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中国焊接钢桥的发展
双击自动滚屏 发布者:chianweld 发布时间:7/16/2007 阅读:8652

 

 

 

中国焊接钢桥的发展

 

 

陈伯蠡

 

(清华大学,北京 100084

 

摘要:中国在20世纪60年代开始栓焊钢桥的建设,但焊接钢桥的大发展却是在20世纪90年代以后。简要介绍了焊接钢桥在中国发展的几个阶段、发展水平以及若干技术进展,包括桥梁钢的开发及其焊接材料的优化、焊缝强韧性的控制标准问题。

关键词:悬索桥;斜拉桥;韧强比

中图分类号:T-1-1TC457.21      文献标识码:C      文章编号:1001-2303 (2007)03-0001-06

 

1  中国焊接钢桥的发展现状

1.1  中国钢桥的发展过程

典型的钢桥形式有:梁桥(桁梁、板梁、箱梁)、拱桥、悬索桥(或称吊桥)、斜拉桥等。铁路钢桥多采用桁架形式的梁桥或拱桥,而现代大跨径公路钢桥则主要采用悬索桥和斜拉桥。按钢桥的制造方法,可区分为铆接钢桥(工厂制造和工地拼装均采用铆接方法),栓焊钢桥(工厂制造采用焊接方法,工地拼装采用高强螺栓连接)和全焊钢桥(工厂制造和工地拼装完全采用焊接连接)。栓焊钢桥和全焊钢桥可统称为“焊接钢桥”。

钢桥在中国的发展经历了几个阶段,概括如表1所示。

1  我国钢桥发展的主要阶段

阶段

特征

代表性钢桥(建成年)

主要贡献之点

1990年前

铁路钢桥建设

武汉长江大桥(公铁)(L128m)(1957

南京长江大桥(公铁)(L160m)(1968

成昆铁路迎水村桥(L112m)(1970

深水基础施工技术

开发“争气钢”16Mnq

栓—焊代替铆焊

19902000

大跨度公路钢桥大发展

九江长江大桥(公铁)(L216m)(1992

芜湖长江大桥(公铁)(L312m)(2000

上海南浦大桥(L423m)(1991

西陵长江大桥(L900m)(1996

15MnVNq钢开发应用

开发14MnNbq

公路斜拉桥

公路悬索桥,全焊钢桥

2000~现在

超大跨度特大钢桥建设中

上海卢浦大桥(L550m)(2003

南京长江三桥(L648m)(2005

苏通长江大桥(L1088m)(在建)

舟山西堠门大桥(L1650m)(在建)

武汉天兴洲长江大桥(L504m)(在建)

钢拱桥

国内第一座钢塔

斜拉桥

悬索桥

公铁两用钢桁梁斜拉桥

中国是最早掌握了吊桥、拱桥、梁桥和浮桥的建桥技术的国家,且早在公元206年就已掌握铁索桥的造桥技术,如1705年在大渡河上修建的泸定桥,是现在最精良的一座铁索桥,而直至1779年英国才修建了第一座铁索桥,德国、法国、美国直到19世纪才有了铁索桥。

1876年到1949年,中国共修建铁路桥梁1.3万余座,约340km,多数为跨度不大的小桥。我国建成的第一座现代铁路钢桥是唐山至胥各庄的蓟运河桥,由英国人设计,比利时人施工,1888年建成。最长的桥是京广线郑州黄河老桥,全长3015m,共102孔,是比利时人在1906年承建的。建国前建成跨度最大的桥是津浦线泺口黄河桥,跨度为164.7m,由法国人于1902年建成。由詹天佑主持设计与施工的京张铁路,全线共修建了钢梁桥121座,总长1951m,最在跨度为33.5m桁梁。近代大型钢桥杭州钱唐江公路铁路两用大桥,于1937年由茅以升主持建成。但在1957年建成武汉长江大桥以前,整条长江上没有一座桥梁,没有修建大桥和特大桥的条件,中国可谓没有真正的桥梁事业。

武汉长江大桥和南京长江大桥两座特大钢桥的相继建成,是两座里程碑,表明中国已有能力修建特大桥。这两座大桥与此前修建的钢桥一样,其钢结构仍是采用铆接技术制造的,仍未能用先进的焊接技术。

1962年我国开始试验采用焊接和栓接技术代替铆接来建造钢桥,成功地体现在成昆铁路的建设上,共建成以迎水村大桥(跨度L=112m)为代表的44座栓焊钢桥(1970年建成),栓――焊结构基本代替了铆接结构,是我国钢桥技术的一次重大改革,从而进入了栓――焊钢桥时代。但焊接钢桥的发展经历了由“疑虑”到“依赖”的过程,并且因受钢材供应条件的限制,在20世纪80年代之前,只有铁路钢桥得到一定发展,公路钢桥的建设未能提到日程。

