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作者：徐向军1,2 胡广瑞1,2 王青峰3 刘洪武1,2
1. 中铁高新工业股份有限公司
2. 中铁山桥集团有限公司
3. 燕山大学
摘 要
总结了近三十年我国钢桥建设和桥梁用结构钢及桥梁钢标准的发展，强度级别从 Q345q、Q370q 级发展为 Q420q、Q500q、Q690q 级，耐候桥梁钢、耐海洋大气环境腐蚀钢板、复合钢板、高性能桥梁钢研发成功并被工程应用。列举了在实桥应用中桥梁用钢常见问题，如钢板力学性能均匀性、钢板外形质量、焊接性、设计选材应注意钢板的焊接性等，有助于推动我国桥梁用结构钢的高质量发展。
0 引言
据钢结构协会统计，2022 年 我 国 粗 钢 产 量10.18 亿t，钢结构产量首次突破亿吨（1.014 亿 t），其中桥梁钢结构占 7.6%（约 771 万 t），目前我国已经成为钢桥制造大国。通过近三十年的桥梁钢结构发展，我国桥梁用结构钢得到快速发展，从 Q345q、Q370q 级发展为 Q420q、Q500q、Q690q 级，从 C-Mn钢发展到低合金结构钢、耐候桥梁钢、耐海洋大气环境腐蚀钢板、复合钢板、高性能钢；尤其是近十几年来，桥梁钢轧制工艺从热轧、正火发展到热机械轧制（TMCP），提高了钢板的综合性能，开发了易焊接的桥梁钢，拓宽了焊接工艺窗口，为桥梁钢结构生产效率提高奠定了基础，保证了钢桥全寿命期的结构安全。
1 我国桥梁用结构钢发展概述
1.1 桥梁用结构钢发展
我国桥梁用钢的发展与铁路钢桥的建造密切相关，解放前修建的铁路桥所用钢材都是普碳钢。新中国成立后，制造的钢桥主要为铆接板梁桥和铆接桁梁桥，材质只有普 3 号碳素钢，屈服强度不小于 240 MPa，抗拉强度不小于 380 MPa。在 1957 年建成的武汉长江大桥（图 1）就采用原苏联援助的普 3号碳素钢，这是我国第一代桥梁钢。为了建造南京长江大桥（图 2），1962 年研制成功了 16Mnq 低合金钢，屈服强度不小于 345 MPa，抗拉强度不小于 520 MPa，这是我国第二代桥梁钢。
图 1 武汉长江大桥
图 2 南京长江大桥
为修建九江长江大桥研究开发了 15MnVNq 钢，屈服 强 度 不 小 于 420 MPa，抗拉强度不小于540 MPa，这是我国第三代桥梁钢。20 世纪 90 年代用于九江长江大桥建造，见图 3。由于 15MnVNq 钢板的焊接性不理想，自九江长江大桥后没再被采用。为了修建芜湖长江大桥，在 16Mnq 低合金钢基础上，降低碳、硫、磷元素含量，加铌元素微合金化，研究开发了热轧或正火状态的 14MnNbq 钢，屈服强度不小于 370 MPa，抗拉强度不小于 530 MPa，弥补了 16Mnq 钢厚度效应的缺点，保证了厚板的焊接性能，具有良好的焊接性，这是我国第四代桥梁钢。1998年成功用于长东黄河二桥和芜湖长江大桥的建造，见图 4、图 5。
图 3 九江长江大桥
图 4 长东黄河二桥
图 5 芜湖长江大桥
为达到提高钢板强度的同时仍然保证钢板焊接性能，通过降低碳含量（不大于 0.10%），同时提高铬、镍、铌、钼等合金元素含量，研究开发了热机械轧制（TMCP）状态的 Q420q 钢板。2008 年建造的重庆朝天门长江大桥（图 6）、2011 年建造的京沪高速铁路南京大胜关长江大桥（图 7）中部分受力大的构件采用了低碳贝氏体 Q420qE 钢板，屈服强度不小于 420 MPa，抗拉强度不小于 570 MPa，这是我国第五代桥梁钢。
