目前，钢桥在桥梁建设中越来越重要，桥梁长度不断增加，钢桥的钢材用量不断增长，承载能力不断提高，因此，对桥梁用钢的性能必然提出了更高的要求。2015年底，在高性能钢材与结构技术交流专题论坛上，铁道科学研究院铁道建筑研究所所长刘晓光详细介绍了我国铁路桥梁钢的研究与应用情况，并提出了今后桥梁用钢的发展方向。
钢材性能不断提高
从1957年通车的武汉长江大桥，到1968年的南京长江大桥、1996年的九江长江大桥、2000年的芜湖长江大桥、2011年的南京大胜关长江大桥，以及现在正在建设的沪通长江大桥，我国桥梁建设用钢量从武汉长江大桥的2.14万吨，增长到了沪通长江大桥的28.52万吨（预计），主跨从武汉长江大桥的128米，增长到了沪通长江大桥的1092米。而从桥梁用钢来看，先后经历了A3q、16Mnq、15MnVN、14MnNb、Q420q和Q500q。
据刘晓光介绍，在我国桥梁钢研发和应用的发展历程中，无论是钢材的成分设计、生产工艺、钢板组织，还是钢板性能都在不断完善和提高。
在成分设计方面，碳含量逐步降低。碳含量虽然对强度提高有一定作用，但对可焊性及其他性能有不利的影响。通过降低碳含量、添加其他元素，可以提高整个钢材的性能。同时，钢的微合金化由最初的V微合金化转变为Nb微合金化，随着Nb含量的逐步提高，Nb所发挥的作用也逐渐多样化。这是由于Nb的添加有利于轧制和细化晶粒，钢材的屈服强度也从345MPa提高到370MPa级和420MPa级。
在生产工艺方面，由最初的正火、控制轧制发展到TMCP（热机械控制工艺）。
在钢板组织方面，由最初的铁素体+珠光体组织发展到超低碳贝氏体组织或超低碳针状铁素体组织。
在钢板性能提高方面，强度、低温冲击韧性、使用厚度和焊接性能不断提高。同时，随着强度的提高，桥梁钢也对屈强比做出了明确的要求。
以南京大胜关长江大桥为例，该桥首次采用了新研制的Q420qE控温控轧高强度桥梁钢，是世界上设计速度最快、跨度最大的钢桁拱桥，是我国高速铁路桥梁建设的里程碑。
Q420q钢的主要特点是板厚效应降低、焊缝强度和韧性提高、耐腐蚀能力增强。由于采用一系列精炼技术，加之随着轧制力的提高，Q420q钢板由传统的最大使用板厚为50mm扩展到68mm。同时，与桥梁钢配套的焊接材料性能也得到了提高。以往，桥梁钢的低温冲击韧性在-30℃时只能达到48J，Q420q则可以在-40℃时达到48J以上。同时，其焊缝强度大于570MPa。此外，Q420q桥梁钢的针状铁素体组织均匀性较好，各微区间电极电位差异较小，耐腐蚀能力增强。
Q420q钢的主要创新在于金相组织、生产工艺和钢板性能。Q420q钢以超低碳针状组织为主控组织，具有传统铁素体+珠光体型钢所不具备的诸多优点。采用TMCP工艺生产，钢板轧后直接交货或仅进行应力消除热处理，克服了同强度级别钢必须采用调质工艺生产的不足，提高了钢板表面质量，降低了生产成本，缩短了生产周期。钢板性能方面，保证了钢板（不分板厚）在抗拉强度大于等于570MPa的同时，具有较低的屈强比（≤0.88）和优异的低温冲击韧性（-40℃，Akv≥120J）。
“Q420q钢的综合性能满足了大跨度、重载荷高速铁路桥梁建设的要求。”刘晓光表示。
新型桥梁钢研发始末
“沪通长江大桥建成后，将成为世界上跨度最大的公铁两用斜拉桥，其主体结构首次采用了新研制的Q500q控温控轧高强度桥梁钢。”刘晓光详细介绍了500MPa级高性能桥梁钢的研发过程。
基本性能优异。在研发新型桥梁钢之前，研究者对500MPa级高性能桥梁钢的基本性能进行了诸多研究。
在基本力学性能方面，对比Q345qD和Q500qE小试样、板状试样拉伸应力-应变曲线和低温冲击韧性实验，实验结果显示，当Q500qE的韧脆转变温度低于-50℃时，Q500qE的止裂能力与Q345qD相当。同时，研究者通过裂纹扩展实验，得到了扩展速率方程。
在Q500q桥梁钢防断性能方面，研究者进行了CTOD（裂纹张开位移）试验和宽板拉伸试验。CTOD试验是根据所测裂纹张开位移值来研究防断性能。CTOD实验选用了Q345qD和Q500qE两种钢材，实验对象是母材和焊缝，选取了不同厚度、不同屈强比、不同温度的标准三点弯曲试样进行实验。实验结果显示，屈强比对两者CTOD的影响不大。
