高強鋼在橋梁領域的應用與研究進展

向政宇 鄭凱鋒 衡俊霖 王杰

高強鋼在橋梁工程領域具有廣闊的應用前景，較好滿足橋梁輕量化，具有突出的經濟性、環保效益等技術優勢。從工程應用實例、高強鋼材力學性能特征、連接方式、耐久性以及經濟和環保效益等方面出發，對高強鋼在橋梁工程領域的應用和研究進展進行回顧。首先，通過對國內外橋梁工程中高強鋼的應用情況調研表明，日本、美國和歐洲的高強鋼橋梁應用已初步成熟且逐步建成一系列代表性橋梁，而我國高強鋼的應用尚在起步階段但發展勢頭迅猛；隨后，通過調研和分析其力學性能特征和本構模型發現，不同等級的高強鋼力學性能上存在較大差異，其本構模型應當根據具體的鋼材等級選取；同時，橋梁高強鋼構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焊縫，而其栓接應采用高強度螺栓，且應注意延時斷裂問題；在耐久性方面，一些特殊鋼材，如高性能鋼在高強特征之外還具備良好的耐腐蝕性，適用于惡劣環境下服役的橋梁；總體上看，經過合理設計的高強鋼橋梁可以減少用鋼量，并帶來顯著的經濟和環保效益。

高強鋼； 橋梁工程； 研究進展； 經濟； 環保

U445.47+2 A

［定稿日期］2022-02-17

［作者簡介］向政宇（1994—），男，碩士，研究方向為鋼結構橋梁。

高強鋼（HSS）通常指屈服強度大于460 MPa的高強度鋼材［1］。在橋梁領域應用的高強鋼還包括屈服強度在460 MPa及以上的橋梁用高強鋼（BHS）、高性能鋼（HPS）和高強耐候鋼（HSWS）。這類鋼材的顯著特點是強度高、材料均質、焊接殘余應力的相對幅值較低，尤其是材料強度的顯著提升讓更大的橋梁跨越能力和新的橋梁結構設計理念成為可能。為充分利用其強度并減輕結構自重，更加輕型化的截面設計意味著板件寬厚比上升，這使得高強鋼構件的穩定性問題更加顯著，但我國現有的橋梁相關規范中對高強鋼構件的設計缺乏指導，若按普通鋼材的相關規定進行設計則會偏于保守，進而造成材料的浪費。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，如不同等級的高強鋼材的材料性能、高強鋼構件的連接技術以及耐久性等問題。

國外的高強鋼材已在橋梁中得到了初步成熟的應用，同時展開了一系列相關研究。我國的高強鋼橋的起步較晚，但發展較快，已有一系列代表性應用。但值得注意的是，我國在高強鋼橋方面缺乏相關規范的指導，一定程度上限制了其進一步的發展。近年來，我國學者對高強鋼材展開了廣泛探索和研究，取得了大量有益成果。本文首先介紹高強鋼材當前在國內外橋梁工程中的應用，隨后對相關的研究成果進行了多角度的梳理和分析，并就其未來的研究發展進行展望，試圖為我國高強鋼橋梁的研究、設計和應用提供參考借鑒。

1 高強鋼在橋梁領域的應用

1.1 國外高強鋼在橋梁中的應用

日本從20世紀60年代起，逐步將屈服強度600～800 MPa的高強鋼材應用于橋梁工程的建設中。1964年建成的一座跨度為29.2 m的人行天橋（Hanawa Overpass Bridge）上試驗性地采用了屈服強度為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的現役最大跨度橋梁——明石海峽大橋，為實現結構輕量化，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（HAZ）影響硬度的元素含量，從而實現降低預熱溫度、提升焊接質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，為降低結構自重，其上部結構近一半的鋼材為橋梁用高強鋼材BHS500，BHS鋼的應用還減小了構件截面尺寸和制造難度［5］。

