高強(qiáng)鋼在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用與研究進(jìn)展

向政宇 鄭凱鋒 衡俊霖 王杰

高強(qiáng)鋼在橋梁工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，較好滿足橋梁輕量化，具有突出的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保效益等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。從工程應(yīng)用實(shí)例、高強(qiáng)鋼材力學(xué)性能特征、連接方式、耐久性以及經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益等方面出發(fā)，對(duì)高強(qiáng)鋼在橋梁工程領(lǐng)域的應(yīng)用和研究進(jìn)展進(jìn)行回顧。首先，通過對(duì)國(guó)內(nèi)外橋梁工程中高強(qiáng)鋼的應(yīng)用情況調(diào)研表明，日本、美國(guó)和歐洲的高強(qiáng)鋼橋梁應(yīng)用已初步成熟且逐步建成一系列代表性橋梁，而我國(guó)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用尚在起步階段但發(fā)展勢(shì)頭迅猛；隨后，通過調(diào)研和分析其力學(xué)性能特征和本構(gòu)模型發(fā)現(xiàn)，不同等級(jí)的高強(qiáng)鋼力學(xué)性能上存在較大差異，其本構(gòu)模型應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的鋼材等級(jí)選?。煌瑫r(shí)，橋梁高強(qiáng)鋼構(gòu)件主要采用焊接和栓接兩種連接方式，其焊接不宜采用三級(jí)焊縫，而其栓接應(yīng)采用高強(qiáng)度螺栓，且應(yīng)注意延時(shí)斷裂問題；在耐久性方面，一些特殊鋼材，如高性能鋼在高強(qiáng)特征之外還具備良好的耐腐蝕性，適用于惡劣環(huán)境下服役的橋梁；總體上看，經(jīng)過合理設(shè)計(jì)的高強(qiáng)鋼橋梁可以減少用鋼量，并帶來顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

高強(qiáng)鋼； 橋梁工程； 研究進(jìn)展； 經(jīng)濟(jì)； 環(huán)保

U445.47+2 A

［定稿日期］2022-02-17

［作者簡(jiǎn)介］向政宇（1994—），男，碩士，研究方向?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)橋梁。

高強(qiáng)鋼（HSS）通常指屈服強(qiáng)度大于460 MPa的高強(qiáng)度鋼材［1］。在橋梁領(lǐng)域應(yīng)用的高強(qiáng)鋼還包括屈服強(qiáng)度在460 MPa及以上的橋梁用高強(qiáng)鋼（BHS）、高性能鋼（HPS）和高強(qiáng)耐候鋼（HSWS）。這類鋼材的顯著特點(diǎn)是強(qiáng)度高、材料均質(zhì)、焊接殘余應(yīng)力的相對(duì)幅值較低，尤其是材料強(qiáng)度的顯著提升讓更大的橋梁跨越能力和新的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念成為可能。為充分利用其強(qiáng)度并減輕結(jié)構(gòu)自重，更加輕型化的截面設(shè)計(jì)意味著板件寬厚比上升，這使得高強(qiáng)鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性問題更加顯著，但我國(guó)現(xiàn)有的橋梁相關(guān)規(guī)范中對(duì)高強(qiáng)鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)缺乏指導(dǎo)，若按普通鋼材的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)則會(huì)偏于保守，進(jìn)而造成材料的浪費(fèi)。另外，因其材料特性與普通鋼材的不同而存在一些問題亟需解決，如不同等級(jí)的高強(qiáng)鋼材的材料性能、高強(qiáng)鋼構(gòu)件的連接技術(shù)以及耐久性等問題。