20世纪80年代实行改革开放政策以来,以桥梁为代表的交通工程得到应有的重视,开始整顿既有的铁路网和公路网,规划新的高速公路网和快速铁路网,公司钢桥的建设得以快速发展。特别是1991年以后,“跨河海、过江湖、穿峻岭、越峡谷”,焊接钢桥“遍地开花”、蓬勃发展,如上海南浦大桥、上海卢浦大桥、虎门珠江大桥、湛江海湾大桥、东海大桥、西陵(峡)长江大桥、南京长江大桥、江阴长江大桥、厦门海沧大桥、香港青马大桥、哈尔滨松花江大桥、贵州北盘江大桥等。据《中国教育报》2003125在题为“如火如虹中国桥”中报道,中国现已有28万多座公路桥梁和4万多座铁路桥梁。其中,1996年建成的西陵长江大桥是我国第一座全焊钢桥,无论在车间或工地均采用焊接技术进行施工,为我国发展全焊钢桥提供了经验。由于掌握了大跨度斜拉桥和悬索桥的建桥技术,而具备了建设特大桥的条件。规划中的长江入海口通道、杭州湾通道、渤海海峡通道、伶仃洋通道、琼州海峡通道等工程,将为建设特大焊接钢桥提供良好的机遇。例如,正在建设的苏通长江大桥(主跨1088m斜拉桥)、香港昂船州大桥(主跨1018m斜拉桥)和舟山西堠门大桥(主跨1650m悬索桥)、贵州坝陵河等标志着已进入了特大桥全面建设时代。还在规划建设青岛海湾大桥(主跨1652m)、琼州海峡大桥(主跨1600m)和香港青龙大桥(主跨1418m)等大跨径悬索桥。

1.2  中国建桥的现状

比较代表现代钢桥水平的大跨度悬索桥和斜拉桥,按钢桥主跨大小排序,列于表2和表3。大跨度公路—铁路两用桥的排序如表4所示。表5为大跨度拱桥的排序。显然,我国钢桥建设水平业已进入世界先进行列。

2  已建和在建的大跨度钢悬索桥排序

钢桥名称(国家)

跨度L/m

建成年代/

1

明石海峡大桥(日)

1991

1998

2

舟山西堠门大桥(中)

1650

在建

3

Grest Belt大桥(丹麦)

1624

1996

4

润扬长江大桥(中)

1490

2005

5

Humber大桥(英)

1410

1984

6

江阴长江大桥(中)

1385

1999

7

香港青马大桥(中)

1377

1997

8

Verrazano大桥(美)

1298

1964

9

Golden Gate大桥(美)

1280

1937

10

阳逻长江大桥(中)

1280

在建

3  已建和在建的大跨度斜拉桥排序

钢桥名称(国家)

跨度L/m

建成年代/

1

苏通长江大桥(中)

1088

在建

2

香港昂船洲大桥(中)

1018

在建

3

鄂东长江大桥(日)

926

在建

4

多多罗大桥(日)

890

1999

5

Normandy大桥(法)

856

1995

6

南京长江三桥(中)

670

2005

7

南京长江二桥(中国)

628

2001

8

武汉白沙洲长江大桥(中国)

618

2000

9

福建青州闽江大桥(中国)

605

2001

10

上海扬浦大桥(中国)

602

1993

 

1996年布达佩斯国际焊接钢桥会议中,日本前桥梁学会会长伊藤学教授在其题为“东亚焊接桥的技术进展”中谈到,“中国当前正在蓬勃开展经济工作,条件允许,也需要在广阔的中国大地上大规模建设永久性基础设施。在建设大跨度索承载桥方面,中国仅次于日本,也有显著的成就。”“关于焊接桥,中国工程技术人员正努力开发几百米跨径的全焊结构”,而日本“迄今为止,关于工地焊接方面似乎还有些保守。”看来,对于中国焊接钢桥已经开始疾步赶上和进入世界先进行列这一情况,业已得到国际上的公认。

20世纪90年代以后,据不完全统计,仅宜宾至上海间的长江段,已建和在建桥梁数目已达50余座,其中过半是钢桥,“不少已跻身‘世界级’桥梁,展示出中国当代建桥技术达到了世界先进水平”,“万里长江成了中国当代桥梁的展台”(北京日报2002.07.17)。

