钢结构在桥梁中的应用和发展

钢结构在桥梁中的应用和发展
郑鸿儒—
摘要：总结了我国钢结构在桥梁结构体系中的应用概况，提出了钢结构在进今后桥梁建设中面临的主要问题和今后在桥梁建设的发展前景作了一系列的规划，并对其进行了深入的调研与思考，提出了有借鉴性的建议。

关键词：钢结构；应用；发展。

纵观世界城市建设的发展趋势,钢结构桥梁将代砼结构桥梁,引领桥梁建设新时代。

伴随经济高速发展,为拓展生活空间,我国已进入现代桥梁设新时代,将建造越来越多、越来越大、越来越长桥梁,这为钢结构桥梁提供了广阔的天地。

一．钢结构桥梁的现状
1. 钢结构桥梁的应用
随着我国城市建设的高速发展和钢结构桥梁疲、焊接、振动及桥梁上下结构设计、制造、施工等方技术的日益成熟与发展,钢结构桥梁已广泛应用铁路、公路、公铁两用桥及人行天桥。

铁路桥有济铁路桥、郑州铁路桥、兰州市黄河桥等,公路桥有州丫髻沙桥、上海南浦大桥、广东虎门大桥等,公两用桥有武汉长江大桥、香港青马大桥等,人行天有上海阂行区新梅人行钢网架天桥与贵阳大十字街人行环形钢天桥。