國(guó)外的高強(qiáng)鋼材已在橋梁中得到了初步成熟的應(yīng)用，同時(shí)展開了一系列相關(guān)研究。我國(guó)的高強(qiáng)鋼橋的起步較晚，但發(fā)展較快，已有一系列代表性應(yīng)用。但值得注意的是，我國(guó)在高強(qiáng)鋼橋方面缺乏相關(guān)規(guī)范的指導(dǎo)，一定程度上限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。近年來，我國(guó)學(xué)者對(duì)高強(qiáng)鋼材展開了廣泛探索和研究，取得了大量有益成果。本文首先介紹高強(qiáng)鋼材當(dāng)前在國(guó)內(nèi)外橋梁工程中的應(yīng)用，隨后對(duì)相關(guān)的研究成果進(jìn)行了多角度的梳理和分析，并就其未來的研究發(fā)展進(jìn)行展望，試圖為我國(guó)高強(qiáng)鋼橋梁的研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考借鑒。

1 高強(qiáng)鋼在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1 國(guó)外高強(qiáng)鋼在橋梁中的應(yīng)用

日本從20世紀(jì)60年代起，逐步將屈服強(qiáng)度600～800 MPa的高強(qiáng)鋼材應(yīng)用于橋梁工程的建設(shè)中。1964年建成的一座跨度為29.2 m的人行天橋（Hanawa Overpass Bridge）上試驗(yàn)性地采用了屈服強(qiáng)度為800MPa的S800鋼，用量8.8 t；1974年建成的大阪港大橋（Minato Ohashi Bridge，見圖1 （a）），主跨為510 m，該橋同時(shí)采用了S700和S800 2種鋼材；1987年建成通車的公鐵兩用橋——瀨戶大橋（Honshu-Shikoku Bridge），在其中心路段應(yīng)用了S600、S700和S800鋼材［2-3］；1996年日本建成了主跨跨徑1 991 m的現(xiàn)役最大跨度橋梁——明石海峽大橋，為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，塔頂材料采用SM570鋼，主梁的加勁鋼桁架采用新型的HT690和HT780鋼。其中HT690和HT780鋼是在冶煉中減少焊接熱影響區(qū)（HAZ）影響硬度的元素含量，從而實(shí)現(xiàn)降低預(yù)熱溫度、提升焊接質(zhì)量和防止焊接裂紋的目的［2、4、5］。2012年建成的東京門橋（Tokyo Gate Bridge， 見圖1 （b））為三跨鋼桁箱型橋，該橋址地基軟弱且深度較大，為降低結(jié)構(gòu)自重，其上部結(jié)構(gòu)近一半的鋼材為橋梁用高強(qiáng)鋼材BHS500，BHS鋼的應(yīng)用還減小了構(gòu)件截面尺寸和制造難度［5］。

20世紀(jì)末，在美國(guó)交通部（US DOT）和聯(lián)邦公路管理局（FHWA）的推動(dòng)下，多種高性能鋼材（HPS）被研發(fā)出來并廣泛投入到了公路橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中。1997年建成通車的斯奈德南橋（Snyder South Bridge），跨度45.7 m，是美國(guó)第一座使用HPS建造而成的橋，采用屈服強(qiáng)度為485 MPa的HPS 70W鋼建造；1997年建成的位于美國(guó)田納西州的53號(hào)公橋（Route 53 Bridge），跨度布置為（71.78+71.78） m，主梁深度為1.82 m，原設(shè)計(jì)采用屈服強(qiáng)度為345 MPa的50W鋼材，實(shí)際建造采用HPS 70W鋼后降低了約24.2%的自重和10%的造價(jià)［6］；2000年建成的位于賓夕法尼亞州的福特橋（Ford Bridge， 見圖2 （a） ），其跨度布置為（97.54+126.80+97.54） m，其特點(diǎn)是屈服強(qiáng)度為345 MPa的50W鋼和屈服強(qiáng)度為485 MPa的HPS 70W鋼混用，負(fù)彎矩區(qū)采用強(qiáng)度較高的HPS 70W鋼，正彎矩區(qū)采用傳統(tǒng)的50W鋼［7］。位于美國(guó)內(nèi)布拉斯加州的一座雙跨連續(xù)梁橋——春景南橋（Springview South Bridge， 見圖2 （b） ）最初設(shè)計(jì)于1953年，該橋在19世紀(jì)90年代末經(jīng)過檢測(cè)，評(píng)估結(jié)果為存在功能缺陷，經(jīng)過重新設(shè)計(jì)后于2001年開始招標(biāo)，新的設(shè)計(jì)方案中也是將50W鋼和HPS 70W鋼混用［8］。

