1、概 述

材料性能的改善不僅可以提高橋梁的結構性能。而且可以降低施工成本。高強鋼和高性能鋼橋充分發揮了材料的優越性 ，給社會帶來了顯著的效益。經過多年的共同努力 ，美國研發了系列高性能鋼 ，如HPS50W、HPS70W和HPS100W，同時H P S在橋梁工程中的應用越來越廣。在歐洲 ，HP S 在結構中的應用不限于橋梁，還用于建筑結構中。在國外，H P S 在一定程度上代表了鋼橋所用材料的發展方向。

2 高性能鋼

2．1 概述

結構鋼的特性包括機械性能和化學性能、冶金結構和可焊性。建筑工程專家原先的注意力偏重于抗拉性(縱向屈服應力和最終抗拉強度)，也注意到拉伸試樣斷裂時所測得的變形能力。彈性系數E在各鋼種的實際應用中均為常數，因而，除了適用性外，通常很少考慮。對于結構鋼來說，這些鋼種的可焊性足以滿足要求，變形能力和韌性也令人滿意，其部分原因是設計規格僅提出非常有限的特定要求。

近年來，針對地震中顯示出來的材料性能，提出了大量與鋼結構設計和制造有關的問題。那些歷來被接受的標準受到質疑。人們開始質疑用普通單軸拉伸試樣確定材料性能的適用性，若干失敗的模型都要求更高、更好地定義垂直強度。

2．2 特性

開發高性能鋼的一個重要問題總是基于其耐用性考慮，如是否發生偏斜或者偏移。就橋梁而言，自然勿庸置疑，因為疲勞和斷裂標準覆蓋了大多數設計要求。建筑物的耐用性主要由其鋼性所決定，具體表現為彈性系數、來自梁體的終端支撐環境、結構系統和負荷條件。若僅僅增強此類結構材料的單軸強度是無效的，也是不經濟的。當前，人們關注那些材料的良好焊接性能以及優異韌性和延展性來抵抗斷裂的發生和延伸。在許多地理環境中，特別是對那些直接暴露在多變環境條件下的結構來說，腐蝕也是個不容忽視的問題。

2．2．1 抗拉性能

通常，樓房建筑使用中等范圍屈服應力的HSLA鋼(350 MPa)，橋梁則采用該級別和480 MPaHSLA鋼，設計師和制造商提出這樣一個問題：強度變動范圍似乎有點過度，以至于名義強度為350MPa鋼種的實際承受屈服應力可達到480MPa或者更高。這為結構設計帶來較大的難度，連接部位的屈服強度，尤其要保證建筑結構的抗震性在地震中表現良好，這就產生最小和最大屈服應力標準，以及屈服比的最大值。A992鋼就是一種代表鋼種。鋼在厚度方向的拉伸也引發了一些疑問，為此進行了大量的連接測試。其結果顯示，這種抗拉特性并不是失效機制產生的原因。這一發現也被全方位的梁柱連接測試所證實。Dexter還考查是脆裂機制或脆裂延伸的成因。

2．2．2 延展性

延展性通過單軸拉伸試樣的延伸斷裂測試進行測量。支承梁與柱桿連接的測試用于檢測這些要素在高要求扭轉條件，如在極端承載條件下的反應。研究結果發現，采用HIS及其它鋼種連接件的扭轉能力可以滿足地震及其它相似形變條件的要求。所有HPS鋼都能獲得18％ ～30％ 之間的單軸拉伸，這被認為是優秀的。

2．2．3 脆裂韌性

就橋梁結構而言，維修和承載條件使疲勞脆裂成為一個重大的問題。脆裂韌性很久以來一直是所需的機械性能之一。近年來，在美國和日本發生的地震中，建筑結構的失效強調的是基體金屬，特別是焊接金屬的脆裂韌性對建筑結構來說非常重要。在5℃溫度條件下，具有脆裂韌性的HPS鋼的v形凹槽的韌性要求為27J。這取決于其結構的維修條件，尤其是在鋼體暴露在外的條件下。AASHTO橋梁設計規格提供了美國不同地理位置橋梁的詳細標準，AISC地震設計規格也對建筑結構提出了要求。