图 6 朝天门长江大桥
图 7 大胜关长江大桥
为了修建世界首座主跨超过 1 000 m 的公铁两用斜拉大桥——沪苏通长江大桥（主跨 1 092 m，图 8），研究开发了热机械轧制状态的 Q500qE 钢，屈服强度不小于 500 MPa，抗拉强度不小于 630 MPa，最大板厚 64 mm，这是我国第六代桥梁钢。“ 十三五”期间，我国还研发了强度更高的 Q690q 钢，屈服强度不小于 690 MPa，抗拉强度不小于 770 MPa，用于武汉汉江湾桥（图 9）和澳门澳氹四桥这两座公路桥。我国桥梁用结构钢的发展历程和代表工程见表 1。
图 8 沪苏通长江大桥
图 9 汉江湾桥
1.2 桥梁结构钢标准的发展
我国第一部桥梁结构钢标准于 1965 年颁布，在 GB 714—65《桥梁建筑用热轧碳素钢技术条件》 标准中，只列出了 A3q 和 16q 两个钢号，其屈服强度不小于 240 MPa，抗拉强度不小于 380 MPa，这是我国第一代桥梁钢。为了与世界标准接轨，从 GB / T 714—2000《桥梁用结构钢》 开始，桥梁钢牌号改用屈服强度命名，将我国原有的桥梁用钢系列 16q、 16Mnq、14MnNbq、 15MnVNq 相应命名为 Q235q、 Q345q、Q370q、Q420q，按照质量等级不同，每种钢又分为 C、D、E 三级（分别满足 0、-20、-40 ℃ 冲击要求）。2015 年对 GB / T 714—2000 进行了修订，GB / T 714—2015 的桥梁钢牌号中取消了 Q235q钢，增 加 了 Q460q、 Q500q、 Q550q、 Q620q、 Q690q钢，Q345q、Q370q 钢的质量等级分为 C、D、E 三级，Q420q、Q460q、 Q500q、 Q550q、 Q620q、 Q690q 钢的质量等级分为 D、 E、 F 三级（分别满足 -20、-40、-60 ℃ 冲击要求），并将钢板材质按照不同轧制状态（热轧和正火、热机械轧制、调质）分别规定了化学成分，还增加了耐候桥梁钢的成分及耐候性能等要求[1] 。
为了保证大跨度铁路钢桥的主体结构用钢板质量，2020 年由中铁大桥勘测设计院牵头编制了铁路行业标准 TB / T 3556—2020 《铁路桥梁用结构钢》。TB / T 3556—2020 在 GB / T 714—2015 的基础上提出了更严格要求，如对钢材冶炼质量（非金属夹杂物）、轧制质量（显微组织）、钢板强度偏差（抗拉强度增加上限要求）、屈强比、钢板平面度等提出更高标准 要求[2] 。TB / T 3556—2020 与 GB / T 714—2015 标准主要指标要求对比见表 2。
2 近十年我国桥梁用结构钢的发展
2.1 高性能桥梁钢