20世紀末，在美國交通部（US DOT）和聯邦公路管理局（FHWA）的推動下，多種高性能鋼材（HPS）被研發出來并廣泛投入到了公路橋梁等基礎設施的建設中。1997年建成通車的斯奈德南橋（Snyder South Bridge），跨度45.7 m，是美國第一座使用HPS建造而成的橋，采用屈服強度為485 MPa的HPS 70W鋼建造；1997年建成的位于美國田納西州的53號公橋（Route 53 Bridge），跨度布置為（71.78+71.78） m，主梁深度為1.82 m，原設計采用屈服強度為345 MPa的50W鋼材，實際建造采用HPS 70W鋼后降低了約24.2%的自重和10%的造價［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，其特點是屈服強度為345 MPa的50W鋼和屈服強度為485 MPa的HPS 70W鋼混用，負彎矩區采用強度較高的HPS 70W鋼，正彎矩區采用傳統的50W鋼［7］。位于美國內布拉斯加州的一座雙跨連續梁橋——春景南橋（Springview South Bridge， 見圖2 （b） ）最初設計于1953年，該橋在19世紀90年代末經過檢測，評估結果為存在功能缺陷，經過重新設計后于2001年開始招標，新的設計方案中也是將50W鋼和HPS 70W鋼混用［8］。

歐洲高強鋼橋梁的普及不及日本和美國，但部分高強鋼橋梁的設計頗有特色。

1986年，瑞典開始研發一種軍用快橋（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，下部桁架采用S460鋼，連接件采用厚50 mm的S960鋼［9］。

1999年，德國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，上部結構為空心網架結構、焊接箱梁和混凝土橋面，下部結構是采用鋼管焊接而成的樹形橋墩，S690QL鋼的應用克服了因橋墩桿件長細比大而存在的穩定性問題，這種橋墩的外觀造型獨特，簡潔而輕盈［10］。

2001年，荷蘭建成的恩納赫爾馬大橋（Enneus Heerma Bridge， 見圖3 （b） ）全長230 m，在高應力區復合車行橋面板和拱中部的橫向連接件采用了最低屈服強度460 MPa的鋼材，該橋憑借其獨特而流暢的弓弦造型和精細的建筑設計理念獲得荷蘭2002年國家獎［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，法國建成的米約高架橋（Millau Viaduct）全長2 460 m，8跨7墩，塔墩最高達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 我國高強鋼在橋梁中的應用

我國對高強鋼的生產、材料屬性、焊接和栓接等連接技術已有大量相關研究，但尚未形成較為系統完善的經驗和成果。我國JTG D64-2015《公路鋼結構橋梁設計規范》［14］中鋼材的最高強度等級仍停留在420 MPa，而TB 10091-2017《鐵路鋼結構橋梁設計規范》［15］已經把Q500q鋼納入了鐵路橋梁的設計中，但仍缺乏強度在500 MPa以上的鋼材的設計指導，導致目前我國的高強鋼橋梁僅形成一系列示范性應用而缺乏進一步的推廣。

于2020年建成的滬蘇通長江公鐵大橋（140+462+1092+462+140） m是全球首座千米級的公鐵兩用斜拉橋，見圖4 （a）。由于該橋跨度大，荷載重，在高應力區段——橋塔兩側各4個節間點和墩頂7個節間點采用Q500qE鋼以降低結構自重［16-17］。

于2020年建成的蕪湖長江公鐵大橋，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高強度鋼材［19］。

2 高強鋼材料本構模型研究

鋼材的主要指標包括強度、彈性、塑性、韌性、可焊性以及耐久性等。高強鋼與普通鋼材相比強度高、屈強比較大，塑性發展能力減弱，但是較低的硫、磷元素含量保證了鋼材較好的塑性。通常，高強鋼的材料性能隨強度等級的提升變化較大，材料的本構關系隨強度等級的不同而不同。朱希［20］的研究表明Q460鋼有明顯的屈服強度，而Q500鋼則因制造工藝的不定性，其屈服平臺存在不確定性，屈服強度在500 MPa以上的鋼材則一般沒有明顯的屈服點和屈服平臺，但其進入塑性以后具有明顯的彈性模量衰減特征。通常，對于沒有明顯屈服平臺的高強鋼材采用2‰應變對應的應力值作為名義屈服應力［21-22］。鋼材的材料性能可以通過本構關系非常直觀地體現出來，根據材料試驗的加載方式可以把高強鋼材的本構模型分為：單調荷載下的本構模型——應力-應變曲線、循環荷載作用下的本構模型——滯回曲線。

朱希、顧理想、韓奇［20-22］研究了Q460～Q960一系列高強鋼材在單調荷載作用下的本構模型，結果表明以Ramberg-Osgood模型為基礎的非線性本構模型可以很好地模擬沒有屈服平臺的高強鋼材在單調荷載作用下的本構關系。

