高强钢在桥梁领域的应用与研究进展

向政宇 郑凯锋 衡俊霖 王杰

高强钢在桥梁工程领域具有广阔的应用前景，较好满足桥梁轻量化，具有突出的经济性、环保效益等技术优势。从工程应用实例、高强钢材力学性能特征、连接方式、耐久性以及经济和环保效益等方面出发，对高强钢在桥梁工程领域的应用和研究进展进行回顾。首先，通过对国内外桥梁工程中高强钢的应用情况调研表明，日本、美国和欧洲的高强钢桥梁应用已初步成熟且逐步建成一系列代表性桥梁，而我国高强钢的应用尚在起步阶段但发展势头迅猛；随后，通过调研和分析其力学性能特征和本构模型发现，不同等级的高强钢力学性能上存在较大差异，其本构模型应当根据具体的钢材等级选取；同时，桥梁高强钢构件主要采用焊接和栓接两种连接方式，其焊接不宜采用三级焊缝，而其栓接应采用高强度螺栓，且应注意延时断裂问题；在耐久性方面，一些特殊钢材，如高性能钢在高强特征之外还具备良好的耐腐蚀性，适用于恶劣环境下服役的桥梁；总体上看，经过合理设计的高强钢桥梁可以减少用钢量，并带来显著的经济和环保效益。

高强钢； 桥梁工程； 研究进展； 经济； 环保

U445.47+2 A

［定稿日期］2022-02-17

［作者简介］向政宇（1994—），男，硕士，研究方向为钢结构桥梁。

高强钢（HSS）通常指屈服强度大于460 MPa的高强度钢材［1］。在桥梁领域应用的高强钢还包括屈服强度在460 MPa及以上的桥梁用高强钢（BHS）、高性能钢（HPS）和高强耐候钢（HSWS）。这类钢材的显著特点是强度高、材料均质、焊接残余应力的相对幅值较低，尤其是材料强度的显著提升让更大的桥梁跨越能力和新的桥梁结构设计理念成为可能。为充分利用其强度并减轻结构自重，更加轻型化的截面设计意味着板件宽厚比上升，这使得高强钢构件的稳定性问题更加显著，但我国现有的桥梁相关规范中对高强钢构件的设计缺乏指导，若按普通钢材的相关规定进行设计则会偏于保守，进而造成材料的浪费。另外，因其材料特性与普通钢材的不同而存在一些问题亟需解决，如不同等级的高强钢材的材料性能、高强钢构件的连接技术以及耐久性等问题。

国外的高强钢材已在桥梁中得到了初步成熟的应用，同时展开了一系列相关研究。我国的高强钢桥的起步较晚，但发展较快，已有一系列代表性应用。但值得注意的是，我国在高强钢桥方面缺乏相关规范的指导，一定程度上限制了其进一步的发展。近年来，我国学者对高强钢材展开了广泛探索和研究，取得了大量有益成果。本文首先介绍高强钢材当前在国内外桥梁工程中的应用，随后对相关的研究成果进行了多角度的梳理和分析，并就其未来的研究发展进行展望，试图为我国高强钢桥梁的研究、设计和应用提供参考借鉴。

1 高强钢在桥梁领域的应用

1.1 国外高强钢在桥梁中的应用

日本从20世纪60年代起，逐步将屈服强度600～800 MPa的高强钢材应用于桥梁工程的建设中。1964年建成的一座跨度为29.2 m的人行天桥（Hanawa Overpass Bridge）上试验性地采用了屈服强度为800MPa的S800钢，用量8.8 t；1974年建成的大阪港大桥（Minato Ohashi Bridge，见图1 （a）），主跨为510 m，该桥同时采用了S700和S800 2种钢材；1987年建成通车的公铁两用桥——濑户大桥（Honshu-Shikoku Bridge），在其中心路段应用了S600、S700和S800钢材［2-3］；1996年日本建成了主跨跨径1 991 m的现役最大跨度桥梁——明石海峡大桥，为实现结构轻量化，塔顶材料采用SM570钢，主梁的加劲钢桁架采用新型的HT690和HT780钢。其中HT690和HT780钢是在冶炼中减少焊接热影响区（HAZ）影响硬度的元素含量，从而实现降低预热温度、提升焊接质量和防止焊接裂纹的目的［2、4、5］。2012年建成的东京门桥（Tokyo Gate Bridge， 见图1 （b））为三跨钢桁箱型桥，该桥址地基软弱且深度较大，为降低结构自重，其上部结构近一半的钢材为桥梁用高强钢材BHS500，BHS钢的应用还减小了构件截面尺寸和制造难度［5］。