虽然钢结构桥梁在多方面得了应用,但现阶段我国的桥梁仍旧以砼结构占主地位。

2. 钢结构桥梁的主要形式
1)钢拱桥。

承重结构拱肋,主要承受轴向力,有弯矩或弯矩很小,主拱多用钢管,主拱和横梁可分别吊装、现场焊接,解决一次吊装质量过重的问题，现场施工吊装方便,大大缩短了工期。

其代表有庆乌江大桥、四川万县长江大桥、广州丫髻沙桥。

2)斜拉桥。

由加肋梁桥面体系与钢索索塔体共同组成,其桥面体系为钢箱梁、结合梁、钢桁架。

代表有南京长江二桥、武汉军山长江大桥。

3)悬索桥。

由固定于索塔的主缆支承梁跨,主为承重索,它通过吊索吊住加劲,主缆索的两端锚于地面。

悬索桥是跨径最大的桥梁,其最大跨径论上可达4 000 m,是跨千米以上桥梁的优选桥型。

其代表有香港青马大桥、江阴长江大桥、广东虎门大桥等。

3. 钢结构桥梁的优点
1)钢材的抗拉、抗压、抗剪强度相对来说较高,钢构件断面小、自重轻。

强度高,适于建造荷载很大的桥梁;自重轻则可减轻基础的负荷,降低基础造价,同时还便于运输和吊装。

2)钢材的塑性和韧性好,使钢结构桥梁的抗震性能好。

由于钢材有良好的塑性和韧性,在地震作用下通过结构的变形能较多地吸收能量,同时又具有能反复作用的韧性,从而大大提高了钢结构的抗震性能。

抗震和抗风是桥梁安全的保障,钢结构桥梁优良的抗震性能,扩展了其使用范围,尤其在高烈度地震区。

3)施工工期短。

钢结构的材料可轧制成多种型材,加工简易而迅速;建筑材料的运输量少,施工现场占地面积小;零星部件可在现场制作,连接简便,安装方便,施工周期短。

4)钢桥质量容易保证。

钢结构构件一般都在工厂制造、加工,工业化程度较高,精度高。

5)钢结构桥梁在使用过程中易于改造,如加固、接高、拓宽路面,变动比较容易、灵活。

6)钢结构是环保产品。

从钢桥上拆换下来的旧部件可重新熔炼,可节约能源,符合可持续发展的政策。

7)管线布置方便。

在钢桥的结构空间中,有许多孔洞与空腔,使管线的布置较为方便,而且管线的更换、修理较方便。

8)钢结构桥梁适用范围广,且易做成大跨度。

实践和研究表明:钢砼结构适用于500 m以下跨度的拱桥和斜拉桥,不适用于悬索桥;钢结构桥适用于跨度的拱桥、悬索桥和斜拉桥,特别是大跨度的索桥。

钢结构将撑起我国即将建造的多座又长又的跨海跨江桥梁。

发展钢结构桥梁的良好基础。

二．有如下几个方面的良好基础
1. 物质基础
我国钢铁工业的发展突飞猛进,为钢结构桥梁发展提供了坚实基础。

自1996年我国钢产量突1亿t后,钢材产量一路飙升。

同时,钢铁企业通结构调整和技术改造使钢铁产品的品种及材质有明显改善,国内长期短缺的H型钢和厚钢板等品的供应已基本解决。

我国有实力雄厚的专业桥梁,如山海关、丰台、宝鸡和株洲等专业桥梁厂。

有布全国的钢结构施工单位和造船厂,这些企业都合钢结构桥梁的施工,如常州船厂、广船国际集团司都为多座桥梁提供了钢结构。

2. 技术基础
钢桥疲劳、焊接、振动及桥梁上下结构设计、制、施工等方面技术的成熟与发展,有关规范、规程不断完善,为钢结构桥梁的应用奠定了必要的技基础。

我国
有关钢结构焊接和高强度螺栓连接、与砼组合结构、钢管砼及钢骨砼结构等方面的设、施工、验收规范及行业标准已发行了20多本。

3. 钢桥防腐难题得到了有效解决
桥梁专家对钢桥的损坏原因进行研究后得出结:钢桥失效主要是由材料制作不良、自然灾害和各交通事故、金属腐蚀等造成的,其中金属腐蚀是主原因之一。

涂料涂装防腐涂层的使用寿命只有215年,每3~5年的防腐蚀涂装费用巨大,占钢桥费用的10%以上。

因此,世界各国都致力于开发梁防腐蚀新工艺、新材料,并成功开发出热喷涂长防腐技术:依靠专用设备产生的热源(火焰、电弧、离子等),把金属或金属固体材料加热熔融或软,并用热源自身的动力或外加高速气流雾化,使雾化的喷涂材料快速喷射到经预处理干净的基体表面形成涂层。

这些喷涂层具有防腐蚀、耐磨、耐热、抗氧化、绝缘、导电、屏蔽等功能,其耐腐蚀寿命可达30~50年。

热喷涂现有喷锌、喷铝两种。

20世纪50年代,北美洲和欧洲在钢桥防腐中大量使用热喷涂长效防腐技术。

该技术于20世纪90年代在我国桥梁领域得到了部分应用,并取得了良好效果。

目前,我国在施工质量和生产效率方面都获得了稳定提高,将使热喷涂长效防腐技术在钢桥梁中得到广泛应用,从而推动钢桥梁的发展。

4. 我国发展战略的实施将为钢结构桥梁提供广阔的天地。

我国在20世纪后20年交通领域所取得成就的鼓舞下,构想21世纪更大规模的发展。

实现南北贯通的主干线之一的同三线(同江—三亚)上将兴建渤海海峡工程、长江口越江工程、杭州湾跨海工程、珠江口伶仃洋工程;舟山群岛也在进行通过6个跨岛桥梁工程与大陆相连接的宏伟规划;许多沿江城市都将通过建造多座越江大桥形成城市环线,以解决日益拥挤的交通问题。