综观世界上桥梁用钢的历史，其发展呈现出“ 低碳钢 → 低合金钢 → 高强度钢（High Strength Steel，HSS）→ 高性能钢（High Performance Steel，HPS）”的发展轨迹。超低碳贝氏体钢（ultra-low car-bon bainite steel）被国际上称为 21 世纪的新一代钢铁材料，在化学成分上打破传统的 C-Mn 系+微合金化成分设计理念，充分降低碳的含量，匹配独特的 Ni、Cr、Mo、Ti、Al、Cu、Nb 等合金元素，提高微合金在 δ-Fe 中的扩散系数，保证其成分均匀；在组织上，采用均匀的超低碳针状铁素体组织设计，这种组织具有传统铁素体+珠光体组织以及回火马氏体组织所不具备的诸如高强度、高韧性、优良的焊接性和耐腐蚀性能等特点；在生产工艺上采用热机械控制轧制技术，革新传统的以热轧、正火或调质工艺生产高强度结构钢的历史，在保证钢板高强度的同时具有高韧性（-20 ℃ / -40 ℃ 时，冲击功≥120 J）和良好的焊接性能，缩短了工艺流程，降低了生产成本。
在各强度等级桥梁用结构钢中，目前强度等级为 Q345q、Q370q 的钢材是桥梁主体结构用钢的主要钢材。2015 年以前，受轧制设备能力的影响，强度等级 Q345q 和 Q370q 的桥梁钢采用热轧或正火状态，这种钢板的强度随板厚增加而降低，即钢板的“ 厚度效应”。为了保证钢板的强度，C 含量一般按接近上限的范围 0. 14% ~ 0. 17% 控制，同时加入较多的硅，导致钢板的焊接性变差。为了改善钢板焊接性能，2015 年由设计院、业主、钢厂、科研院校、制造厂等单位联合组成课题组，采用降碳、微合金化成分设计和热机械轧制工艺路线，开展高性能桥梁用钢 Q345q / Q370q-HPS 的开发试验研究并取得成功，首次将该钢板用于中俄同江大桥制造，高性能Q370qE-HPS 钢板碳含量不大于 0.10%，碳当量 CEV ≤0.38%，焊接裂纹敏感性指数 Pcm ≤0.20%。目前随着我国钢铁冶炼和轧钢技术水平和装备能力的提升，采用低碳、微合金成分，TMCP 或 TMCP +回火工艺轧制开发了新型高性能桥梁钢，陆续在沪苏通长江大桥、平潭海峡大桥、常泰长江大桥等项目广泛应用，其在改善钢板焊接性方面表现出很大的优势。表 3 为高性能桥梁钢 Q370qE-HPS 钢板（TMCP +回火状态轧制）与传统正火 Q370qE 钢板化学成分对比，Q370qE-HPS 钢板的碳含量、碳当量和裂纹敏感系数均显著低于正火 Q370qE 钢，表明其焊接性好，焊接工艺窗口宽。
2015 年，一带一路重点工程孟加拉帕德玛大桥（图 10）开始施工，采用符合欧标 EN 10025—4 《结构钢热轧产品 第 4 部分：热机械轧制可焊接细晶粒结构钢交货技术条件》的 S420 M 和 S420 ML 钢板，总质量 14 万t，最大板厚达 110 mm，全部钢板由国内钢厂生产。
图 10 孟加拉帕德玛大桥
2015 年，世界最大跨度的 公 铁 两 用 斜 拉 大桥——沪苏通长江大桥（主跨 1 092 m）首次采用 Q500qE 钢，最大板厚 64 mm；2016 年，商合杭铁路芜湖长江公铁大桥采用 Q500qE 钢，正在建设中的常泰长江大桥和大渡河特大桥也采用了低碳贝氏体 Q500q 钢，常泰长江大桥（图 11）最大板厚 68 mm，大渡河特大桥（图 12）最大板厚达到 96 mm。现阶段，第五代和第六代桥梁钢——低碳贝氏体桥梁钢 Q420q 和 Q500q 的应用项目越来越多。
图 11 常泰长江大桥
图 12 大渡河特大桥
2.2 耐候桥梁钢