20世纪末，在美国交通部（US DOT）和联邦公路管理局（FHWA）的推动下，多种高性能钢材（HPS）被研发出来并广泛投入到了公路桥梁等基础设施的建设中。1997年建成通车的斯奈德南桥（Snyder South Bridge），跨度45.7 m，是美国第一座使用HPS建造而成的桥，采用屈服强度为485 MPa的HPS 70W钢建造；1997年建成的位于美国田纳西州的53号公桥（Route 53 Bridge），跨度布置为（71.78+71.78） m，主梁深度为1.82 m，原设计采用屈服强度为345 MPa的50W钢材，实际建造采用HPS 70W钢后降低了約24.2%的自重和10%的造价［6］；2000年建成的位于宾夕法尼亚州的福特桥（Ford Bridge， 见图2 （a） ），其跨度布置为（97.54+126.80+97.54） m，其特点是屈服强度为345 MPa的50W钢和屈服强度为485 MPa的HPS 70W钢混用，负弯矩区采用强度较高的HPS 70W钢，正弯矩区采用传统的50W钢［7］。位于美国内布拉斯加州的一座双跨连续梁桥——春景南桥（Springview South Bridge， 见图2 （b） ）最初设计于1953年，该桥在19世纪90年代末经过检测，评估结果为存在功能缺陷，经过重新设计后于2001年开始招标，新的设计方案中也是将50W钢和HPS 70W钢混用［8］。

欧洲高强钢桥梁的普及不及日本和美国，但部分高强钢桥梁的设计颇有特色。

1986年，瑞典开始研发一种军用快桥（Fast Bridge 48），能够快速安装和拆除，该桥最大的模块化跨度为48 m，桥面板用厚度为5 mm的S1100钢板铺设，下部桁架采用S460钢，连接件采用厚50 mm的S960钢［9］。

1999年，德国斯图加特市建成的纳森巴切塔尔桥（Nesenbachtalbrücke， 见图3 （a） ）是一座钢混组合桥，上部结构为空心网架结构、焊接箱梁和混凝土桥面，下部结构是采用钢管焊接而成的树形桥墩，S690QL钢的应用克服了因桥墩杆件长细比大而存在的稳定性问题，这种桥墩的外观造型独特，简洁而轻盈［10］。

2001年，荷兰建成的恩纳赫尔马大桥（Enneus Heerma Bridge， 见图3 （b） ）全长230 m，在高应力区复合车行桥面板和拱中部的横向连接件采用了最低屈服强度460 MPa的钢材，该桥凭借其独特而流畅的弓弦造型和精细的建筑设计理念获得荷兰2002年国家奖［5、11］。

2002年，意大利建成的韦兰德高架桥（Verrand Viaduct）跨度布置为（97.5+135+135+135+97.5） m，其格构式吊装主梁的管状截面杆件采用S690钢制作，有效地降低了自重，使得正交异性钢桥面板可以不因吊装过程而改变其原有的截面尺寸［12］。

2005年，法国建成的米约高架桥（Millau Viaduct）全长2 460 m，8跨7墩，塔墩最高达245 m，塔柱和正交异性主梁以及部分连接件采用了S350钢和S460钢，塔柱和桥面共使用S460钢13 900 t［13］。