歐洲高強(qiáng)鋼橋梁的普及不及日本和美國(guó)，但部分高強(qiáng)鋼橋梁的設(shè)計(jì)頗有特色。

1986年，瑞典開始研發(fā)一種軍用快橋（Fast Bridge 48），能夠快速安裝和拆除，該橋最大的模塊化跨度為48 m，橋面板用厚度為5 mm的S1100鋼板鋪設(shè)，下部桁架采用S460鋼，連接件采用厚50 mm的S960鋼［9］。

1999年，德國(guó)斯圖加特市建成的納森巴切塔爾橋（Nesenbachtalbrücke， 見圖3 （a） ）是一座鋼混組合橋，上部結(jié)構(gòu)為空心網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、焊接箱梁和混凝土橋面，下部結(jié)構(gòu)是采用鋼管焊接而成的樹形橋墩，S690QL鋼的應(yīng)用克服了因橋墩桿件長(zhǎng)細(xì)比大而存在的穩(wěn)定性問題，這種橋墩的外觀造型獨(dú)特，簡(jiǎn)潔而輕盈［10］。

2001年，荷蘭建成的恩納赫爾馬大橋（Enneus Heerma Bridge， 見圖3 （b） ）全長(zhǎng)230 m，在高應(yīng)力區(qū)復(fù)合車行橋面板和拱中部的橫向連接件采用了最低屈服強(qiáng)度460 MPa的鋼材，該橋憑借其獨(dú)特而流暢的弓弦造型和精細(xì)的建筑設(shè)計(jì)理念獲得荷蘭2002年國(guó)家獎(jiǎng)［5、11］。

2002年，意大利建成的韋蘭德高架橋（Verrand Viaduct）跨度布置為（97.5+135+135+135+97.5） m，其格構(gòu)式吊裝主梁的管狀截面桿件采用S690鋼制作，有效地降低了自重，使得正交異性鋼橋面板可以不因吊裝過程而改變其原有的截面尺寸［12］。

2005年，法國(guó)建成的米約高架橋（Millau Viaduct）全長(zhǎng)2 460 m，8跨7墩，塔墩最高達(dá)245 m，塔柱和正交異性主梁以及部分連接件采用了S350鋼和S460鋼，塔柱和橋面共使用S460鋼13 900 t［13］。

1.2 我國(guó)高強(qiáng)鋼在橋梁中的應(yīng)用

我國(guó)對(duì)高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)、材料屬性、焊接和栓接等連接技術(shù)已有大量相關(guān)研究，但尚未形成較為系統(tǒng)完善的經(jīng)驗(yàn)和成果。我國(guó)JTG D64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》［14］中鋼材的最高強(qiáng)度等級(jí)仍停留在420 MPa，而TB 10091-2017《鐵路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》［15］已經(jīng)把Q500q鋼納入了鐵路橋梁的設(shè)計(jì)中，但仍缺乏強(qiáng)度在500 MPa以上的鋼材的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，導(dǎo)致目前我國(guó)的高強(qiáng)鋼橋梁僅形成一系列示范性應(yīng)用而缺乏進(jìn)一步的推廣。

于2020年建成的滬蘇通長(zhǎng)江公鐵大橋（140+462+1092+462+140） m是全球首座千米級(jí)的公鐵兩用斜拉橋，見圖4 （a）。由于該橋跨度大，荷載重，在高應(yīng)力區(qū)段——橋塔兩側(cè)各4個(gè)節(jié)間點(diǎn)和墩頂7個(gè)節(jié)間點(diǎn)采用Q500qE鋼以降低結(jié)構(gòu)自重［16-17］。