所有这些宏伟规划的实施,特别是超长大桥梁的建设将为钢结构桥梁提供广阔的天地。

5. 结论
适用于不同形式、各种跨度的钢结构桥梁在我国桥梁建设中将得到越来越多的应用,特别是在超长大桥梁中,钢结构桥梁的应用前景更加广阔。

三、我国桥梁用钢的发展现状
由于其工作环境和所承受的载荷的不同，大型桥梁用钢可分为公路桥梁用钢和铁路桥梁用钢两大类。

另外跨海大桥用钢由于其所处的海洋腐蚀性环境以及桥梁下部结构的不问，也有其不同的特点。

1. 铁路桥梁用钢
自从前苏联援建武汉长江大桥以来，我国已建造了大量的大跨度铁路桥梁。

最初的武汉长江大桥采用的是前苏联生产的A3钢，其屈服强度仅要求大于等于240MPa，桥梁的上段结构采用的是铆接菱形连续梁。

武汉长江大桥
1969年建成通车的南京长江大桥，则是由完全由我国自主没计建造的大型公铁两用桥梁，采用的是16Mnq钢，其屈服强度仅要求大于等于320MPa。

当时16Mnq 在行业中虽然应用广泛，但使用部门反映，16Mnq钢板采用U形缺口冲击，韧性指标偏低。

同时也反映板厚效应严重，铁路桥仅能用到32mm,超过此厚度冶金质量难以保证。

南京长江大桥
受制于大跨度铁道桥梁的发展需求，迫切需求铁路桥梁用钢提高强度级别。

1995年建成的九江长江大桥，采用的就是15MnVNq。

和16Mnq钢相比，这种钢的强度确实有了显著提高，屈服强度要求大于等于412MPa(当板厚≤16mm时)。

但由于采用加钒捉高强度的方法，导致钢板低温韧性和焊接性较差，给桥梁制造带
来很多困难。

九江长江大桥建成后，该钢种一直未能得到推广应用。

桥梁钢已成为制约铁路桥梁发展的一个突出矛盾。

上世纪90年代初，铁路桥梁建设面临芜湖长江大桥的建设，主跨达312米。

桥梁钢问题显得愈加突出。

为了保证桥梁工程的安全性和加工制造的方便，需要突出解决钢板的低温韧性和焊接性等问题。

为此中铁大桥局和武钢联合共同开发了大跨度铁路桥梁用钢14MnNbq。

该钢采用降碳加铌合超纯净的冶金方法，保证了屈服强度ReL≥370MPa的基础上，具有优异的-40℃低温冲击韧性(芜湖桥标准要求-40℃Akv≥120J)。

同时焊接性能也大大提高，解决了板厚效应问题，可大批量供应32～50mm厚钢板。

在芜湖长江大桥46000吨供货统计数据表明：所供10～50mm钢板冲击韧性平均实物质量达到-40℃Akv为223J的优异水平。

芜湖长江大桥桥建设后的10年时间里，14MnNbq钢在全面满足了铁路桥梁建设的需要，得到了极为广泛的应用。

2000年，14MnNbq钢纳入桥梁钢国家标准，成为Q370qE 钢。

铁路桥梁用钢
正在建设的京沪高速铁路南京大胜关长江大桥，是京沪高速铁路和沪汉蓉铁路于南京跨越长江的越江通道，是我国铁路桥梁史上的又一个里程碑，为六线铁路桥梁，设计时速300km/h，是京沪高速铁路的控制性工程。

该桥具有大跨、重载、高速三大特点。

主桁构件最大轴力高达9000余吨，中主墩最大支座反力约15000吨。

如果继续使用传统的14MnNbq钢，则最大板厚必须使用到120mm，这将会给设计施工带来极大的困难。

为此，武钢和中铁大桥局联合开发了WNQ570
钢，以满足国家“十一五”重点工程——京沪高速铁路南京大胜关长江大桥的工程需要。

与我国现有桥梁钢相比，WNQ570钢有以下特点：强度明显提高，不区分板厚效应，在12～68mm范围内，均要求Rm≥570MPa。

而15MnVNq钢和14MnNbq钢在板厚为68mm时，仅为Rm≥530MPa或Rm≥490MPa。

由于采用一系列精炼技术，同时随着轧制力的提高，钢板由传统的最大使用板厚为50mm扩展到68mm。

在焊接材料上，革新传统的C-Mn、Si-Mn系焊材的焊缝强度仅在500MPa级别以下、焊缝低温冲击韧性仅能达到-30℃时48J的状况，研制新型针状铁索体型桥梁用钢的手工焊、气保焊、埋弧焊焊接材料，焊缝强度大于570MPa，同时-40℃冲击韧性可以达到48J以上。

我国铁路桥梁发展的标志性工程见表1。

2. 公路桥梁用钢
由于公路桥梁的受力状况和铁路桥梁有诸多不同，因此，公路桥梁用钢多选用Q345、Q370等钢种，也有使用Q420的，但供货技术条件中强度一般都是随板厚的增加而递减。

钢板的规格也比较薄，需求较大，该品种的竞争主要集中在价格、钢厂资源等方面。

钢牌号以及各种钢种
3. 跨海大桥用钢
跨海大桥用钢主要集中于管桩钢、通航主桥的桥梁钢、桥面护栏以及带肋钢筋，其中管桩钢、通航主桥的桥梁钢占钢材总量的60%，仅管桩钢就占其钢材总量的50%左右。

管桩钢的材质主要为Q345C，规格范围为16～25mm之间，大部分为热轧卷板，并采用螺旋焊管形式，跨海大桥的管桩用钢量特别大，杭州湾跨海大桥就使用了武钢生产的管桩钢Q345C约39万吨。

通航主桥的桥梁钢的材质主要集中于Q345D级别，规格为10～50mm之间，主要为平板产品；护栏用钢的材质为Q345D/Q390D，规格为4～25mm之间。

上述三个产品种对钢材的耐蚀性都有较高的要求，杭州湾跨海大桥甚至第一次明确提出了使用寿命100年以上的要求，因此，桥梁用钢的耐蚀性能成为设计者选材的重要考虑部分。

跨海大桥
四、结束语
在我国《中长期铁路网规划》中明确提出，到2020年，全国铁路营运里程达到10万公里，主要繁忙干线实现客货分线，规划建设新线约1.6万公里，规划既有线增建二线1.3万公里，这为铁路桥梁的建设提供了极大的机遇，也将为我国铁路桥梁用钢带来更大的发展。

五大跨海工程的建设对桥梁用钢的发展也将产生极大的推动作用。

在今后的桥梁钢发展中，顺应桥梁工程发展需要的高强度、可焊性、防断性、疲劳性、耐候性良好的高性能桥梁钢将是我国桥梁钢发展的主要方向。

我国在桥
梁钢的使用上还缺乏足够的工程数据，相应的行业或国家标准还未建立，还需要开展系统的研究工作。

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