1.2 我国高强钢在桥梁中的应用

我国对高强钢的生产、材料属性、焊接和栓接等连接技术已有大量相关研究，但尚未形成较为系统完善的经验和成果。我国JTG D64-2015《公路钢结构桥梁设计规范》［14］中钢材的最高强度等级仍停留在420 MPa，而TB 10091-2017《铁路钢结构桥梁设计规范》［15］已经把Q500q钢纳入了铁路桥梁的设计中，但仍缺乏强度在500 MPa以上的钢材的设计指导，导致目前我国的高强钢桥梁仅形成一系列示范性应用而缺乏进一步的推广。

于2020年建成的沪苏通长江公铁大桥（140+462+1092+462+140） m是全球首座千米级的公铁两用斜拉桥，见图4 （a）。由于该桥跨度大，荷载重，在高应力区段——桥塔两侧各4个节间点和墩顶7个节间点采用Q500qE钢以降低结构自重［16-17］。

于2020年建成的芜湖长江公铁大桥，图4 （b）。该桥跨度布置为（99.3+238+588+224+85.3） m，在无为侧桥塔塔根位置的铁路钢梁也采用了Q500qE钢［18］。于2021年建成的江汉七桥（132+408+132） m的钢桁拱上首次采用了Q690qE高强度钢材［19］。

2 高强钢材料本构模型研究

钢材的主要指标包括强度、弹性、塑性、韧性、可焊性以及耐久性等。高强钢与普通钢材相比强度高、屈强比较大，塑性发展能力减弱，但是較低的硫、磷元素含量保证了钢材较好的塑性。通常，高强钢的材料性能随强度等级的提升变化较大，材料的本构关系随强度等级的不同而不同。朱希［20］的研究表明Q460钢有明显的屈服强度，而Q500钢则因制造工艺的不定性，其屈服平台存在不确定性，屈服强度在500 MPa以上的钢材则一般没有明显的屈服点和屈服平台，但其进入塑性以后具有明显的弹性模量衰减特征。通常，对于没有明显屈服平台的高强钢材采用2‰应变对应的应力值作为名义屈服应力［21-22］。钢材的材料性能可以通过本构关系非常直观地体现出来，根据材料试验的加载方式可以把高强钢材的本构模型分为：单调荷载下的本构模型——应力-应变曲线、循环荷载作用下的本构模型——滞回曲线。

朱希、顾理想、韩奇［20-22］研究了Q460～Q960一系列高强钢材在单调荷载作用下的本构模型，结果表明以Ramberg-Osgood模型为基础的非线性本构模型可以很好地模拟没有屈服平台的高强钢材在单调荷载作用下的本构关系。

施刚、孙飞飞等［23-24］分别对Q460D和Q460C高强钢进行了循环加载材料性能试验，得到了相应的应力-应变滞回曲线，结果表明Q460高强钢的滞回环饱满稳定，表明材料的滞回性能良好，但应变强化效应较普通钢更小。

如图5所示，在数值模拟中常用的高强钢材料本构模型主要可以分为4类［25-26］：理想的弹塑性模型、有屈服平台的弹塑性模型、没有屈服平台的弹塑性模型、基于Ramberg-Osgood模型修正的多折线模型。在实际的计算中应当根据具体钢材选取合适的本构模型。

3 高强钢桥梁连接技术研究

因为淬火和回火等工艺及运输过程限制了生产加工的构件长度，所以在桥梁等大跨度结构中钢材不可避免地需要焊接或螺栓连接。高强钢材因其强度的提升与之相应的焊接、螺栓连接等技术也与普通钢材不同，2020年10月开始施行的JGJ/T 483-2020《高强钢结构设计标准》［27］已经取消高强钢结构的三级对接受力焊缝。影响高强钢焊接质量的因素有：焊材强度、母材强度、焊缝形式、软化区强度和宽度等［28］。

