桥梁结构用钢的现状与发展

吴晶钢

摘要：桥梁钢结构行业是交通运输业发展所需的基础行业，受到国家产业政策的大力支持，国家对交通运输行业的投入也逐年加大，自2010年国家对公路桥梁、铁路桥梁、市政桥梁的总投入达到9253亿元，到2017年已经超过16000亿元，且后期继续加大投入的势头强劲。基于此，本文对桥梁结构用钢的现状与发展进行了探讨。

关键词：桥梁结构；用钢现状；发展

1桥梁结构用钢现状

随着桥梁建设过程中所面临的恶劣服役条件对桥梁结构用钢在力学性能、工艺性能和耐候性能等方面的要求逐渐提高，国内桥梁结构用钢沿着“碳锰钢→低合金钢→高强钢→高性能钢”的发展轨迹，大致经历了六代产品的更迭，具体如表1所示。从发展历程来看，国内在桥梁结构用钢的化学成分、工艺控制、实物性能等方面已经开展了深入研究，朝着具有高强度、优良低温韧性、良好的耐蚀性及抗疲劳性的高性能钢方向发展。自2010年，国内桥梁结构用钢发展更加注重安全与绿色的理念，从桥梁服役安全性、施工维护便捷性及全生命周期经济性方面考虑，高性能桥梁结构用钢受到越来越多的青睐，这也将是桥梁工程建设用钢的发展主流，具有有广阔的市场前景。

2桥梁钢结构应用要点

2.1钢桁梁整体节点设计

钢桁梁的设计和计算分析具有完善的理论体系，在公路、铁路、市政桥梁中也得到了广泛的应用。由于钢桁梁桥具有很大的刚度，包括竖向及横向刚度，在大跨径桥梁，尤其是公铁共用的大跨径桥梁中被普遍采用。国内所建设的公铁共用桥梁都采用钢桁梁结构体系.钢桁梁是相当成熟且应用广泛的结构体系。目前制约该结构体系发展的主要是构件设计及连接方式。通常钢桁梁的构件均通过节点板连接，通过节点板传递内力并汇聚于整体，所以节点板在钢桁梁连接中起着至关重要的作用，也具有较高的应力水平，是设计及计算的重点。通常以不低于构件强度的标准进行节点板计算、验算和配置。节点板连接需要大量的高强螺栓，钻制高强螺栓孔会对截面大比例削弱从而降低了材料利用率。为了保证各个方向的杆件有效连接，节点板需要依次与各个杆件拼接，工作量巨大同时也需要较大的拼装场地、摆放场地。因此拼装节点在一定程度上限制了钢桁梁桥向更宽广的领域发展。

2.2组合体系设计

组合体系是适应于桥梁结构刚度的需要而应运而生的。通常对于铁路桥梁或通行特殊荷载的桥梁要求具有较高的整体刚度和桥面局部刚度、梁端转角限值，这也是钢桁梁斜拉桥被广泛应用到铁路桥梁中的原因。一般情况下，斜拉桥采用钢桁梁、拱结构和钢桁梁相互组合能够获得较高的竖向刚度。板结构和钢桁梁结构相互组合能够获得较好的横向刚度和局部桥面刚度。目前铁路桥梁中桥面板多采用多横梁和多纵梁结构体系，以满足高速行车的功能要求。实际上，板桁组合结构中桥面板作为主桁弦杆翼缘板的一部分参与第一体系受力，提高承载能力的同时也增加了体系刚度。桥面系参与主桁上、下弦杆第一体系作用的有效面积比在0.53～0.8。板桁组合结构通常为多横梁、多纵梁体系，其70%以上的传力体系为先横向、后纵向，即桥面板一节间横梁一弦杆节点的传力途径。与桥面板连接的主桁架杆件承受节间荷载，主要为压弯或拉弯构件。限于材料与制造技术的发展，板桁组合结构在设计及使用中进展缓慢。现有的材料和制造技术为进一步推动该组合结构的发展提供了一定的条件。但是板桁组合结构为典型的空间受力体系，空间作用效应明显。在板桁组合结构的构造、传力途径、连接方式等方面进一步得到解决后该结构必将被广泛重视和发展。特别是适应于整体节点发展需要的这一属性，有利于推动板桁组合结构的应用。在构造细节方面，桥面板与弦杆的上翼缘板对接，横梁的腹板则与弦杆的横隔板对接，传力途径明确、受力合理。现有的制造技术保证了精度和受力以及传力的可靠。

