高性能鋼在國外的應(yīng)用

燕 鴻

1 概述

隨著鋼材生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步,實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)出滿足預(yù)先要求的高性能鋼(HPS)。目前,HPS的生產(chǎn)方法主要有兩種:淬火及回火(Q&T)和高溫控軋技術(shù)(TMCP)。與傳統(tǒng)鋼種相比,HPS具有強(qiáng)度高,延性好,更韌性高,更可焊性優(yōu)越,冷成型能力和腐蝕抗力更理想的特征。這些改善的材料性能不僅可以提高結(jié)構(gòu)的性能,而且可以降低施工成本。在結(jié)構(gòu)工程,美國、日本及歐洲國家越來越注重HPS的研發(fā)與應(yīng)用。目前,各個(gè)國家根據(jù)本國的特殊工程要求開發(fā)了一系列鋼種。

2 高性能鋼的材料性質(zhì)

2.1 HPS的強(qiáng)度

從化學(xué)成分上分析,碳(C)是控制鋼材強(qiáng)度的主要化學(xué)元素[1]。通過提高碳含量來實(shí)現(xiàn)鋼材的高強(qiáng),但是提高碳含量的同時(shí)降低了鋼材的可焊性。HPS降低了碳含量,通過加入其他合金元素來實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的強(qiáng)度和韌性。HPS的碳含量減到0.11～0.16之間,而由其他元素來彌補(bǔ)因C含量降低引起的強(qiáng)度損失,如錳(Mn)。

2.2 HPS的斷裂韌性

高性能鋼的斷裂韌性遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的橋梁用鋼。與傳統(tǒng)鋼種相比,高性能鋼的脆—延轉(zhuǎn)變?cè)跍囟雀蜁r(shí)才發(fā)生。高性能鋼優(yōu)良的可焊性提高了焊接質(zhì)量并降低了在低溫條件下的鋼橋發(fā)生脆斷和突然失效的可能性。這意味著HPS在更低溫度下仍然具有充分的延性,HPS可以應(yīng)用于更寒冷的地區(qū)。隨著斷裂韌性的提高,高性能鋼的抗斷裂能力與傳統(tǒng)鋼相比有很大提高。高性能結(jié)構(gòu)對(duì)大裂縫的承受能力更強(qiáng),所以人們有更多的時(shí)間在橋梁失效前發(fā)現(xiàn)并修復(fù)疲勞裂縫。

2.3 HPS的可焊性

HPS改善的韌性和可焊性主要通過控制硫的含量來實(shí)現(xiàn)。一般而言,焊接時(shí)的預(yù)熱溫度越高,脆性微觀結(jié)構(gòu)形成的機(jī)會(huì)就越少,氫可從焊接中擴(kuò)散的時(shí)間也越長。然而,預(yù)熱不僅費(fèi)時(shí),而且增加了成本。提高可焊性可以減少由施工時(shí)高的預(yù)熱溫度、溫度輸入控制、焊后處理和其他嚴(yán)格控制措施帶來的過高的施工成本,也可以消除焊接過程中的氫致開裂。HPS碳當(dāng)量低且韌性高,尤其是采用TMCP的HPS更是如此。HPS易于同普通鋼焊接,焊接時(shí)允許高的輸入溫度,通?？刹活A(yù)熱或在低預(yù)熱溫度下焊接。HPS優(yōu)良的可焊性可以降低預(yù)熱溫度、溫度輸入控制、焊后處理和其他需要嚴(yán)格控制的要求,也可以消除焊接過程中的氫致開裂。

2.4 HPS的耐腐蝕性

HPS的抗腐蝕性指HPS在一般氣候條件下,在不需要涂裝的情況下HPS可以正常工作。高性能鋼的良好耐候性,使橋梁等鋼結(jié)構(gòu)在大氣環(huán)境下可以不采用涂裝。與普通的耐候鋼相比,美國和日本均通過增加鎳(Ni)和銅(Cu)等合金元素來實(shí)現(xiàn)鋼材的耐腐蝕性和耐候性。這種新型鋼抗腐蝕性比傳統(tǒng)鋼更優(yōu),不需要涂裝和其他防腐技術(shù)。

3 國外高性能鋼的研究概況

在過去的幾十年中,鋼材生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了高性能鋼(HPS)的研發(fā),可使生產(chǎn)的鋼種滿足預(yù)先要求的性質(zhì)。在結(jié)構(gòu)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(fā)與應(yīng)用。目前,各個(gè)國家根據(jù)本國的特殊工程要求開發(fā)了一系列鋼種。