2．2．4 鋼的化學性

在所有鋼種中，主要的控制強度的化學成分為碳。根據鋼的類型和強度等級，就HPS材料而言，軋制型鋼的最大碳含量在0.12％ ～0.26％之間。碳的實際含量取決于產品的尺寸和厚度。目前，像A992及其它HPS那樣，碳含量已降低到0.06％ ～0.10％之間，并以其它化學成分來彌補低碳引起的強度損失。CE直接受實際碳含量的影響。因此，通過CE測量可知，這樣可以大大地提高鋼的可焊性。更高的強度則通過添加合金元素來實現，如錳、鉬、釩、鉻、銅和鎳能提高鋼的耐蝕性，鎳還能增強脆裂強度。硅和鋁是去氧化物。在生產實踐中，添加這些元素用于獲得少量或完全不含硫化錳等非金屬雜質的半鎮靜鋼或全鎮靜鋼。在美國，用于生產建筑用鋼的連鑄工藝使用了硅。這種工藝要求全鎮靜鋼，而鋼板的生產則用鋁來脫氧。硫和磷對結構鋼的強度、延展性和可焊性是不利的。目前，美國型鋼產品的硫含量為0.02％～ 0.03％ ，這對避免材料焊接困難并保持合適的可鍛性來說，已是足夠低了。

2．2．5 可焊性

鋼中有必要保留一定的化學成分，以促進基體金屬和填充金屬(如焊接電極)的熔融，避免產生脆裂及其它缺陷。這被定義為鋼的可焊性。盡管過去所有等級的結構鋼都是可焊的，但A992和各種HIS級鋼則具有更優越的性能。CE最適于測量可焊性。在美國，最普遍采用

的CE公式是國際焊接協會(I1W)的公式，如ASTM A992標準限制CE值為0.43，但此類產品的實際值則為0.3左右。

2．2．6 耐蝕性

耐蝕性通常指的是HIS及其它鋼的腐蝕特征。最初耐候鋼的開發，使建筑結構不再使用油漆及其它耐蝕技術。這些鋼的表面自然形成銹層，以抵抗腐蝕物的入侵。ASTM A588和HIS鋼都具有這些特征，HI S在一定程度上顯示出良好的保護性。已知耐蝕過程失效的唯一環境條件是雨水聚集且未被排干，由于鹽在寒冷季節里的作用是防止結冰，它的存在易使結構鋼惡化。在這種條件下，疲勞和斷裂行為都會受到負面影響。

2．3 高性能鋼結構橋梁的設計指南

為了增加HIS的使用，尤其在橋梁結構方面，美國高速公路聯合管理委員會(FI-IWA)編制了使用這種鋼的詳細設計指南。該指南集中于對焊接成型支架用板材的使用，因為這類支架目前常用混合結構。根據指南，橋梁支架通常采用480 MPa鋼凸緣和350 MPa鋼連接件進行搭建，尤其在使用連續支架時特別經濟。

3、 國外高強鋼和高性能鋼的研究概況

在過去的幾十年中．鋼材生產技術的進步推動了高性能鋼( H P S ) 的研發，使得所生產的鋼種能滿足預先的要求 。在結構工程 ，尤其是在橋梁工程中，美國、日本、及歐洲國家越來越注重HPS 的研發與應用 。目前，各個國家根據本國的特殊工程要求開發了一系列鋼種。

