高性能钢在国外的应用

燕 鸿

1 概述

随着钢材生产技术的进步,实现了生产出满足预先要求的高性能钢(HPS)。目前,HPS的生产方法主要有两种:淬火及回火(Q&T)和高温控轧技术(TMCP)。与传统钢种相比,HPS具有强度高,延性好,更韧性高,更可焊性优越,冷成型能力和腐蚀抗力更理想的特征。这些改善的材料性能不仅可以提高结构的性能,而且可以降低施工成本。在结构工程,美国、日本及欧洲国家越来越注重HPS的研发与应用。目前,各个国家根据本国的特殊工程要求开发了一系列钢种。

2 高性能钢的材料性质

2.1 HPS的强度

从化学成分上分析,碳(C)是控制钢材强度的主要化学元素[1]。通过提高碳含量来实现钢材的高强,但是提高碳含量的同时降低了钢材的可焊性。HPS降低了碳含量,通过加入其他合金元素来实现优越的强度和韧性。HPS的碳含量减到0.11～0.16之间,而由其他元素来弥补因C含量降低引起的强度损失,如锰(Mn)。

2.2 HPS的断裂韧性

高性能钢的断裂韧性远优于传统的桥梁用钢。与传统钢种相比,高性能钢的脆—延转变在温度更低时才发生。高性能钢优良的可焊性提高了焊接质量并降低了在低温条件下的钢桥发生脆断和突然失效的可能性。这意味着HPS在更低温度下仍然具有充分的延性,HPS可以应用于更寒冷的地区。随着断裂韧性的提高,高性能钢的抗断裂能力与传统钢相比有很大提高。高性能结构对大裂缝的承受能力更强,所以人们有更多的时间在桥梁失效前发现并修复疲劳裂缝。

2.3 HPS的可焊性

HPS改善的韧性和可焊性主要通过控制硫的含量来实现。一般而言,焊接时的预热温度越高,脆性微观结构形成的机会就越少,氢可从焊接中扩散的时间也越长。然而,预热不仅费时,而且增加了成本。提高可焊性可以减少由施工时高的预热温度、温度输入控制、焊后处理和其他严格控制措施带来的过高的施工成本,也可以消除焊接过程中的氢致开裂。HPS碳当量低且韧性高,尤其是采用TMCP的HPS更是如此。HPS易于同普通钢焊接,焊接时允许高的输入温度,通常可不预热或在低预热温度下焊接。HPS优良的可焊性可以降低预热温度、温度输入控制、焊后处理和其他需要严格控制的要求,也可以消除焊接过程中的氢致开裂。

2.4 HPS的耐腐蚀性

HPS的抗腐蚀性指HPS在一般气候条件下,在不需要涂装的情况下HPS可以正常工作。高性能钢的良好耐候性,使桥梁等钢结构在大气环境下可以不采用涂装。与普通的耐候钢相比,美国和日本均通过增加镍(Ni)和铜(Cu)等合金元素来实现钢材的耐腐蚀性和耐候性。这种新型钢抗腐蚀性比传统钢更优,不需要涂装和其他防腐技术。

3 国外高性能钢的研究概况

在过去的几十年中,钢材生产技术的进步推动了高性能钢(HPS)的研发,可使生产的钢种满足预先要求的性质。在结构工程,尤其是在桥梁工程中,美国、日本及欧洲国家越来越注重HPS的研发与应用。目前,各个国家根据本国的特殊工程要求开发了一系列钢种。

1992年,美国联邦公路管理局(FHWA),美国钢铁学会(AISI)和美国海军开展了一个合作性的研究项目以拓展高性能钢在桥梁中的应用。随后,美国开展了大量的HPS研发工作,并致力于将HPS应用于造价经济的钢桥。目前,在美国40多个州的约200座桥梁中应用了HPS,这些使用中的桥梁体现了良好的结构性能和经济性。为了在桥梁中更加有效的应用高性能钢,美国已对公路桥梁设计规范(AASHTO)做了很大的改进,允许工程师采用高性能钢,并提出了混杂设计的概念。借助混合设计,可充分发挥高强钢和高性能钢梁的受力性能。优化的高性能钢主梁可以减少一期建造成本,并降低整个寿命周期的成本。

日本于1964年开始在桥梁中应用耐候钢,其应用快速增长[2]。研究人员针对日本沿海地区的环境条件进行了大量的研究工作,开发了抗腐蚀性优良的新型含镍耐候钢。日本将HPS的研发与桥梁设计相联系。其钢种命名为桥梁用高性能钢(BHS500W或BHS700W)。BHS有两种:一种屈服强度为500 MPa(BHS500),另一种屈服强度为700 MPa(BHS700)。BHS500适用于中小跨桥梁,BHS700适用于大跨桥梁。目前,研究人员认为BHS500和BHS700具有相同的工作性能。BHS预热温度低、韧性高,制作成本较低。

欧洲致力于建立最新的HPS设计规范,其目的是将HPS应用于除桥梁外的各种结构中。在欧洲,HPS在结构中的应用不仅限于桥梁,而且用于建筑结构中,如起重机、沿海工程、造船业等。20世纪60年代,欧洲钢材的生产使用Q&T技术。现在,可采用该方法生产出屈服强度达1 100 MPa的钢材。此外,也可以添加一些微量元素以提高强度。

4 高性能钢的应用实例

2000年7月,宾夕法尼亚州交通运输部(Penn DOT)已经在开放交通的Ford桥中应用了HPS70W。Ford桥是一座采用焊接钢板主梁的三跨连续梁桥,其跨径依次为97.54 m+126.80 m+97.54 m。第一跨是半径为154.84 m的平曲线,而其他两跨是直线段。该桥有四片主梁,主梁间距为4.11 m。在负弯矩区使用了HPS70W,而在其他地方使用50W。这种混合设计使钢的重量减少了20%,并且使主梁截面可以采用同一高度而不需加大中支点处的梁高。通过避免变化的腹板厚度,避免了成本高的纵向腹板栓接。

目前,国外已建成的高性能钢桥表现出良好的性能和显著的经济效益。高性能钢强度高,可以减少自重和造价,可以降低梁高以增大竖向净空,也可以增大跨度。高性能钢优良的可焊性提高了焊接质量并降低了在低温条件下钢桥发生脆断和突然失效的可能性。高性能钢的高韧性意味着对裂纹的容忍度提高,这为桥梁的检测和修复争取了更多时间以保证安全。高性能钢的良好耐候性,使桥梁在大气环境下可以不采用涂装。借助混合设计,可充分发挥高强钢和高性能钢梁的受力性能。优化的高性能钢主梁可以减少一期建造成本,并降低整个寿命周期的成本。

5 结语

随着钢材生产技术的迅速发展,高性能钢的生产与应用越来越广泛。HPS强度高,可以减少自重,增大竖向净空,也可以增大跨度。HPS韧性高,可以应用于严寒地区的结构,而不会发生突然性的脆性断裂。HPS耐腐蚀性好,减小了钢桥二期维护成本,降低对不可再生资源的消耗。可见,高性能钢是结构工程的理想材料,具有广阔的研发前景。

[1] 王春生,段 兰.高性能钢桥设计指南[J].世界桥梁,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.