现在的问题是如何不断提高建桥质量,包括设计质量、制造和施工质量。正如同济大学项海帆院士所讲:“中国桥梁因设计仓促上马和施工层层分包所造成的质量问题(其中也包括美学质量),将会严重阻碍我们前进的步伐。中国大桥的距度再大,数量再多,如果质量不好,也很难得到国际同行的尊敬。”

 

2  中国焊接钢桥的技术进展

2.1  桥梁用钢的开展

2.1.1  我国桥梁钢的发展过程

我国的桥梁用钢有一个比较漫长的发展过程。在使用“钢票”的年代只能发展铁路钢桥,但铁路钢桥的发展带动了钢材的进步,可参见表6。武汉长江大桥使用的是低碳钢,钢号为CT.3。南京长江大桥原设计是由前苏联提供钢材(低合金钢,钢号为Hл2),但仅供应少量就撕毁合同。为此,鞍钢全力以赴开发16Mn,称为“争气钢”。经过不断优化,形成了16Mnq15MnVNq的开发和应用,也是几经波折;原是为枝城大桥开展(1966年),该桥原设计为栓焊结构,由于对焊接结构和新钢种的“疑虑”,而改回铆接结构(1968年),仍然采用16Mnq钢;197615MnVNq在栓焊结构的白河大桥上应用成功后,终于得以成功地应用于栓焊结构的九江长江大桥。而14MnNbq则是专为芜湖长江大桥研制的高韧性桥梁钢。

当前所应用的桥梁钢已具有相当高的质量水平,例如表7所示数据,并非“Z向钢”,但其ωS)的控制已符合“Z向钢”的要求。正是由于钢材的进步,1996年布达佩斯国际焊接桥梁会议中指出,“层状撕裂已是过去的幽灵”(Lamellar  tearingaghost  from  past.)。

2.2  关于焊缝强韧性的控制标准1-2

上要求焊缝与母材“等韧性”。但考虑到冲击试样缺口取向的影响,焊缝冲击试样的缺口往往相当于钢材横向取样的情况,所以,在相同试验温度下,焊缝冲击韧度的最低验收值,可以考虑较钢材纵向取样时的数值低约25%。

根据断裂力学,防脆断设计要考虑断裂准则。断裂准则是用来鉴定钢结构是否符合断裂特性要求的一个标准,总的来说,断裂准则与断裂特性或断裂状态(即弹性断裂、弹塑性断裂、塑性断裂)有关。对于大多数大型复杂结构(桥梁、船舶、压力容器等),一定水平的弹塑性是合适的。

已知,对于承受一定的拉应力的钢结构,板厚t一定时,为防止脆性断裂,应控制材料的断裂韧度KIC与材料的屈服点σ5之比,称为“特征断裂韧度”,以R表示,因为临界裂纹尺寸或裂纹顶端的塑性区大小与R的平方成正比。R增大,则断裂阻力或裂纹扩展应力也增大。

在冲击试验条件下,设AKV/σ5RARA称为“韧强比”,根据Rolfe-Barsom的经验关系,RAR有对应关系。因此,断裂状态或断裂阻力也就与“韧强比”RA有密切关系。这样,为防止焊接接头发生脆性断裂,必须控制AKVσ5之比,而不能仅仅控制AKV,换言之,焊缝强度增高时,韧度应相应增大。

已知,AKV(U)Bσ5t

即在最低设计温度U℃时应具有的冲击韧度AKV与屈服点σ5和板厚t之积成正比。上式中的B为比例系数,与作用的应力水平有关。

由此可得RA应随板厚增大而提高,如图1所示。图中同时给出南京三桥和芜湖长江大桥焊缝的韧度要求(以韧强比RA表示)。

2.3  焊缝强韧性的控制

在焊接钢桥的发展中,突出的矛盾是焊缝的强韧性常常难以与钢材相匹配,在施工中需着力研究焊接材料的选择或优化以及焊接工艺的优化。

2.3.1  焊缝“超强”的控制

为了保护“韧强比”的要求,在提高焊缝强度同时必须相应提高焊缝韧度。但实践表明,焊缝实际韧度常随其强度提高而降低,如图2所示,要求焊缝提高强度的同时又要提高韧度,是有难度的。因而应适当限制焊缝的强度上限,即限制焊缝“超强”。显然,焊缝强度的上限决定了韧强比的规定数值。

在九江长江大桥和孙口黄河大桥的建设中曾提出限制焊缝“超强”的问题,设钢材屈服点的标准值为σ5,规定:焊缝强度σsw≤σ5+△σ。△σ称为“超强值”,如对接焊缝规定△σ≤100MPa。芜湖长江大桥开初曾沿用这一规定,但这种规定不仅缺乏理论依据,且实践上难以控制。如图3的试验例所示,焊缝A,BC,其△σ均超出规定;但按“韧强比”考核,RA分别为0.09,0.150.25,因设计规定RA0.15,可见只有焊缝A不符合要求。这样,若按△σ处理则将全部报废,显然不合理。所以,根据韧强比来控制焊缝“超强”问题是适宜的。