于2020年建成的蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋，圖4 （b）。該橋跨度布置為（99.3+238+588+224+85.3） m，在無為側(cè)橋塔塔根位置的鐵路鋼梁也采用了Q500qE鋼［18］。于2021年建成的江漢七橋（132+408+132） m的鋼桁拱上首次采用了Q690qE高強(qiáng)度鋼材［19］。

2 高強(qiáng)鋼材料本構(gòu)模型研究

鋼材的主要指標(biāo)包括強(qiáng)度、彈性、塑性、韌性、可焊性以及耐久性等。高強(qiáng)鋼與普通鋼材相比強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比較大，塑性發(fā)展能力減弱，但是較低的硫、磷元素含量保證了鋼材較好的塑性。通常，高強(qiáng)鋼的材料性能隨強(qiáng)度等級(jí)的提升變化較大，材料的本構(gòu)關(guān)系隨強(qiáng)度等級(jí)的不同而不同。朱希［20］的研究表明Q460鋼有明顯的屈服強(qiáng)度，而Q500鋼則因制造工藝的不定性，其屈服平臺(tái)存在不確定性，屈服強(qiáng)度在500 MPa以上的鋼材則一般沒有明顯的屈服點(diǎn)和屈服平臺(tái)，但其進(jìn)入塑性以后具有明顯的彈性模量衰減特征。通常，對(duì)于沒有明顯屈服平臺(tái)的高強(qiáng)鋼材采用2‰應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值作為名義屈服應(yīng)力［21-22］。鋼材的材料性能可以通過本構(gòu)關(guān)系非常直觀地體現(xiàn)出來，根據(jù)材料試驗(yàn)的加載方式可以把高強(qiáng)鋼材的本構(gòu)模型分為：?jiǎn)握{(diào)荷載下的本構(gòu)模型——應(yīng)力-應(yīng)變曲線、循環(huán)荷載作用下的本構(gòu)模型——滯回曲線。

朱希、顧理想、韓奇［20-22］研究了Q460～Q960一系列高強(qiáng)鋼材在單調(diào)荷載作用下的本構(gòu)模型，結(jié)果表明以Ramberg-Osgood模型為基礎(chǔ)的非線性本構(gòu)模型可以很好地模擬沒有屈服平臺(tái)的高強(qiáng)鋼材在單調(diào)荷載作用下的本構(gòu)關(guān)系。

施剛、孫飛飛等［23-24］分別對(duì)Q460D和Q460C高強(qiáng)鋼進(jìn)行了循環(huán)加載材料性能試驗(yàn)，得到了相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線，結(jié)果表明Q460高強(qiáng)鋼的滯回環(huán)飽滿穩(wěn)定，表明材料的滯回性能良好，但應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)較普通鋼更小。

如圖5所示，在數(shù)值模擬中常用的高強(qiáng)鋼材料本構(gòu)模型主要可以分為4類［25-26］：理想的彈塑性模型、有屈服平臺(tái)的彈塑性模型、沒有屈服平臺(tái)的彈塑性模型、基于Ramberg-Osgood模型修正的多折線模型。在實(shí)際的計(jì)算中應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體鋼材選取合適的本構(gòu)模型。

3 高強(qiáng)鋼橋梁連接技術(shù)研究

因?yàn)榇慊鸷突鼗鸬裙に嚰斑\(yùn)輸過程限制了生產(chǎn)加工的構(gòu)件長(zhǎng)度，所以在橋梁等大跨度結(jié)構(gòu)中鋼材不可避免地需要焊接或螺栓連接。高強(qiáng)鋼材因其強(qiáng)度的提升與之相應(yīng)的焊接、螺栓連接等技術(shù)也與普通鋼材不同，2020年10月開始施行的JGJ/T 483-2020《高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［27］已經(jīng)取消高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的三級(jí)對(duì)接受力焊縫。影響高強(qiáng)鋼焊接質(zhì)量的因素有：焊材強(qiáng)度、母材強(qiáng)度、焊縫形式、軟化區(qū)強(qiáng)度和寬度等［28］。