进入 21 世纪，随着人们环保理念增强，双碳战略实施，桥梁建设需要向更加绿色节能方向发展。免涂装耐候钢桥使用过程中不涂装，维护简便，不会产生因涂装维护带来中断交通的问题，避免了油漆生产、涂装作业对环境造成的污染，免除了对涂装工人身体造成的伤害；耐候钢桥全寿命周期成本低，可大大节省社会资源，建造免涂装耐候钢桥符合《中国制造 2025》绿色制造的指导思想。我国免涂装耐候桥梁钢研发始于 20 世纪 80 年代，1986—1989 年武钢研制出耐候桥梁钢 NH35q 钢，1992 年建造了我国第一座免涂装耐候钢桥——京广线武汉巡司河桥，其中三孔钢主梁中一孔裸露不涂装使用。由于南方雨水多，排水考虑不周全等问题，运营过程中发现免涂装耐候钢梁出现层状剥离锈蚀，后改为涂装方案。此后十几年，免涂装耐候桥梁钢处于发展停滞期。
2011 年，中铁山桥承接美国阿拉斯加铁路桥制造合同，又开启了我国免涂装耐候钢开发和应用研究。2012 年中铁山桥制造了美国阿拉斯加铁路桥板梁。2013 年，中铁宝桥制造了沈阳后丁香大桥钢箱梁，2014 年中铁山桥制造了港珠澳大桥青州航道桥索塔钢锚箱，近十几年来，我国耐候钢桥得到快速发展，已建成的耐候钢桥有官厅水库公路特大桥、拉林铁路藏木雅鲁藏布江大桥、黑河大桥、安徽林陇桥、洪塘大桥、重庆城开高速蓼子特大桥、福建莆炎高速沙溪大桥等几十个项目，还有新西兰 007 项目 273 号桥、加拿大帕特洛大桥等国外项目。耐候桥梁 钢 强 度 包 括 Q235、 Q345、 Q355、 Q370、 Q420、Q485、Q500 级别，供货标准主要包括 GB / T 714 《桥梁用结构钢》、 GB / T 4171 《耐候结构钢》 和美标 ASTM A709 / A709M《桥梁用结构钢》。“ 十三五” 期间开 展 了 满 足 -60 ℃ 冲 击 韧 性 的 F 级 耐 候 钢 Q420qFNH 的开发，并首次用于中俄界河黑河公路大桥制造[3] 。我国主要耐候钢桥梁统计见表 4，正在建造的成乐高速公路扩容项目，免涂装耐候钢用量达到 36 万t。随着我国西部地区交通发展，免涂装耐候钢桥具有广阔的应用前景。
2.3 耐海洋大气环境腐蚀钢板
我国大陆海岸线全长约 18 000 km，且沿海地区多为经济发达城市，公路和铁路交通建设发展迅速。与内陆地区腐蚀环境不同，沿海地区环境属于高氯化物腐蚀环境，腐蚀条件更加恶劣，常规的耐候钢桥建造受到限制，沿海地区钢桥建造可采用耐海洋大气环境腐蚀钢板。借鉴日本沿海地区桥梁钢技术，近十几年来，我国开发了耐海洋大气环境腐蚀高镍桥梁结构钢 板，强 度 等 级 分 为 Q345q、 Q370q 和 Q420q 三个级别，耐腐蚀等级分为Ⅰ、Ⅱ 两个级别，其中Ⅰ 级钢板镍含量 1. 00% ~ 1. 50%，Ⅱ 级钢板镍含量 3. 00% ~ 3. 50%。2017 年，Q345qDNHY-Ⅱ 钢板在援建马尔代夫的中马友谊大桥上应用（钢箱梁外表面涂装，内表面不涂装），2020 年，Q370qENHY-Ⅰ钢板在新建福厦铁路安海湾特大桥和泉州湾特大桥上应用（免涂装），正在建造的狮子洋通道大桥悬索锚固构造将采用 Q345qDNHY-Ⅰ 钢板。2020 年 12 月，中国钢铁工业协会发布了我国桥梁用耐海洋大气环境腐蚀钢板团体标准 T / CISA 073—2020 《桥梁用耐海洋大气环境腐蚀钢板》。
2.4 桥梁用复合钢板