2.3.2       埋弧焊焊丝的优化

由于铁路钢桥的结构特点,主要采用的是埋弧焊方法,完全按国标供货的焊丝往往不能满足桥梁钢结构焊缝的韧性要求。从九江长江大桥建设开始,曾对埋弧焊焊丝进行优化,即降低焊丝中的SPC质量分数,如表8所示。将标准焊丝优化后,焊丝牌号后缀特别标注为“E”。这实际涉及“纯净冶金学”。如此优化的焊丝有利于改善焊缝的韧性。

 

    2.4  焊接钢桥的制造工艺

现代大跨度钢桥的上部结构主要是桁架梁和箱形梁,支撑上部结构的基础也由墩台发展为塔(预应力混凝土塔和钢塔)。桥梁钢结构对焊接技术的要求很高,各钢桥制造单位为适应发展的需要,不断完善和革新制造技术,工艺装备和工艺水平也不断提高。发展到今天,已具有了制造高质量焊接钢桥的条件,完全能够保证钢梁有高的制造精度和焊缝办学性能。

例如钢箱梁的制造,需分成“节段“在工厂内加工、焊接,箱梁节段在工厂制造完成时,需进行预拼装,以检查尺寸和线形。然后再分解成独立节段,并按计划将节段运送至工地进行拼装成桥。节段大小和质量须适应吊运的要求。例如,厦门海沧大桥为三跨连续钢箱梁悬索桥,箱梁总长1108m,梁宽36.6m,梁高3.0m,需分成94个“节段”进行制造,每一节段质量为127.4206.6t,其中标准节段长12m、质量157.5t。所有节段拼装之后需保证成桥的线形要求,纵向要保证所有节段的锚板吊点中心均在规定半径尺寸的圆弧上,横向也要保证规定的拱度。如何保证构件的尺寸精度和线性要求是一个突出的问题。必须合理制定焊接工艺以防止焊接变形,其中包括采用“反变形”措施。

焊接方法的应用与早期亦有很大不同。已经不再仅仅是焊条电弧焊定位、埋弧自动焊完成焊接任务的情况。公路桥的上部结构多为箱梁,铁路桥则多为桁当梁,因而应用的焊接方法有所不同,相应地所用焊接材料也不同,统计结果如表9所示。

在公路斜拉桥和悬索桥钢箱梁制造中,高效率焊接方法的应用受到重视,应用最多的为CO2自动焊、半自动焊以及单面焊双面成型技术。为了保证根部熔透和背面成形,广泛应用了陶质衬垫。已经配备有焊枪可摆动的CO2自动焊机、用于U型肋与桥面板角焊缝的双头CO2自动焊机等。但与国外相比较,中国高效焊接方法的应用还较为单一,主要是CO2焊接法和埋弧焊接法。国外很重视高效焊接方法的开发和应用,常用TIG焊实施根部焊道的单面焊双面成型来代替衬垫焊;除使用Ar/CO2(82/18)混合气体,还开发了新的混合气体,即Ar/He/CO2/O2四种气体相混合的混合气体,并已应用于焊接钢桥。另外,在U型肋与桥面板焊接时则采用了六头自动焊机。焊接机器人已在国外应用于桥面板构件的焊接。在这方面,与国外相比还有差距。

在焊接材料方面,一个突出的变化是药芯焊丝的应用逐渐增多,例如,宜昌大桥焊接中,CO2焊接时完全使用药芯焊丝,用量210t,占该桥用钢量的1.9%。目前,高韧性和工艺性能优异的焊接材料的开展和稳定供货,是进一步提高焊接钢桥质量的重要因素之一。

 

3  结论

1)中国焊接钢桥的建设始于20世纪60年代初,但大发展的鼎盛期是20世纪90年代,当前可谓业已进入世界先进行列。已具备条件建设各种所需要的大型或特大型焊接钢桥。

2)焊接钢桥的发展经历了由“疑虑”到“信赖”的过程,优质桥梁用钢的开发,焊接技术的进步,是促进焊接钢桥发展的重要因素。

 

参考文献:

1〕罗尔夫  S T   结构中的断裂与疲劳控制(断裂力学的应用)〔M. 北京:机械工业出版社,1985

2Meester B de.Selection of steels according to their Charpy V Properties in order to avoid Brittle Fracture[J].Welding in the World,1988,26:(11/12):308-324

 
 
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