施剛、孫飛飛等［23-24］分別對Q460D和Q460C高強鋼進行了循環加載材料性能試驗，得到了相應的應力-應變滯回曲線，結果表明Q460高強鋼的滯回環飽滿穩定，表明材料的滯回性能良好，但應變強化效應較普通鋼更小。

如圖5所示，在數值模擬中常用的高強鋼材料本構模型主要可以分為4類［25-26］：理想的彈塑性模型、有屈服平臺的彈塑性模型、沒有屈服平臺的彈塑性模型、基于Ramberg-Osgood模型修正的多折線模型。在實際的計算中應當根據具體鋼材選取合適的本構模型。

3 高強鋼橋梁連接技術研究

因為淬火和回火等工藝及運輸過程限制了生產加工的構件長度，所以在橋梁等大跨度結構中鋼材不可避免地需要焊接或螺栓連接。高強鋼材因其強度的提升與之相應的焊接、螺栓連接等技術也與普通鋼材不同，2020年10月開始施行的JGJ/T 483-2020《高強鋼結構設計標準》［27］已經取消高強鋼結構的三級對接受力焊縫。影響高強鋼焊接質量的因素有：焊材強度、母材強度、焊縫形式、軟化區強度和寬度等［28］。

婁宇航等［29］研究了690 MPa低合金高強鋼的電弧焊和埋弧焊的焊接接頭組織性能，研究發現：熱影響區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，因為埋弧焊的熱輸入更大；2種焊接方法的焊縫熔合區在-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Q690高強鋼熱影響區的影響，結果表明：隨焊接熱輸入的增大熱影響區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460 MPa、550 MPa、690 MPa的高強鋼鋼材展開了對接焊縫、正面角焊縫和側面角焊縫的拉伸試驗，結果表明高強度鋼材焊縫連接的破壞仍然具有較好的塑性，但隨著鋼材等級的上升逐漸塑性變形的趨勢減弱，逐漸趨向脆性破壞；正面角焊縫的平均極限強度至少是側面角焊縫的1.43倍。Sun等［32］對Q690D高強鋼材的搭接接頭焊縫和十字街頭焊縫進行張拉試驗研究，結果表明：搭接接頭的平均強度大于十字接頭，且十字接頭強度和延性的變異性比搭接接頭大很多；搭接接頭較大的錯配比和焊縫尺寸會降低試件接頭的延性。Spiegler等［33］針對普通鋼和高強鋼混合連接的角焊縫和焊縫十字交叉點進行張拉試驗研究發現：在其他條件不變情況下，只增強母材中一塊板件的強度等級對角焊縫的極限承載能力的影響非常小。

高強鋼構件的栓接多采用高強螺栓，而高強螺栓的預緊力大，在腐蝕過程中產生的氫原子在應力集中區域富集會導致螺栓在遠小于其材料強度的狀態下斷裂［28］，高強螺栓的氫致延時斷裂現象不可忽視。研究表明，通過熱處理和表面處理等工藝可以改善高強螺栓的延時斷裂問題。張鵬飛［34］通過試驗研究了多元共滲、鍍鋅處理和復合處理對高強螺栓鋼組織及性能的影響，試驗結果表明多元共滲后材料的抗拉強度和表面硬度提高，但塑性有所下降；經過表面處理以后材料的耐腐蝕性能顯著提升，其中復合處理的效果最好。

曾佳［35］通過試驗研究了Q690與10.9和12.9高強螺栓的抗剪連接性能，結果表明：預緊力可以提高構件的抗剪連接的極限承載能力和峰值位移，但是在臨近破壞時試件的剛度下降迅速。石永久、胡鵬天等［36-37］對高強鋼板進行了螺栓抗剪連接試驗，研究結果表明：端距、邊距和螺栓間距對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，呈現較好的延性；高強度螺栓終擰以后應變松弛現象與連接板的表面平整度有關，且應變松弛發生在終擰后30 h以內。