娄宇航等［29］研究了690 MPa低合金高强钢的电弧焊和埋弧焊的焊接接头组织性能，研究发现：热影响区显微组织主要为贝氏体和少量马氏体，埋弧焊的原奥氏体晶粒尺寸大于手工电弧焊的原奥氏体晶粒尺寸，因为埋弧焊的热输入更大；2种焊接方法的焊缝熔合区在-50 ℃的冲击功均大于27 J。李亚江等［30］则研究了焊接热输入对Q690高强钢热影响区的影响，结果表明：随焊接热输入的增大热影响区的冲击吸收功先上升后降低，热输入在16 kJ/cm左右可以获得较好的冲击韧性。施刚等［31］针对460 MPa、550 MPa、690 MPa的高强钢钢材展开了对接焊缝、正面角焊缝和侧面角焊缝的拉伸试验，结果表明高强度钢材焊缝连接的破坏仍然具有较好的塑性，但随着钢材等级的上升逐渐塑性变形的趋势减弱，逐渐趋向脆性破坏；正面角焊缝的平均极限强度至少是侧面角焊缝的1.43倍。Sun等［32］对Q690D高强钢材的搭接接头焊缝和十字街头焊缝进行张拉试验研究，结果表明：搭接接头的平均强度大于十字接头，且十字接头强度和延性的变异性比搭接接头大很多；搭接接头较大的错配比和焊缝尺寸会降低试件接头的延性。Spiegler等［33］针对普通钢和高强钢混合连接的角焊缝和焊缝十字交叉点进行张拉试验研究发现：在其他条件不变情况下，只增强母材中一块板件的强度等级对角焊缝的极限承载能力的影响非常小。

高强钢构件的栓接多采用高强螺栓，而高强螺栓的预紧力大，在腐蚀过程中产生的氢原子在应力集中区域富集会导致螺栓在远小于其材料强度的状态下断裂［28］，高强螺栓的氢致延时断裂现象不可忽视。研究表明，通过热处理和表面处理等工艺可以改善高强螺栓的延时断裂问题。张鹏飞［34］通过试验研究了多元共渗、镀锌处理和复合处理对高强螺栓钢组织及性能的影响，试验结果表明多元共渗后材料的抗拉强度和表面硬度提高，但塑性有所下降；经过表面处理以后材料的耐腐蝕性能显著提升，其中复合处理的效果最好。

曾佳［35］通过试验研究了Q690与10.9和12.9高强螺栓的抗剪连接性能，结果表明：预紧力可以提高构件的抗剪连接的极限承载能力和峰值位移，但是在临近破坏时试件的刚度下降迅速。石永久、胡鹏天等［36-37］对高强钢板进行了螺栓抗剪连接试验，研究结果表明：端距、边距和螺栓间距对螺栓的承压破坏模式影响很大，随端距和边距的减小，承压破坏模式逐渐过渡为净截面拉断，呈现较好的延性；高强度螺栓终拧以后应变松弛现象与连接板的表面平整度有关，且应变松弛发生在终拧后30 h以内。

4 高强耐候钢桥梁性能研究

高强钢的耐久性主要体现在耐腐蚀性和疲劳性能2个方面。高性能钢和高强耐候钢不仅具有良好的力学性能，还具备很好的耐腐蚀性能，可以用于跨越江河与海洋等环境条件恶劣的桥梁结构中。郑凯锋、张宇等［38-39］等针对耐候钢和高性能钢进行了腐蚀-疲劳试验，结果表明：腐蚀环境会导致耐候钢均匀腐蚀和坑蚀，坑蚀作用会更加显著地降低试件的疲劳强度；HPS 485W钢疲劳强度降低程度低于Q345CNH钢，具有更好的抗腐蚀疲劳性能；现行规范对免涂装耐候钢疲劳强度的削减较小，偏于不安全，需进一步研究和验证。郝李鹏［40］对Q460D母材、对接焊缝和十字焊缝接头进行疲劳试验研究发现：Q460D母材的疲劳试验值远高于中国钢规和美国钢规；对接焊缝和十字接头焊缝疲劳试验值均高于美国钢规和中国钢规，但更接近中国钢规值。郑凯锋等［41］对高强度耐候钢在桥梁中的应用进行了较为全面的总结分析，该研究表明高性能钢和高强耐候钢是理想的钢桥建设材料，能够节约桥梁全寿命周期内的总体投资；高强耐候钢焊材匹配和焊接工艺严重影响焊缝的疲劳性能，桥梁建设中焊材匹配还需要普及，焊接工艺需要规范化。韩永典等［42］研究了S690高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展行为的拘束效应，结果表明，在阳极溶解和氢致开裂的共同作用下，海水环境对S690高强钢疲劳裂纹扩展具有明显的加速作用；随裂纹扩展，裂纹尖端拘束水平对试件的腐蚀疲劳裂纹的影响增强。