宽板拉伸试验是根据所测断裂韧性Kc值判断防断性能，其实验对象是Q345qD和Q500qE的母材和焊缝，在不同厚度、不同屈强比、不同温度下对深缺口宽板进行实验。由于强度的提高和晶粒细化等原因，Q500qE的断裂韧性整体高于370MPa级和345MPa级桥梁钢。
“实验结果显示，Q500qE的低温抗脆断能力完全能够满足桥梁的使用安全性要求。”刘晓光表示。
解决制造关键问题。Q500桥梁钢还解决了制造的关键技术，包括Q500钢的焊接性能、火焰切割性能、热矫温度的控制和厚板焊接工艺等。
研究者对厚度为16mm~60mm的Q500qE钢板在热影响区的焊接性能进行了实验检测，并测试其最高硬度值。“Q500qE钢板的实验结果显示了其良好的焊接性能。”刘晓光表示。
在火焰切割性能方面，研究者对厚度为16mm~60mm的Q500qE钢板的火焰切割面也进行了火焰切割试验，方法是取得最高硬度值，以检验其火焰切割性能。实验结果证明，Q500qE钢能够满足一般火焰切割的要求。
此外，针对焊接变形严重的熔透角焊缝，研究者在650℃~750℃的温度下进行热矫形，矫形后取样并进行拉伸、弯曲、低温冲击试验。试验结果表明，随着热矫形温度的升高，屈服强度和极限强度有所降低，屈强比有所升高。“因此，我们需要对矫形温度进行控制，矫形温度不应超过700℃。”刘晓光强调。
关注Q500桥梁钢设计的关键问题。“在Q500桥梁钢的设计和实际应用中，要关注其结构安全储备、疲劳抗力设计指标和压杆稳定设计参数。”刘晓光表示。
研究者以足尺模型梁进行了Q500桥梁钢的结构安全储备实验，模型梁长度达到10.6米，高度为1米，其目的是为了掌握极限承载力和变形行为，评估安全余量，提出合理的屈强比。根据Q500qE足尺模型梁的有限元分析结果，以及Q500qE、Q345qD的足尺模型梁载荷-位移曲线，他们得出结论：按目前的规范和设计，屈强比为0.86的Q500钢具有足够的安全储备，可以满足安全系数取值。
针对对接焊、栓焊、混合接头、箱型杆件的隔板焊接、交叉焊缝、整体节点双向应力、不等厚的十字焊缝等焊接方法和构造，研究者做了疲劳性能实验，并提出了疲劳设计的指标。研究显示，Q500q钢不仅基本的力学性能得到提高，其疲劳抗力也能够满足要求。
刘晓光指出，目前，铁路标准规范中关于压杆稳定的规范要求，只针对低于Q420MPa级别的钢材，对于更高级别的钢材还没有相关规范要求。该钢种的研究是通过理论分析和试验模拟来计算推荐Q500压杆稳定系数。对于压杆稳定，研究者提出纳入规范的建议：长细比小于30，压杆稳定系数统一按照长细比为30压杆考虑取值；当长细比小于30时，考虑长细比继续减小对压杆稳定系数取值的影响。
刘晓光指出：“Q500桥梁钢应用的主要成果是提出了屈强比限制要求，掌握了防断性能，制定了制造工艺措施，提出了相关设计参数指标。”
高性能桥梁钢将成趋势
近年来，钢桥不断增多，涂装的工作量也随之增多，涂装工程量大，涂料用量多，增加了费用，同时，也对环境造成了比较大的影响。此外，在海洋环境等环境比较恶劣的地区，对耐腐蚀桥梁的需求也不断增加。
据了解，美国、加拿大、日本、欧洲等国家的耐候钢得到了广泛的应用，而在国内，耐候钢的应用范围并不大。
“因此，耐候桥梁钢和耐腐蚀桥梁钢应该是今后桥梁钢发展的方向，也是下一步我国桥梁钢研发需要解决的问题。接下来，我们可以结合环境要求和使用要求来开展这方面的工作。”
随着桥梁长度的增加（如沪通长江大桥就超过千米），桥梁建设对钢材提出了更高的要求，不光是强度和韧性方面，还包括低温脆断、疲劳抗力、可焊接性等。
此外，结合桥梁防腐等要求，桥梁建设采用了不锈钢板和其他板材的复合钢板形式，如合肥铁路枢纽南环线钢桁架柔性拱特大桥复合钢桥面板。目前，正交异性板U型肋用量比较大，从质量保证、提高使用效率、降低费用方面考虑，需要进一步研究和应用直接从钢厂轧制的正交异性整体桥面冷弯U型肋。
刘晓光表示：“随着铁路建设在海洋、高寒、多地震等区域的深入开展，势必对桥梁提出更高的耐候、低温抗断和延性等要求。展望未来，铁路桥梁钢必将向着高强度、良好可焊、防断、疲劳和耐候性的高性能桥梁钢方向发展。”
< 完 >