婁宇航等［29］研究了690 MPa低合金高強(qiáng)鋼的電弧焊和埋弧焊的焊接接頭組織性能，研究發(fā)現(xiàn)：熱影響區(qū)顯微組織主要為貝氏體和少量馬氏體，埋弧焊的原奧氏體晶粒尺寸大于手工電弧焊的原奧氏體晶粒尺寸，因?yàn)槁窕『傅臒彷斎敫螅?種焊接方法的焊縫熔合區(qū)在-50 ℃的沖擊功均大于27 J。李亞江等［30］則研究了焊接熱輸入對(duì)Q690高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)的影響，結(jié)果表明：隨焊接熱輸入的增大熱影響區(qū)的沖擊吸收功先上升后降低，熱輸入在16 kJ/cm左右可以獲得較好的沖擊韌性。施剛等［31］針對(duì)460 MPa、550 MPa、690 MPa的高強(qiáng)鋼鋼材展開了對(duì)接焊縫、正面角焊縫和側(cè)面角焊縫的拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明高強(qiáng)度鋼材焊縫連接的破壞仍然具有較好的塑性，但隨著鋼材等級(jí)的上升逐漸塑性變形的趨勢(shì)減弱，逐漸趨向脆性破壞；正面角焊縫的平均極限強(qiáng)度至少是側(cè)面角焊縫的1.43倍。Sun等［32］對(duì)Q690D高強(qiáng)鋼材的搭接接頭焊縫和十字街頭焊縫進(jìn)行張拉試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：搭接接頭的平均強(qiáng)度大于十字接頭，且十字接頭強(qiáng)度和延性的變異性比搭接接頭大很多；搭接接頭較大的錯(cuò)配比和焊縫尺寸會(huì)降低試件接頭的延性。Spiegler等［33］針對(duì)普通鋼和高強(qiáng)鋼混合連接的角焊縫和焊縫十字交叉點(diǎn)進(jìn)行張拉試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：在其他條件不變情況下，只增強(qiáng)母材中一塊板件的強(qiáng)度等級(jí)對(duì)角焊縫的極限承載能力的影響非常小。

高強(qiáng)鋼構(gòu)件的栓接多采用高強(qiáng)螺栓，而高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力大，在腐蝕過程中產(chǎn)生的氫原子在應(yīng)力集中區(qū)域富集會(huì)導(dǎo)致螺栓在遠(yuǎn)小于其材料強(qiáng)度的狀態(tài)下斷裂［28］，高強(qiáng)螺栓的氫致延時(shí)斷裂現(xiàn)象不可忽視。研究表明，通過熱處理和表面處理等工藝可以改善高強(qiáng)螺栓的延時(shí)斷裂問題。張鵬飛［34］通過試驗(yàn)研究了多元共滲、鍍鋅處理和復(fù)合處理對(duì)高強(qiáng)螺栓鋼組織及性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明多元共滲后材料的抗拉強(qiáng)度和表面硬度提高，但塑性有所下降；經(jīng)過表面處理以后材料的耐腐蝕性能顯著提升，其中復(fù)合處理的效果最好。

曾佳［35］通過試驗(yàn)研究了Q690與10.9和12.9高強(qiáng)螺栓的抗剪連接性能，結(jié)果表明：預(yù)緊力可以提高構(gòu)件的抗剪連接的極限承載能力和峰值位移，但是在臨近破壞時(shí)試件的剛度下降迅速。石永久、胡鵬天等［36-37］對(duì)高強(qiáng)鋼板進(jìn)行了螺栓抗剪連接試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：端距、邊距和螺栓間距對(duì)螺栓的承壓破壞模式影響很大，隨端距和邊距的減小，承壓破壞模式逐漸過渡為凈截面拉斷，呈現(xiàn)較好的延性；高強(qiáng)度螺栓終擰以后應(yīng)變松弛現(xiàn)象與連接板的表面平整度有關(guān)，且應(yīng)變松弛發(fā)生在終擰后30 h以內(nèi)。