5 高强钢桥梁的经济和环保效益研究

通过合理的设计来充分发挥高强钢的材性优势，可以有效的减轻桥梁结构的自重和钢材用量，进而减少焊接工作量、焊材用量、保护涂层用量，降低运输和安装成本，最终带来可观的经济效益。

Barker等［43］介绍了一座钢梁桥的6种方案设计方案及造价比较，包括3种均质设计——HPS 70W，2种常规设计——50W，以及一种混合设计——50W+HPS 70W。结果表明：尽管主梁全部采用HPS 70W可显著降低结构自重，但是钢材等级越高价格也相对更高，而不同钢种混用在降低结构自重的同时还能有效节约建造成本。Mela等［44］采用S500和S700高强度钢材对在横向均布荷载作用下的焊接工字钢梁进行了优化设计，研究发现使用高强钢材可以显著降低结构自重和成本，同时采用S500和S700的混合截面可以降低10%的总成本，但是该类混合截面不属于欧洲规范四类截面中的任何一种。Skoglund等［45］把结构自重、成本和CO2当量分别作为目标函数对一座钢混组合桥进行优化，研究表明钢材全部使用S690可以最大程度的降低结构自重和二氧化碳当量；S460和S690混用可以最大程度节约成本，与全部采用S355钢的方案相比能把自重、成本和CO2当量分别降低33%，28.3%和16.4%。

何枫等［46］对我国钢铁企业的环境责任与企业效益关系展开了相关调查研究，结果表明近年来我国在世界钢铁生产和使用中的份额已激增至50%以上，是能源密集型模式驱动的结果，而企业的环境管理水平与资产回报率之间呈现“倒U形”关系。所以，钢铁企业在提高的单位产量的同时也应加大技术研发力度，加强废物综合利用。高强钢材的使用能节约钢材本身用量从而减少对铁矿的消耗，还能减少焊材和涂层对其他相关资源的消耗，最终降低单位工程量的能源消耗和碳排放，符合“低输入，高产出，低排放”的绿色理念。

6 结论

本文通过对国内外桥梁中高强钢材料的应用情况进行调研，对高强钢的材料性能、连接技术、耐久性及高强钢的使用带来的经济环保效益的研究进展进行总结分析，得出结论：

（1） 我国高强钢桥梁相关起步较晚，虽已有较为广泛的研究，但尚未形成较为系统完善的经验和成果；因为缺乏相关规范的设计指导，我国的高强钢桥梁只得到了示范性应用。

（2） 高强钢具有良好的材料性能，本构关系随强度等级的提升而具有明显的变化。通常，屈服强度460 MPa及以下钢材具有明显的屈服平台；屈服强度500 MPa钢材因制造工艺的不定性，其屈服平台存在与否也存在不确定性；屈服强度500 MPa以上钢材则一般没有明显的屈服平台和屈服点。

（3） 焊接工艺对高强钢焊接质量具有明显影响，高强钢母材与焊材的匹配尚待开展进一步研究；高强螺栓存在氢致延时断裂的问题也不可忽视，高强度螺栓与高强钢的使用级配仍需规范化，以确保桥梁结构的安全可靠。

（4） 腐蚀作用会明显削弱钢材的疲劳性能，具备良好耐腐蚀性能的高强钢材适用于建造在恶劣环境中服役的桥梁。

（5） 高强钢在桥梁领域具有较为广阔的应用前景，能在有效降低桥梁结构自重、实现更大的跨度的同时带来可观的经济和环保效益。

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