高性能钢

高强钢和高性能钢的应用何卫（1北京交通大学土建学院北京 100044）摘要：高性能钢在强度、韧性、可焊性和抗腐蚀性等方面优于传统钢材。

如果将材料优势、设计与施工最优化结合起来，就可以显著降低成本，使结构更加合理耐久，降低对不可再生资源的消耗等。

这些优势使高性能钢成为结构工程的理想材料，可见，高强钢和高性能钢的研究应用推动了可持续工程的发展，具有很大的潜力。

关键词：高强钢；高性能钢；高性能钢桥；韧性；耐候钢1、概述材料性能的改善不仅可以提高桥梁的结构性能。

而且可以降低施工成本。

高强钢和高性能钢桥充分发挥了材料的优越性，给社会带来了显著的效益。

经过多年的共同努力，美国研发了系列高性能钢，如HPS50W、HPS70W和HPS100W，同时H P S在桥梁工程中的应用越来越广。

在欧洲，HP S 在结构中的应用不限于桥梁，还用于建筑结构中。

在国外，H P S 在一定程度上代表了钢桥所用材料的发展方向。

2 高性能钢2．1 概述结构钢的特性包括机械性能和化学性能、冶金结构和可焊性。

建筑工程专家原先的注意力偏重于抗拉性(纵向屈服应力和最终抗拉强度)，也注意到拉伸试样断裂时所测得的变形能力。

弹性系数E在各钢种的实际应用中均为常数，因而，除了适用性外，通常很少考虑。

对于结构钢来说，这些钢种的可焊性足以满足要求，变形能力和韧性也令人满意，其部分原因是设计规格仅提出非常有限的特定要求。

近年来，针对地震中显示出来的材料性能，提出了大量与钢结构设计和制造有关的问题。

那些历来被接受的标准受到质疑。

人们开始质疑用普通单轴拉伸试样确定材料性能的适用性，若干失败的模型都要求更高、更好地定义垂直强度。

2．2 特性开发高性能钢的一个重要问题总是基于其耐用性考虑，如是否发生偏斜或者偏移。

就桥梁而言，自然勿庸置疑，因为疲劳和断裂标准覆盖了大多数设计要求。

建筑物的耐用性主要由其钢性所决定，具体表现为弹性系数、来自梁体的终端支撑环境、结构系统和负荷条件。

若仅仅增强此类结构材料的单轴强度是无效的，也是不经济的。

当前，人们关注那些材料的良好焊接性能以及优异韧性和延展性来抵抗断裂的发生和延伸。

在许多地理环境中，特别是对那些直接暴露在多变环境条件下的结构来说，腐蚀也是个不容忽视的问题。

2．2．1 抗拉性能通常，楼房建筑使用中等范围屈服应力的HSLA钢(350 MPa)，桥梁则采用该级别和480 MPaHSLA钢，设计师和制造商提出这样一个问题：强度变动范围似乎有点过度，以至于名义强度为350MPa钢种的实际承受屈服应力可达到480MPa或者更高。

