隨著鋼結構橋梁向大跨度和全焊接結構方向發展,對橋梁結構的安全可靠性要求越來越嚴格,由此對鋼板質量提出了更高的要求,即不僅要求其具有高強度以滿足結構輕量化要求,而且還應具有優良的低溫韌性、焊接性和耐蝕性等。對此,美國和日本分別投入大量資源開發了滿足上述要求的高性能耐候橋梁用鋼,并且取得了可觀的經濟效益和社會效益。在國外,低成本高性能耐候橋梁用鋼已成為橋梁用鋼發展的一個新方向。
典型耐候橋梁用鋼的開發
美國耐候橋梁用鋼。自二十世紀九十年代以來,由美國鋼鐵學會、美國聯邦公路管理署、美國海軍和米塔爾美國公司聯合立項研究高性能鋼,由米塔爾美國公司參與研發和生產,先后開發了HPS50W、HPS70W和HPS100W系列鋼種,具體產品的化學成分、力學性能分別見表1、2。
注:夏比V型缺口沖擊吸收功的測試溫度分別為-12,-23,-34℃;各品種均采用淬火—回火工藝生產。其中,HPS50W采用TMCP(熱機械控制工藝)生產時的長度為15200mm;HPS70W采用TMCP生產時的厚度為50mm、寬度為3000mm、長度為38100mm。
截至2000年,美國45%的耐候橋梁用鋼可以不涂裝。橋梁用鋼量大幅減少,與傳統的橋梁用鋼相比,橋梁制造成本降低最高可達18%,重量減輕可達20%以上。
日本耐候橋梁用鋼。日本新日鐵住金公司開發了具有抗腐蝕性的耐候高性能橋梁用鋼BHS700W,其化學成分(%)為C:0.06;Si:0.26;Mn:1.30;P:0.004;S:0.001;Cu:1.13;Ni:1.46;Cr:0.59;Mo:0.44;V:0.04;B:0.0002;Pcm:0.280。
注:Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B(%),為焊接冷裂紋敏感指數。
力學性能為屈服強度:782MPa;抗拉強度:820MPa;斷后伸長率24%;夏比沖擊吸收功:245J;厚度方向斷面收縮率:54%(夏比沖擊吸收功的測試條件為V型口平行軋向)。
在焊接方面,BHS700W的Pcm較大,且強度較高,導致BHS700W的焊接預熱溫度在50℃左右,同時其焊接熱輸入降為5kJ/mm,從而減少焊縫開裂。BHS700W的碳含量低,以此來降低焊接預熱溫度。除此之外,還有效利用了銅的時效析出來保證鋼板的強度。通過控制工藝過程,使鋼板的屈服強度增加了15MPa。
耐候橋梁用鋼的應用
裸裝使用是耐候鋼最突出的優點,也是最為常見的使用方法,可以最大程度發揮耐候鋼的優勢。一般經過4—15年后,耐候鋼表面才能形成一層致密的銹層,銹層逐漸穩定,腐蝕發展減慢,外觀呈巧克力色,從而達到保護基體的目的,這是耐候鋼獨特的使用方法。耐候鋼的銹層穩定化過程受鋼材的化學成分、使用環境、構造細節和機械磨損等條件的影響,如果使用不當而破壞了穩定銹層的生成條件,則耐候鋼將會產生嚴重腐蝕。實踐證明,在無嚴重大氣污染或非特別潮濕的地區,耐候鋼可直接裸露于大氣中,但在海水和含鹽地區、溫泉(含H2S)地區以及亞硫酸氣體濃度較高的地區都不宜使用耐候鋼。