、质量上转型，是十分必要的措施，对钢桥所用的钢材材质提升必将带来促进作用。
（5）根据桥梁科技事业的发展，我国已具有在钢材冶炼、制造、结构设计、施工装备等各个方面深厚的沉淀和发现。从过去建设大跨度钢桥，一般都要依靠国外进口钢材，到现在上海的振华重工集团已能为西方大国建桥并出口钢梁、制造和架设，获得了举世瞩目的成就，这是一次质和量的飞越进步，也为中国的桥梁事业走出国门创造了有利条件，不断在世界桥梁史上书写着新的篇章。
（6）随着水上航运事业的发展，在我国通航的内河上，由于船体越来越大，船只越来越多，船速越来越快，而相应发生船撞桥的事故机率也就越来越大。为了落实以民为本的科学发展观，真正去关怀民生、了解民生、改善民生的迫切要求和贯彻减灾、少灾、免灾的安全生产国策，笔者认为在水面宽度100米以下的通航内河上建桥，不宜设置桥墩，而宜多用钢梁或组合梁一跨过河，来统筹兼顾解决船和桥对立的矛盾，达到统一、和谐相处的最佳途径。同时亦为钢桥扩大内需提供了机遇，这是一举多得的实事工程。
3. 钢桥发展的重要前提和浅见
设计大师邵长宇指出“桥梁技术的发展都离不开材料，但就钢桥发展来说，国内桥梁用钢的发展还有待突破……”。那就是钢梁的材质应具有高强度、高坚韧性、高淬透性、低碳且塑性好并具有高性价比的环保材料的特点，一般称之为高性能钢（HPS）, 如今，我国钢材产量和质量比过去提高很多，但在材料的品种、规格和性能的多用途上与国外还有较大的差距，因而在一定程度上成了影响着桥梁结构的设计和施工工艺的瓶颈。所以桥梁的质量、耐久性和跨度的大小与钢材的创新是密切相关的。武汉长江第一大桥所用的是低碳CT.3号钢；到了南京大桥使用了鞍钢开发的16锰“争气钢”，以后也用在枝城长江大桥上；九江长江大桥采用屈服强度420MPa的16vMnVNq钢,栓焊连接。而在最近建成的武汉天兴洲长江大桥和南京大胜关长江大桥上，主桁杆件采用420钢，在桥面结构则采用Q370E钢的钢板。如今虽然钢材产量已达饱和状态，但在钢桥的发展上，对桥梁的耐久性、安全性、全寿命经济性、降低维修费用等方面的要求也与日俱增，相对于砼桥梁的经济竞争力也在不断增加，而为要取得竞争上的优势，其前提首先要在材质上更进一步创新突破，同时在涂装上宜采用长效防护体系[1]来降低维修频率，也就随之降低大量维修费用。在安全、实用、经济、美观、耐久、环保六项原则上挖掘潜力，来提高钢桥发展的潜在竞争能力是存在有利的优势条件的。
最近一种新型合金结构钢品种问世的信息和应用问题。新的高性能钢材的出现与应用，必将促进桥梁结构设计与施工工艺的相应创新。国外在上世纪80年代后，开始大力发展高性能钢材和品种，随之而来必将促使计算理论、体系、构造、施工和管养等作出相应的变革，从而使桥梁建设的技术水平向更高层次发展。同时施工装备由于材质强度提高必然会大大提高其使用效率，减轻劳动强度，也将促使现场施工人员的减少，演变为专业化大型构件的工厂预制和配以大型自动化优质的吊装施工机械在现场拼装就位。也就促进了质量得到预控、施工速度加快、耐久性更可靠和低碳环保等各方面的进步，势必在经济效益和社会效益上都会得到升华。
笔者有幸相识一位热处理专家韩建中高级工程师，由他发明的38SiMnVBE高强韧性、高淬透性、高应用领域和高性价比的新型合金结构钢，获得了国家的专利。专利号是ZL-98113532.3.这种高性能超高强度钢的优势和特点是﹕
（1）具有优良的强韧性（以ф75mm吊杆或拉杆为例）