不锈钢复合钢板是以碳素钢或低合金钢做基层、不锈钢做复层的复合钢板，横断面见图 13，其特点是兼具良好的力学、工艺性能和耐腐蚀性能，主要用于石油、化工、制药、食品、海水淡化、核工业等部门的一般容器、压力容器及其他设备。近年来奥氏体不锈钢与桥梁结构钢的复合钢板逐渐应用到国内铁路钢结构桥梁的正交异性桥面板中。复合钢板中主要承受结构受力的是桥梁钢板（基层），不锈钢（复层）的主要作用是防腐、耐候，其上可直接铺设轨道结构，见图 14。与传统铁路钢结构桥梁采用的混凝土桥面铺装相比，不锈钢复合钢板在强度、疲劳性能及抗腐蚀性能等方面优势显著。
图 13 复合钢板断面
图 14 铁路桥复合钢板桥面结构示意
自 2009 年不锈钢复合钢桥面板技术首次在合肥南淝河大桥应用以来，有梅汕铁路桥、裕溪河特大桥、新建钱塘江大桥、潍莱铁路跨青荣城特大桥、平潭海峡大桥、五峰山长江大桥、常泰长江大桥、巢马长江公铁大桥、津潍铁路黄河特大桥等 60 多座铁路大跨度钢结构桥的桥面陆续采用复合钢板，复合钢板已成为铁路钢结构桥梁的主流桥面结构型式。复层奥氏体不锈钢材质为 022Cr17Ni12Mo2（S31603）、 06Cr18Ni11Ti（S32168）或 022Cr19Ni10（S30403），厚度 3 ~ 4 mm，基材材质为 Q345q、Q370q、Q420q 和Q500q 级，厚度 14 ~ 40 mm。其中，潍莱铁路跨青荣城特大桥采用 321 + Q370qENH 不锈钢与耐候钢复合钢板，基层采用耐候桥梁钢来满足材料的强度、韧性和耐候性要求，复层由奥氏体不锈钢来满足其耐腐蚀性要求，使其兼具耐候性与耐蚀性的特点；大渡河特大桥部分采用 Q420 级耐候钢与 S31603 不锈钢的复合钢板，耐候钢复合钢板在铁路钢桥中的应用也 逐 渐 增 多，强 度 级 别 也 逐 步 提 高 到 Q420、 Q500 级。
3 桥梁用结构钢工程应用常见问题
3.1 力学性能均匀稳定
TB / T 3556—2020 和 2015 版 GB / T 714 在钢板强度、冲击韧性、探伤上提出比 2008 版 GB / T 714 和其他标准更高要求，沪苏通长江大桥、商合杭铁路芜湖长江公铁大桥、常泰长江大桥等项目对钢板提出纵横双向拉伸试验、强度上限、屈强比等要求，对 Q420 q 和 Q500 q 钢板提出冲击试验断口纤维率指标要求等。钢板标准和技术要求的提高，需要钢厂提高钢板质量稳定性和性能均匀性，防止钢板进厂后由于不合格造成退货，影响钢梁制造工期。
3.2 提高板型和外观质量
钢桥构件制造精度要求高，杆件的制造精度需要钢板的外形尺寸来保证，尤其是平面度和钢板内应力对杆件外形尺寸的影响大。Q / CR 9211—2015《铁路钢桥制造规范》 要求钢板平面度为 1 mm / m[4] ，这一要求对栓接面尤为重要。钢板外形尺寸偏差主要取决于钢板轧制过程中产生的内应力，要求钢板在轧制过程中，减小钢板内应力，防止厚板产生波浪弯变形和急弯。对于超宽板、超厚板，钢桥制造厂无擀平设备时，需要钢厂对板型控制更加严格。
对钢板表面加强检查，不得有重皮、分层、麻点（或麻面）等缺陷，图 15 为钢板麻面缺陷照片，图 16 为某桥梁构件钢板表面缺陷修磨后的外观。可见：过多的钢板表面缺陷，即使经过打磨、修补，当杆件涂装后，还会影响构件的视觉外观。
图 15 钢板麻面缺陷
图 16 构件钢板表面缺陷修磨后外观
3.3 重视钢板的焊接性