2.3桥梁钢结构焊接完整性的设计

桥梁施工中，应该充分的考虑到其受力情况的不同，因此需要根据实际情况来改变焊接方式。焊接过程对于材料的性能影响比较大，应该结合实际情况来确定，为了全面提升焊接质量，避免因为其他因素造成桥梁质量的下降，在施工中需要注意下面几点：①根据疲劳与静力来选择最佳的焊接方法，从而以满足工艺性能的要求。②根据疲劳特性以及抗裂痕所制定的标准，还要充分的考虑到工程的实际情况，分析基础构件所存在损坏的主要因素，深入的考虑影响桥梁使用寿命的因素。③设计中，要以按照简便为基础原则，确保各个施工工序都能够顺利进行。④采取措施来防止焊接过程中出现缺陷，根据实际情况来确定焊接工艺，进而可以提升焊接质量。⑤积极采取措施来检测焊接缺陷，对于不达标的需要立即返修。

3推行钢结构桥梁产业化发展面临的挑战

在钢结构桥梁产业发展中，虽然国内钢结构桥梁得到不断发展，获得了明显的发展成果，但是钢结构桥梁要想真正实现产业化发展，还需要很长一段时间。目前钢结构桥梁实现产业化发展面临的挑战，具体体现在以下几方面：对于钢结构桥梁的宣传与政策引导没有落实到实处，钢结构桥梁产业化政策未得到全面落实；我国当前钢结构桥梁均以国外标准为主，适合国情的钢结构桥梁规范尚未完善，缺乏统一的构件标准与模数，实现工厂化制作与加工仍需漫长的时间；在科研费用方面的投入不足，對于防火、围护结构、防腐与抗冲击等材料的选型缺乏合理性，专业设计与施工技术人员不足，制约了钢结构桥梁结构设计进一步开展。

4桥梁结构用钢发展趋势

目前，桥梁钢结构多采用钢板焊接而成，包括应用于桁架、节点的各类焊接H型钢。随着钢板价格涨势增大，考虑材料切损、焊接成本及流程增长因素，如继续全部采用钢板焊接加工，桥梁钢结构总体造价将大幅上涨。相比而言，整体成型的热轧H型钢在抵抗疲劳、缩短周期及降低成本方面更具有优势，越来越受到桥梁钢结构制造企业的青睐，在设计时逐步开始考虑采用热轧H型钢。当前，国内桥梁结构用热轧H型钢的规格配套及钢种匹配还不完善，尤其是大高度及宽翼缘的规格需求缺口很大，限制了热轧H型钢在桥梁钢结构的广泛应用。国内桥梁钢结构采用高性能用钢的总量很少，最主要是过多考虑初期建设成本，而从发展趋势来看，国家在服役安全及绿色环保方面的关注度逐年提高，其需求增长动力强劲。但是，在保证高性能用钢的性能及质量前提下，如何有效降低成本，是目前重要的攻关方向，只有性能与成本达成平衡，高性能用钢的在国内桥梁钢结构方面的市场推广才能实现突破。

结束语

综上所述，加快推进钢结构桥梁产业化进程，实现产业链发展，需要各方面的协调参与，加强政策引导，完善标准体系建设，创新钢结构桥梁的施工技术，实现钢结构桥梁产业研发团队一体化，才能真正提升桥梁产业化的发展，改善桥梁的使用功能。国内钢结构用钢朝着采用热轧H型钢替代部分钢结构的方向发展，但面临热轧H型钢的规格配套及钢种匹配还不完善等问题，在相关标准及设计规范方面有待进一开展研究。

（作者单位：南京中铁桥机工程有限公司）