抗拉强度 σ
ъ=1985~1565M Pa﹔
屈服强度 σ
0.2=965~1320M Pa﹔
伸长率 δ
5≧8％﹔
面縮率 Ψ≧23.5％。
按我们国家重大基础研究项目﹙973﹚“新一代钢铁材料的重大基础研究”对该钢进行“超细晶粒控制轧制”的盘条,制成园棒、钢筋后，其：
抗拉强度 σь＝2030~2140M Pа﹔
屈服强度 σ
0.2=1900~2100M Pа﹔
伸长率 δ
5＝12~15﹪﹔
面縮率 Ψ﹦48~55﹪。
这样高的强韧性钢，在国际上是少有的，使我国在国际竞争中处于有力的地位。在高强韧性中，该钢的低温冲击韧性很好。经国家钢铁材料测试中心测试，在该专利钢强度高于我国的弹簧钢性能，与铁道部专用钢60Si2CrVAT比较，38SiMnVBE专利钢在-60℃时的低温冲击韧性，是60Si2CrVAT钢的1.83倍，室温冲击韧性的1.53倍。对运行在特大雪冻严寒工程建筑用的钢材，防止脆断具有很高的实用价值。
（2）发达国家（美、德、法、英、日）和国际上都根据淬透性的要求作为选择应用弹簧钢的依据，在他们弹簧钢标准或技术要求上都有钢的淬透性数据。而我国的标准中尚没有，今38SiMnVBE合金结构钢的淬透性能达到与国际上最好的一类弹簧钢一致的水平。
（3）具有宽广的应用范围38SiMnVBE钢除可作为高性能弹簧钢应用外，也可作为合金结构钢应用，用于各种精密机械设备中的轴杆、连杆、齿轮、高强度螺栓、弹簧、高韧性抗磨件和预应力砼桥梁中的棒、锚具、锚杆等各个方面，还必将会应用在钢桥、大型钢结构中的高强度钢拉杆等产品上，因此比弹簧钢应用范围宽得多。
（4）具有良好的性价比国内、外高强韧性、高淬透性钢都含较多的贵重合金元素﹕Mo、Ni、V等，而38SiMnVBE钢，能结合我国资源条件，并且合理的设计，只含微量的贵重合金元素V，因而与国内外同等高性能的钢材相比，有明显的价格优势，用专利钢制成高性能产品其价格却不到进口的三分之一。若与进口我国的高性能弹簧产品相比，国外价格是38SiMnVBE制成弹簧产品的3～10倍。比如高级客车空气簧配用大厚度﹝40mm以上﹞的导向臂，进口的价格是38SiMnVBE钢制产品的10倍。
所以这种38SiMnVBE新型钢种的发明，势必会促进钢结构形式的多样化、自重减轻合理化，并在更广泛的范围内得以应用。尤其在斜拉索上的应用，若投入试验取得高抗拉强度结果的话，其经济效益和社会效益的成果是不可估量的[2]。
高性能钢材的不断涌现，也带来了焊接工艺配套问题，焊缝的疲劳裂纹集中表现为早发性、多发性和重现性。焊接技术的发展有赖于设计、冶金、焊接各方面技术人员的密切配合和合作。因为焊接是一个再冶金过程，钢的微观组织成分发生了改变，它会对结构使用寿命带来潜移默化的影响，所以桥梁设计人员在结构技术的设计计算中，要在细节上充分周全把握疲劳和磨损带来使用寿命的问题，应该是可以做到的，而关键是要解决防锈蚀的问题。
根据我国钢产量的储备和材质水平不断提高，尤其是高性能钢新的品种增多，以及防腐蚀采用电弧喷涂锌铝伪合金长效防护技术体系，并取得了良好的效果，从而推动钢桥的发展提供了有利的条件，同时也就开拓了广阔发展的前景。长期以来，一般认为钢桥的造价要比砼桥梁高得多，但是若在施工工艺上有所创新、配以新材料的应用、大型构件在工厂预制、减少现场工序和劳动力需求，则钢桥的优越性就可明显体现出来。例如杭州钱塘江上的九堡大桥就是一个范例。