1992年,美國聯(lián)邦公路管理局(FHWA),美國鋼鐵學(xué)會(huì)(AISI)和美國海軍開展了一個(gè)合作性的研究項(xiàng)目以拓展高性能鋼在橋梁中的應(yīng)用。隨后,美國開展了大量的HPS研發(fā)工作,并致力于將HPS應(yīng)用于造價(jià)經(jīng)濟(jì)的鋼橋。目前,在美國40多個(gè)州的約200座橋梁中應(yīng)用了HPS,這些使用中的橋梁體現(xiàn)了良好的結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)性。為了在橋梁中更加有效的應(yīng)用高性能鋼,美國已對(duì)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(AASHTO)做了很大的改進(jìn),允許工程師采用高性能鋼,并提出了混雜設(shè)計(jì)的概念。借助混合設(shè)計(jì),可充分發(fā)揮高強(qiáng)鋼和高性能鋼梁的受力性能。優(yōu)化的高性能鋼主梁可以減少一期建造成本,并降低整個(gè)壽命周期的成本。

日本于1964年開始在橋梁中應(yīng)用耐候鋼,其應(yīng)用快速增長[2]。研究人員針對(duì)日本沿海地區(qū)的環(huán)境條件進(jìn)行了大量的研究工作,開發(fā)了抗腐蝕性優(yōu)良的新型含鎳耐候鋼。日本將HPS的研發(fā)與橋梁設(shè)計(jì)相聯(lián)系。其鋼種命名為橋梁用高性能鋼(BHS500W或BHS700W)。BHS有兩種:一種屈服強(qiáng)度為500 MPa(BHS500),另一種屈服強(qiáng)度為700 MPa(BHS700)。BHS500適用于中小跨橋梁,BHS700適用于大跨橋梁。目前,研究人員認(rèn)為BHS500和BHS700具有相同的工作性能。BHS預(yù)熱溫度低、韌性高,制作成本較低。

歐洲致力于建立最新的HPS設(shè)計(jì)規(guī)范,其目的是將HPS應(yīng)用于除橋梁外的各種結(jié)構(gòu)中。在歐洲,HPS在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用不僅限于橋梁,而且用于建筑結(jié)構(gòu)中,如起重機(jī)、沿海工程、造船業(yè)等。20世紀(jì)60年代,歐洲鋼材的生產(chǎn)使用Q&T技術(shù)?，F(xiàn)在,可采用該方法生產(chǎn)出屈服強(qiáng)度達(dá)1 100 MPa的鋼材。此外,也可以添加一些微量元素以提高強(qiáng)度。

4 高性能鋼的應(yīng)用實(shí)例

2000年7月,賓夕法尼亞州交通運(yùn)輸部(Penn DOT)已經(jīng)在開放交通的Ford橋中應(yīng)用了HPS70W。Ford橋是一座采用焊接鋼板主梁的三跨連續(xù)梁橋,其跨徑依次為97.54 m+126.80 m+97.54 m。第一跨是半徑為154.84 m的平曲線,而其他兩跨是直線段。該橋有四片主梁,主梁間距為4.11 m。在負(fù)彎矩區(qū)使用了HPS70W,而在其他地方使用50W。這種混合設(shè)計(jì)使鋼的重量減少了20%,并且使主梁截面可以采用同一高度而不需加大中支點(diǎn)處的梁高。通過避免變化的腹板厚度,避免了成本高的縱向腹板栓接。

目前,國外已建成的高性能鋼橋表現(xiàn)出良好的性能和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。高性能鋼強(qiáng)度高,可以減少自重和造價(jià),可以降低梁高以增大豎向凈空,也可以增大跨度。高性能鋼優(yōu)良的可焊性提高了焊接質(zhì)量并降低了在低溫條件下鋼橋發(fā)生脆斷和突然失效的可能性。高性能鋼的高韌性意味著對(duì)裂紋的容忍度提高,這為橋梁的檢測(cè)和修復(fù)爭取了更多時(shí)間以保證安全。高性能鋼的良好耐候性,使橋梁在大氣環(huán)境下可以不采用涂裝。借助混合設(shè)計(jì),可充分發(fā)揮高強(qiáng)鋼和高性能鋼梁的受力性能。優(yōu)化的高性能鋼主梁可以減少一期建造成本,并降低整個(gè)壽命周期的成本。

5 結(jié)語

隨著鋼材生產(chǎn)技術(shù)的迅速發(fā)展,高性能鋼的生產(chǎn)與應(yīng)用越來越廣泛。HPS強(qiáng)度高,可以減少自重,增大豎向凈空,也可以增大跨度。HPS韌性高,可以應(yīng)用于嚴(yán)寒地區(qū)的結(jié)構(gòu),而不會(huì)發(fā)生突然性的脆性斷裂。HPS耐腐蝕性好,減小了鋼橋二期維護(hù)成本,降低對(duì)不可再生資源的消耗?？梢?高性能鋼是結(jié)構(gòu)工程的理想材料,具有廣闊的研發(fā)前景。

[1] 王春生,段 蘭.高性能鋼橋設(shè)計(jì)指南[J].世界橋梁,2007(1):60-67.

[2] Miki C,Homma K,Tominaga T.High Strength and High-Performance Steels and Their Use in Bridge Structures[J].Journal of Constructional Steel Research,2002(58):3-20.