现代钢桥制造中大量采用焊接结构，桥梁钢的焊接性至关重要，个别钢厂为了降低生产成本，不进行真空冶炼，碳含量取上限，减少合金元素的含量，钢板偏析，虽然成分和常规力学性能检验全部满足要求，但焊接性差，焊接工艺窗口窄，表现为对焊接热输入敏感，当采用埋弧焊大热输入焊接方法时，接头冲击韧性下降；当采用气体保护焊小热输入焊接方法时，焊接接头产生脆硬组织，严重的会产生冷裂纹。图 17 为某桥构件角焊缝横向冷裂纹照片，可见：裂纹起源于角焊缝热影响区处，并向垂直焊缝方向扩 展。该 钢 板 材 质 为 Q355 级 钢 板，碳 含 量0.16%，碳当量 0. 42%，虽然符合 GB / T 1591—2018《低合金高强度结构钢》[5] 标准规定，但焊接性差[6] 。再如，某材质 Q345qD 钢的工形杆件主角焊缝热影响区处存在探伤缺陷，返修焊仍不合格，并且缺陷向母材方向扩展，经分析原因为钢板偏析造成，缺陷照片见图 18。
图 17 角焊缝横向冷裂纹
图 18 角焊缝热影响区偏析造成焊接缺陷
3.4 正确选用钢材标准
有些公路桥的设计师认为，公路桥比铁路桥受冲击载荷小，没必要采用符合 GB / T 714—2015 《 桥梁用结构钢》 的钢板，钢板只要符合 GB / T 1591— 2018《低合金高强度结构钢》 就行。殊不知，GB / T 714—2015与 GB / T 1591—2018 两个标准区别不仅限于冲击韧性（GB / T 714—2015 规定钢板冲击功不小于 120 J，GB / T 1591—2018 规 定 Q355、 Q420、Q500 钢板冲击功分别不小于 34、40、47 J），在冶炼方法、碳含量、碳当量、焊接裂纹敏感性指数上也有区别，这直接关系到钢板的焊接性。GB / T 714— 2015 规定的冶炼方法为“ 钢由转炉或电炉冶炼，并进行炉外精炼” ，而 GB / T 1591—2018 规定的冶炼方法为“ 钢由转炉或电炉冶炼，必要时可进行炉外精炼” ，即 GB / T 1591—2018 对炉外精炼并不强制要求。两个标准对碳含量（C）、碳当量（CEV）、焊接裂纹敏感性指数（Pcm）的区别见表 5。对 Q355 钢，如果按照 GB / T 1591—2018 中热机械轧制状态要求，碳含量、碳当量和焊接裂纹敏感性指数与 GB / T 714—2015 中 Q345q 钢板相差不大，对于 Q420 和Q500 级钢板，GB / T 1591—2018 与 GB / T 714—2015的碳含量相差太大[1,6] ，远超当初 Q420q 和 Q500q钢研发时的成分要求。如果采用高碳含量成分设计，焊接性就会很差，容易产生焊接质量问题。呼吁对于桥梁钢结构不能忽视钢板焊接性，主结构用钢板应采用 GB / T 714—2015 的规定，且采用热机械轧制状态轧制。
4 结束语
1）近三十年来我国钢桥建设和桥梁用结构钢取得稳步发展，桥梁用结构钢标准不断提高，保证了钢桥全寿命期的结构安全。
2）近十几年来，我国桥梁用钢取得了快速发展，钢 板 强 度 级 别 从 Q345q、 Q370q 级 发 展 为 Q420q、Q500q、Q690q 级，耐候桥梁钢、耐海洋大气环境腐蚀钢板、复合钢板、高性能桥梁钢等研发成功并被工程应用，桥梁钢轧制工艺从热轧、正火发展到热机械轧制，提高了钢板的综合性能，开发了易焊接的桥梁钢。
3）在桥梁钢结构制造中，应注意桥梁用钢质量问题，保证使用性能，从而推动我国钢桥建设高质量发展。
来源 | 钢结构 微信公众号
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