4 高強(qiáng)耐候鋼橋梁性能研究

高強(qiáng)鋼的耐久性主要體現(xiàn)在耐腐蝕性和疲勞性能2個(gè)方面。高性能鋼和高強(qiáng)耐候鋼不僅具有良好的力學(xué)性能，還具備很好的耐腐蝕性能，可以用于跨越江河與海洋等環(huán)境條件惡劣的橋梁結(jié)構(gòu)中。鄭凱鋒、張宇等［38-39］等針對(duì)耐候鋼和高性能鋼進(jìn)行了腐蝕-疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明：腐蝕環(huán)境會(huì)導(dǎo)致耐候鋼均勻腐蝕和坑蝕，坑蝕作用會(huì)更加顯著地降低試件的疲勞強(qiáng)度；HPS 485W鋼疲勞強(qiáng)度降低程度低于Q345CNH鋼，具有更好的抗腐蝕疲勞性能；現(xiàn)行規(guī)范對(duì)免涂裝耐候鋼疲勞強(qiáng)度的削減較小，偏于不安全，需進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。郝李鵬［40］對(duì)Q460D母材、對(duì)接焊縫和十字焊縫接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：Q460D母材的疲勞試驗(yàn)值遠(yuǎn)高于中國(guó)鋼規(guī)和美國(guó)鋼規(guī)；對(duì)接焊縫和十字接頭焊縫疲勞試驗(yàn)值均高于美國(guó)鋼規(guī)和中國(guó)鋼規(guī)，但更接近中國(guó)鋼規(guī)值。鄭凱鋒等［41］對(duì)高強(qiáng)度耐候鋼在橋梁中的應(yīng)用進(jìn)行了較為全面的總結(jié)分析，該研究表明高性能鋼和高強(qiáng)耐候鋼是理想的鋼橋建設(shè)材料，能夠節(jié)約橋梁全壽命周期內(nèi)的總體投資；高強(qiáng)耐候鋼焊材匹配和焊接工藝嚴(yán)重影響焊縫的疲勞性能，橋梁建設(shè)中焊材匹配還需要普及，焊接工藝需要規(guī)范化。韓永典等［42］研究了S690高強(qiáng)鋼腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展行為的拘束效應(yīng)，結(jié)果表明，在陽極溶解和氫致開裂的共同作用下，海水環(huán)境對(duì)S690高強(qiáng)鋼疲勞裂紋擴(kuò)展具有明顯的加速作用；隨裂紋擴(kuò)展，裂紋尖端拘束水平對(duì)試件的腐蝕疲勞裂紋的影響增強(qiáng)。

5 高強(qiáng)鋼橋梁的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益研究

通過合理的設(shè)計(jì)來充分發(fā)揮高強(qiáng)鋼的材性優(yōu)勢(shì)，可以有效的減輕橋梁結(jié)構(gòu)的自重和鋼材用量，進(jìn)而減少焊接工作量、焊材用量、保護(hù)涂層用量，降低運(yùn)輸和安裝成本，最終帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