4 高強耐候鋼橋梁性能研究

高強鋼的耐久性主要體現在耐腐蝕性和疲勞性能2個方面。高性能鋼和高強耐候鋼不僅具有良好的力學性能，還具備很好的耐腐蝕性能，可以用于跨越江河與海洋等環境條件惡劣的橋梁結構中。鄭凱鋒、張宇等［38-39］等針對耐候鋼和高性能鋼進行了腐蝕-疲勞試驗，結果表明：腐蝕環境會導致耐候鋼均勻腐蝕和坑蝕，坑蝕作用會更加顯著地降低試件的疲勞強度；HPS 485W鋼疲勞強度降低程度低于Q345CNH鋼，具有更好的抗腐蝕疲勞性能；現行規范對免涂裝耐候鋼疲勞強度的削減較小，偏于不安全，需進一步研究和驗證。郝李鵬［40］對Q460D母材、對接焊縫和十字焊縫接頭進行疲勞試驗研究發現：Q460D母材的疲勞試驗值遠高于中國鋼規和美國鋼規；對接焊縫和十字接頭焊縫疲勞試驗值均高于美國鋼規和中國鋼規，但更接近中國鋼規值。鄭凱鋒等［41］對高強度耐候鋼在橋梁中的應用進行了較為全面的總結分析，該研究表明高性能鋼和高強耐候鋼是理想的鋼橋建設材料，能夠節約橋梁全壽命周期內的總體投資；高強耐候鋼焊材匹配和焊接工藝嚴重影響焊縫的疲勞性能，橋梁建設中焊材匹配還需要普及，焊接工藝需要規范化。韓永典等［42］研究了S690高強鋼腐蝕疲勞裂紋擴展行為的拘束效應，結果表明，在陽極溶解和氫致開裂的共同作用下，海水環境對S690高強鋼疲勞裂紋擴展具有明顯的加速作用；隨裂紋擴展，裂紋尖端拘束水平對試件的腐蝕疲勞裂紋的影響增強。

5 高強鋼橋梁的經濟和環保效益研究

通過合理的設計來充分發揮高強鋼的材性優勢，可以有效的減輕橋梁結構的自重和鋼材用量，進而減少焊接工作量、焊材用量、保護涂層用量，降低運輸和安裝成本，最終帶來可觀的經濟效益。

Barker等［43］介紹了一座鋼梁橋的6種方案設計方案及造價比較，包括3種均質設計——HPS 70W，2種常規設計——50W，以及一種混合設計——50W+HPS 70W。結果表明：盡管主梁全部采用HPS 70W可顯著降低結構自重，但是鋼材等級越高價格也相對更高，而不同鋼種混用在降低結構自重的同時還能有效節約建造成本。Mela等［44］采用S500和S700高強度鋼材對在橫向均布荷載作用下的焊接工字鋼梁進行了優化設計，研究發現使用高強鋼材可以顯著降低結構自重和成本，同時采用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范四類截面中的任何一種。Skoglund等［45］把結構自重、成本和CO2當量分別作為目標函數對一座鋼混組合橋進行優化，研究表明鋼材全部使用S690可以最大程度的降低結構自重和二氧化碳當量；S460和S690混用可以最大程度節約成本，與全部采用S355鋼的方案相比能把自重、成本和CO2當量分別降低33%，28.3%和16.4%。

何楓等［46］對我國鋼鐵企業的環境責任與企業效益關系展開了相關調查研究，結果表明近年來我國在世界鋼鐵生產和使用中的份額已激增至50%以上，是能源密集型模式驅動的結果，而企業的環境管理水平與資產回報率之間呈現“倒U形”關系。所以，鋼鐵企業在提高的單位產量的同時也應加大技術研發力度，加強廢物綜合利用。高強鋼材的使用能節約鋼材本身用量從而減少對鐵礦的消耗，還能減少焊材和涂層對其他相關資源的消耗，最終降低單位工程量的能源消耗和碳排放，符合“低輸入，高產出，低排放”的綠色理念。

6 結論

本文通過對國內外橋梁中高強鋼材料的應用情況進行調研，對高強鋼的材料性能、連接技術、耐久性及高強鋼的使用帶來的經濟環保效益的研究進展進行總結分析，得出結論：

（1） 我國高強鋼橋梁相關起步較晚，雖已有較為廣泛的研究，但尚未形成較為系統完善的經驗和成果；因為缺乏相關規范的設計指導，我國的高強鋼橋梁只得到了示范性應用。

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

（3） 焊接工藝對高強鋼焊接質量具有明顯影響，高強鋼母材與焊材的匹配尚待開展進一步研究；高強螺栓存在氫致延時斷裂的問題也不可忽視，高強度螺栓與高強鋼的使用級配仍需規范化，以確保橋梁結構的安全可靠。

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

（5） 高強鋼在橋梁領域具有較為廣闊的應用前景，能在有效降低橋梁結構自重、實現更大的跨度的同時帶來可觀的經濟和環保效益。

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