他们采用顶推的施工方法，将水上施工搬到岸上，钢构件部分基本上在工厂完成，桥面板则采用预制板，与现场浇筑预应力砼结构相比，其质量更有保障，使工程整体在设计、施工、维修和管理上更趋合理，因而更具有耐久性，来实现全寿命的经济性。该桥主跨85m组合箱梁与同等跨度预应力砼箱梁按每平米综合工程造价相比，前者为8497元，后者却为8815元。这是值得我们的设计人员去探索深思的。再者，如果我们能采用具有良好的力学性能，强度高，塑性好，韧性高和优良的加工性能的高性能钢种，它就能满足桥梁的轻质化、大跨度的需求，那末就更显示出钢桥的独特优点。上面介绍的38SiMnVBE合金结构钢已在许多重大工程建筑上，得到了切实的应用：北京交通大学徐国彬教授和王军高级工程师远用了38SiMiVBE钢已制作了“万向承载、万向转动、抗震减震弹性钢支座”，整个支座将地震作用力减少20倍，有效地保护了建筑工程结构在大地震（包括汶川大地震）作用下的安全，发挥它应有的作用。而这种专利钢笔者在四年前曾向有关的桥梁设计、施工单位推荐过，而且也附有国家多项测试数据，其主要技术指标均超过或接近国内外的水平，但迄今还未正式采用，关键的问题是要等待列入国标后方可使用，所以处于滞后状态。笔者也曾询问专利发明人韩建中先生，如果某些技术指标还达不到要求，怎么办？！韩回答：“完全可针对该产品的要求在38SiMnVBE宽的成分范围中，通过适当调整成分和热处理工艺，使该钢更符合产品的需要，是大有作为的。”他表示愿与有关专家及桥梁界的设计大师以及设计、制造、施工等单位共同合作、探讨、试验和应用服务。对这种专利钢能否早日应用于桥梁和其他领域上，笔者呼吁国家科技部或有关部门牵头，能迅速将这项自主知识产权的特种专利钢抓紧产业化不仅为钢桥发展起到巨大作用，而且也将为国家创造更多的财富和声誉。
4. 结语
（1）任何一种技术或产品，如果能够迅速得到普遍应用和发展，一定是取决于其本身的独特优势。钢桥在我国的历史，已在百年以上，它的耐久性是毋庸置疑的。随着高性能钢种的不断问世和长效防护技术体系的配套应用，其耐久寿命超过150年甚至更久是可预见的。
（2）根据我国钢产量和优质品种的有利平台，必将为钢桥的发展提供了广阔的前景。我们展望在超长跨海大桥的浅滩非通航孔的长桥中，采用适当大跨度的钢梁或钢混组合结构，其建安费并不是高的，甚至有可能比多墩等跨的先简支后连续的砼箱梁的造价还要低。
（3）在我国通航的内河上，由于航运事业的飞速发展，尤其是水运成本的低廉，船只的数量、速度和船身容量都在增多、增大，因而相应也增加了船撞桥事故的难题，因此建议今后在通航内河上建桥，应统筹兼顾，尽量把航道留给航务部门，如果水面宽度在100米以下时，尽可能采用钢桥一跨过江，这也是贯彻以民为本落实科学发展观的国策要求。
（4）在城市道路或高速公路立体交叉跨越时，尽量采用钢梁或组合梁一跨跨越，施工时既不影响交通正常通行，也可以减少用地和对民生的干扰。
（5）钢桥和钢混组合结构桥梁由于工厂化制造程度高，施工快捷，自身强度高，自重轻，质量有保证，养护简单等优点，相对于预应力砼桥梁的经济竞争力也与日俱增，展望迎来前所未有的发展期和良好的前景。
《第二十届全国桥梁学术会议论文集》2012年
参考文献
[1]朱海涛：“关于桥梁应用长效防护技术的建议方案”.
北京2008年《中国工程科学高层论坛—京沪高速铁路桥梁建设技术发展工艺设备材料交流研讨会论文集》.
[2]韩建中：“一种高性能、多用途的新型钢—38SiMnVBE合金结构钢的应用”.