Barker等［43］介紹了一座鋼梁橋的6種方案設(shè)計(jì)方案及造價(jià)比較，包括3種均質(zhì)設(shè)計(jì)——HPS 70W，2種常規(guī)設(shè)計(jì)——50W，以及一種混合設(shè)計(jì)——50W+HPS 70W。結(jié)果表明：盡管主梁全部采用HPS 70W可顯著降低結(jié)構(gòu)自重，但是鋼材等級(jí)越高價(jià)格也相對(duì)更高，而不同鋼種混用在降低結(jié)構(gòu)自重的同時(shí)還能有效節(jié)約建造成本。Mela等［44］采用S500和S700高強(qiáng)度鋼材對(duì)在橫向均布荷載作用下的焊接工字鋼梁進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究發(fā)現(xiàn)使用高強(qiáng)鋼材可以顯著降低結(jié)構(gòu)自重和成本，同時(shí)采用S500和S700的混合截面可以降低10%的總成本，但是該類混合截面不屬于歐洲規(guī)范四類截面中的任何一種。Skoglund等［45］把結(jié)構(gòu)自重、成本和CO2當(dāng)量分別作為目標(biāo)函數(shù)對(duì)一座鋼混組合橋進(jìn)行優(yōu)化，研究表明鋼材全部使用S690可以最大程度的降低結(jié)構(gòu)自重和二氧化碳當(dāng)量；S460和S690混用可以最大程度節(jié)約成本，與全部采用S355鋼的方案相比能把自重、成本和CO2當(dāng)量分別降低33%，28.3%和16.4%。

何楓等［46］對(duì)我國(guó)鋼鐵企業(yè)的環(huán)境責(zé)任與企業(yè)效益關(guān)系展開了相關(guān)調(diào)查研究，結(jié)果表明近年來我國(guó)在世界鋼鐵生產(chǎn)和使用中的份額已激增至50%以上，是能源密集型模式驅(qū)動(dòng)的結(jié)果，而企業(yè)的環(huán)境管理水平與資產(chǎn)回報(bào)率之間呈現(xiàn)“倒U形”關(guān)系。所以，鋼鐵企業(yè)在提高的單位產(chǎn)量的同時(shí)也應(yīng)加大技術(shù)研發(fā)力度，加強(qiáng)廢物綜合利用。高強(qiáng)鋼材的使用能節(jié)約鋼材本身用量從而減少對(duì)鐵礦的消耗，還能減少焊材和涂層對(duì)其他相關(guān)資源的消耗，最終降低單位工程量的能源消耗和碳排放，符合“低輸入，高產(chǎn)出，低排放”的綠色理念。

6 結(jié)論

本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外橋梁中高強(qiáng)鋼材料的應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)研，對(duì)高強(qiáng)鋼的材料性能、連接技術(shù)、耐久性及高強(qiáng)鋼的使用帶來的經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)分析，得出結(jié)論：

（1） 我國(guó)高強(qiáng)鋼橋梁相關(guān)起步較晚，雖已有較為廣泛的研究，但尚未形成較為系統(tǒng)完善的經(jīng)驗(yàn)和成果；因?yàn)槿狈ο嚓P(guān)規(guī)范的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，我國(guó)的高強(qiáng)鋼橋梁只得到了示范性應(yīng)用。

（2） 高強(qiáng)鋼具有良好的材料性能，本構(gòu)關(guān)系隨強(qiáng)度等級(jí)的提升而具有明顯的變化。通常，屈服強(qiáng)度460 MPa及以下鋼材具有明顯的屈服平臺(tái)；屈服強(qiáng)度500 MPa鋼材因制造工藝的不定性，其屈服平臺(tái)存在與否也存在不確定性；屈服強(qiáng)度500 MPa以上鋼材則一般沒有明顯的屈服平臺(tái)和屈服點(diǎn)。

（3） 焊接工藝對(duì)高強(qiáng)鋼焊接質(zhì)量具有明顯影響，高強(qiáng)鋼母材與焊材的匹配尚待開展進(jìn)一步研究；高強(qiáng)螺栓存在氫致延時(shí)斷裂的問題也不可忽視，高強(qiáng)度螺栓與高強(qiáng)鋼的使用級(jí)配仍需規(guī)范化，以確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全可靠。

（4） 腐蝕作用會(huì)明顯削弱鋼材的疲勞性能，具備良好耐腐蝕性能的高強(qiáng)鋼材適用于建造在惡劣環(huán)境中服役的橋梁。

（5） 高強(qiáng)鋼在橋梁領(lǐng)域具有較為廣闊的應(yīng)用前景，能在有效降低橋梁結(jié)構(gòu)自重、實(shí)現(xiàn)更大的跨度的同時(shí)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

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