这为结构设计带来较大的难度，连接部位的屈服强度，尤其要保证建筑结构的抗震性在地震中表现良好，这就产生最小和最大屈服应力标准，以及屈服比的最大值。

A992钢就是一种代表钢种。

钢在厚度方向的拉伸也引发了一些疑问，为此进行了大量的连接测试。

其结果显示，这种抗拉特性并不是失效机制产生的原因。

这一发现也被全方位的梁柱连接测试所证实。

Dexter还考查是脆裂机制或脆裂延伸的成因。

2．2．2 延展性延展性通过单轴拉伸试样的延伸断裂测试进行测量。

支承梁与柱杆连接的测试用于检测这些要素在高要求扭转条件，如在极端承载条件下的反应。

研究结果发现，采用HIS及其它钢种连接件的扭转能力可以满足地震及其它相似形变条件的要求。

所有HPS钢都能获得18％～30％之间的单轴拉伸，这被认为是优秀的。

2．2．3 脆裂韧性就桥梁结构而言，维修和承载条件使疲劳脆裂成为一个重大的问题。

脆裂韧性很久以来一直是所需的机械性能之一。

近年来，在美国和日本发生的地震中，建筑结构的失效强调的是基体金属，特别是焊接金属的脆裂韧性对建筑结构来说非常重要。

在5℃温度条件下，具有脆裂韧性的HPS钢的v形凹槽的韧性要求为27J。

这取决于其结构的维修条件，尤其是在钢体暴露在外的条件下。

AASHTO桥梁设计规格提供了美国不同地理位置桥梁的详细标准，AISC地震设计规格也对建筑结构提出了要求。

2．2．4 钢的化学性在所有钢种中，主要的控制强度的化学成分为碳。

根据钢的类型和强度等级，就HPS材料而言，轧制型钢的最大碳含量在0.12％～0.26％之间。

碳的实际含量取决于产品的尺寸和厚度。

目前，像A992及其它HPS那样，碳含量已降低到0.06％～0.10％之间，并以其它化学成分来弥补低碳引起的强度损失。

CE直接受实际碳含量的影响。

因此，通过CE测量可知，这样可以大大地提高钢的可焊性。

更高的强度则通过添加合金元素来实现，如锰、钼、钒、铬、铜和镍能提高钢的耐蚀性，镍还能增强脆裂强度。

硅和铝是去氧化物。

在生产实践中，添加这些元素用于获得少量或完全不含硫化锰等非金属杂质的半镇静钢或全镇静钢。

在美国，用于生产建筑用钢的连铸工艺使用了硅。

这种工艺要求全镇静钢，而钢板的生产则用铝来脱氧。

硫和磷对结构钢的强度、延展性和可焊性是不利的。

目前，美国型钢产品的硫含量为0.02％～0.03％，这对避免材料焊接困难并保持合适的可锻性来说，已是足够低了。

2．2．5 可焊性钢中有必要保留一定的化学成分，以促进基体金属和填充金属(如焊接电极)的熔融，避免产生脆裂及其它缺陷。

这被定义为钢的可焊性。

尽管过去所有等级的结构钢都是可焊的，但A992和各种HIS级钢则具有更优越的性能。

CE最适于测量可焊性。

在美国，最普遍采用的CE公式是国际焊接协会(I1W)的公式，如ASTM A992标准限制CE值为0.43，但此类产品的实际值则为0.3左右。

2．2．6 耐蚀性耐蚀性通常指的是HIS及其它钢的腐蚀特征。

最初耐候钢的开发，使建筑结构不再使用油漆及其它耐蚀技术。

这些钢的表面自然形成锈层，以抵抗腐蚀物的入侵。

ASTM A588和HIS钢都具有这些特征，HI S在一定程度上显示出良好的保护性。

已知耐蚀过程失效的唯一环境条件是雨水聚集且未被排干，由于盐在寒冷季节里的作用是防止结冰，它的存在易使结构钢恶化。

在这种条件下，疲劳和断裂行为都会受到负面影响。

2．3 高性能钢结构桥梁的设计指南为了增加HIS的使用，尤其在桥梁结构方面，美国高速公路联合管理委员会(FI-IWA)编制了使用这种钢的详细设计指南。

该指南集中于对焊接成型支架用板材的使用，因为这类支架目前常用混合结构。

根据指南，桥梁支架通常采用480 MPa钢凸缘和350 MPa钢连接件进行搭建，尤其在使用连续支架时特别经济。

3、国外高强钢和高性能钢的研究概况在过去的几十年中．钢材生产技术的进步推动了高性能钢( H P S ) 的研发，使得所生产的钢种能满足预先的要求。

在结构工程，尤其是在桥梁工程中，美国、日本、及欧洲国家越来越注重HPS 的研发与应用。