3.1   美 國HP S 的研究概況

美國于1 9 9 2 年成立了HP S 指導委員會 ．正式開始 了大量的HP S 研發。并致力于將HP S 應用于造價經濟的鋼橋之中。

H P S在傳統鋼的基礎上改 善了碳含量和碳當量，從而提高了可焊性。H P S優良的可焊性可以降低預熱溫度、溫度輸人控制、焊后處理和其他需要嚴格控制的要求，也可以消除焊接過程中的氫致開裂。消除氫致開裂最有效的方法是明確最低預熱溫度。一般情況下 ，預熱溫度越高，脆性微觀結構形成的機會就越少。然而，預熱不僅費時，而且增加了成本 。發展高性能鋼的目的之一就是減少或取消預熱。與普通的耐候鋼相比．美國通過增加合金元素開發 了一種新型耐候鋼。這種新型鋼的抗腐蝕性比傳統鋼更優 ，不需要涂裝和其他防腐技術。H P S 的耐候性指其在一般氣候條件下 ，在不需要涂裝的情況下可以正常工作。

目前,在美國4 0 多個州的約200座橋梁中應用了H P S ．這些使用 中的橋梁體現了良好的結構性能和經 濟性 。為 了在橋梁中更加有效地應用高性能鋼，美國已對公路橋梁設計規范( A A S H T O) 做了很大的改進 ，允許工程師采用高性能鋼 ，并提出了混雜設計的概念 。

3.2   日本橋梁用高性能鋼的研究與應用

日本將H P S 的研發與橋梁設計相聯系。其鋼種命名為橋 梁用高性 能鋼 ( B H S 5 0 0 W或B HS 7 0 0 W) 。B H S 有兩種 ：一種屈服強度為5 0 0 MP a ( B H S 5 0 0 ) ，適用于中小 橋梁 ：另一種屈服強度 為7 0 0 MP a ( B H S 7 0 0 ) ．適用于大跨橋梁 。目前．研究人員認為B H S 5 0 0 和B H S 7 0 0 具有相同的工作性能 。B H S 預熱溫度低 、韌性高 ，制作成本較低。

日本于1 9 6 4 年開始在橋梁中應用耐候鋼 ．其應用快速增長。1 9 8 0 - 1 9 9 0 年，日本對耐候鋼的使用進行了調查研究。研究表明。耐候鋼可用于空氣中鹽分 約為0 ． 0 5 m d d 的環境中。但 由于1 9 9 1 年開始采取在路面上噴灑防凍劑的措施 ，耐候鋼銹蝕嚴重。因此 ，鋼鐵生產商通過添加合金元素以開發新型耐候鋼 。研究人員針對日本沿海地區的環境條件進行了大量的研究工作．開發了抗腐蝕性優良的新型含鎳耐候鋼。

3. 3   歐洲高性能鋼的研究與應用

歐洲致力于建立最新的H P S 設計規范，其目的是將H P S 應用 于除橋梁外的各種結構中。在歐洲，HP S 在結構中的應用不僅限于橋梁 ．而且用于建筑結構中，如起重機、沿海工程 、造船業等。20 世紀60 年代，歐洲鋼材的生產使用Q & T 技術。現在，可采用該方法生產出屈服強度達1100MPa的鋼材。此外,也可以添加一些微量元素以提高強度，如Ni、V和Ti .

使用傳統埋弧焊，可以成功地將高強鋼與普通結構鋼焊接起來。焊接時應該注意保證焊縫表面清潔和干燥，建議預熱母材。淬火及回火處理的鋼材在保證韌性及可焊性的前提下，可充分發揮高強優勢，為設計者提供了更大的設計余地。

為了研究使用高強鋼的經濟性 ，應該考慮預測鋼材的價格、強度、市場和生產商的經營策略、生產方法。如果能充分利用強度 ，那么材料的成本將隨強度的提高而降低 。結構 的成本更多地 由制造和建設成本決定 。制作成本大多由結構類型決定 。對任何一項工程 ，使用高強鋼的優越性都可以通過成本對比來進行。

4 高強鋼和高性能鋼的應用實例

近十年來，HPS 在橋梁工程中的應用取得了很好的成績。北美 、日本及歐洲 的一些國家早已開始在橋梁工程 中應用HP S ，并 已經建設了一批高性能鋼橋而且取得 了 良好的經濟效益和社會效益。目前，HPS 及其研發應用受到人們越來越多的關注。

4.1   HP S在美國的應用

紐約高速公路管理局( N Y S T A) 與聯邦公路管理局( F HWA) 共同合作 ，其目的是 ：在限制通行的公路系統的不同位置 ，評價并證明H P S 7 0 W在橋梁制作 與建設 中的應用。在這項協議下，N T S T A 建成了7 座高性能鋼橋。其中第一個工程是在B e r k-s h i r e 高速公路上使用HP S 7 0 W的Mu i t z e s  K i l l 橋  。這是一座跨徑為6 0.9 6 m的簡支橋梁 ，該橋無伸縮縫 且設有兩車道 ，由6片高1.8 3 m、中間間距為2.4 4 m的主梁構成。開始時 ，該橋被設計為使用傳統5 0 W的兩跨結構。隨后，設計得到修改，通過取消中間橋墩來達到充分利用HP S 7 0 W的強度的目的

4 .2   日本的應用情況

截至2003年4月 ，共 1 9 4 0 0 t 新型含鎳耐候鋼用于日本橋梁。其中包括了1 9 9 7 年以來的試驗用鋼 。含Ni 的新型耐候鋼大多應用于空氣中來自海洋的鹽分含量超過0.05mdd的地區，也用于防凍劑影響嚴重的內陸地區。橋梁位于Ni g a t a  P r e f e c t u r e，距離日本海2 0 k m．該橋是針對來自日本海的空氣中的鹽分含量而建設 的。該橋采用鋼材的Ni-Mo 含量為1.5％，板厚28mm。

4. 3   歐洲的應用實例--意大利的Ve r r a n d高架橋

Ve r r a n d高 架 橋 于 2 0 0 2年 竣 工 ，它 是 Mo n t B l a n c - A o s t a 高速公路的一部分 ，位于 C o u r ma y e u r 附近 ，必須跨越狹谷和D o r a   B a l t e a 河流。該橋采用了正交異性橋 面板 ，總用鋼量為6 1 0 0 t 。頂推導梁采用高強鋼管截面，并選用了高強鋼 $ 6 9 0．格子梁跨度可達8 5 m。從而顯著減小了頂推梁的自重。頂推施工法要求截面尺寸不改變 ，所以設計最終采用了鋼橋面板

4.4 高強鋼橋及高性能鋼橋的優點

高強鋼和高性能鋼橋在使用階段 的工作性能已證實了高強鋼和高性能鋼橋具有優越的技術性能和顯著的經濟效益。高強鋼和高性能鋼強度高。可以減少 自重和造價 、降低梁高以增大豎向凈空或跨度。高性能鋼優 良的可焊性提高了焊接質量并降低了在低溫條件下的鋼橋發生脆斷和突然失效的可能性 。高性能鋼的高韌性意味著對裂紋的容忍度高 ，這為橋梁的檢測和修復爭取了更多的時間以保證安全 。高性能鋼的良好耐候性使橋梁在大氣環境下可以不采用涂裝。借助混合設計 ．可充分發揮高強鋼和高性能鋼梁的受力性能。優化的高性能鋼主梁可以降低一期建造成本 ．以及整個壽命周期的成本。

5 小 結

隨著鋼材生產技術的迅速發展。高性能鋼的生產與應用越來越廣泛。高性能鋼在強度 、韌性 、可焊性和抗腐蝕性等方面優于傳統鋼材。如果將材料優勢、設計與施工最優化的結合起來．就可以顯著降低成本 ，使結構更合理耐久 ，降低對不可再生資源的消耗等 ，這些優勢使高性能鋼成為結構工程的理想材料 。可見 ，高強鋼和高性能鋼的研究應用推動了可持續工程的發展，具有很大的潛力。

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