目前，各个国家根据本国的特殊工程要求开发了一系列钢种。

3.1 美国HP S 的研究概况美国于1 9 9 2 年成立了HP S 指导委员会．正式开始了大量的HP S 研发。

并致力于将HP S 应用于造价经济的钢桥之中。

H P S在传统钢的基础上改善了碳含量和碳当量，从而提高了可焊性。

H P S优良的可焊性可以降低预热温度、温度输人控制、焊后处理和其他需要严格控制的要求，也可以消除焊接过程中的氢致开裂。

消除氢致开裂最有效的方法是明确最低预热温度。

一般情况下，预热温度越高，脆性微观结构形成的机会就越少。

然而，预热不仅费时，而且增加了成本。

发展高性能钢的目的之一就是减少或取消预热。

与普通的耐候钢相比．美国通过增加合金元素开发了一种新型耐候钢。

这种新型钢的抗腐蚀性比传统钢更优，不需要涂装和其他防腐技术。

H P S 的耐候性指其在一般气候条件下，在不需要涂装的情况下可以正常工作。

目前,在美国4 0 多个州的约200座桥梁中应用了H P S ．这些使用中的桥梁体现了良好的结构性能和经济性。

为了在桥梁中更加有效地应用高性能钢，美国已对公路桥梁设计规范( A A S H T O) 做了很大的改进，允许工程师采用高性能钢，并提出了混杂设计的概念。

3.2 日本桥梁用高性能钢的研究与应用日本将H P S 的研发与桥梁设计相联系。

其钢种命名为桥梁用高性能钢( B H S 5 0 0 W或B HS 7 0 0 W) 。

B H S 有两种：一种屈服强度为5 0 0 MP a ( B H S 5 0 0 ) ，适用于中小桥梁：另一种屈服强度为7 0 0 MP a ( B H S 7 0 0 ) ．适用于大跨桥梁。

目前．研究人员认为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 预热温度低、韧性高，制作成本较低。

日本于1 9 6 4 年开始在桥梁中应用耐候钢．其应用快速增长。

1 9 8 0 —1 9 9 0 年，日本对耐候钢的使用进行了调查研究。

研究表明。

耐候钢可用于空气中盐分约为0 ．0 5 m d d 的环境中。

但由于1 9 9 1 年开始采取在路面上喷洒防冻剂的措施，耐候钢锈蚀严重。

因此，钢铁生产商通过添加合金元素以开发新型耐候钢。

研究人员针对日本沿海地区的环境条件进行了大量的研究工作．开发了抗腐蚀性优良的新型含镍耐候钢。

3. 3 欧洲高性能钢的研究与应用欧洲致力于建立最新的H P S 设计规范，其目的是将H P S 应用于除桥梁外的各种结构中。

在欧洲，HP S 在结构中的应用不仅限于桥梁．而且用于建筑结构中，如起重机、沿海工程、造船业等。

20 世纪60 年代，欧洲钢材的生产使用Q & T 技术。

现在，可采用该方法生产出屈服强度达1100MPa的钢材。

此外,也可以添加一些微量元素以提高强度，如Ni、V和Ti .使用传统埋弧焊，可以成功地将高强钢与普通结构钢焊接起来。

焊接时应该注意保证焊缝表面清洁和干燥，建议预热母材。

淬火及回火处理的钢材在保证韧性及可焊性的前提下，可充分发挥高强优势，为设计者提供了更大的设计余地。

为了研究使用高强钢的经济性，应该考虑预测钢材的价格、强度、市场和生产商的经营策略、生产方法。

如果能充分利用强度，那么材料的成本将随强度的提高而降低。

结构的成本更多地由制造和建设成本决定。

制作成本大多由结构类型决定。

对任何一项工程，使用高强钢的优越性都可以通过成本对比来进行。

4 高强钢和高性能钢的应用实例近十年来，HPS 在桥梁工程中的应用取得了很好的成绩。

北美、日本及欧洲的一些国家早已开始在桥梁工程中应用HP S ，并已经建设了一批高性能钢桥而且取得了良好的经济效益和社会效益。

目前，HPS 及其研发应用受到人们越来越多的关注。

4.1 HP S在美国的应用纽约高速公路管理局( N Y S T A) 与联邦公路管理局( F HWA) 共同合作，其目的是：在限制通行的公路系统的不同位置，评价并证明H P S 7 0 W在桥梁制作与建设中的应用。

在这项协议下，N T S T A 建成了7 座高性能钢桥。