中国焊接钢桥四十年

中国焊接钢桥四十年

清华大学陈伯蠡

⒈中国钢桥发展概况

常见的钢桥型式有：梁桥（I型板梁、桁梁、箱梁），拱桥（系杆拱、下承拱、上承拱、中承拱），以及悬索桥和斜拉桥等。大跨径公路钢桥主要是悬索桥（图1 a）和斜拉桥（图1b）；铁路钢桥多为梁桥和拱桥。图1c为低塔斜拉公铁两用梁桥。按造桥方法，钢桥可分为：

a b

C d

图1 焊接钢桥的几种桥型

a---西陵长江大桥(公路桥)；b--- 南京长江二桥（公路桥）；

c---芜湖长江大桥（公铁两用桥）；d---贵州北盘江大桥（铁路桥）

铆接桥(工厂制造和工地拼接均为铆接)、栓焊桥(工厂制造为焊接，工地拼接为高强度螺栓连接)和全焊桥(工厂制造和工地拼接均为焊接)。栓焊桥和全焊桥统称为焊接桥。

我国仅在长江上已有各种型式的桥梁29余座，其中接近半数为钢桥。“万里长江成了中国当代桥梁的展台。”（北京日报，2002.07.17）。关于焊接钢桥，可以公路桥为对象作比较，按大跨径悬索桥的跨径L≥600m，大跨径斜拉桥L≥400m，进行不完全统计，90年代以来中国已建成大跨径悬索桥7座，大跨径斜拉桥10座；同时期国外建成的大跨径悬索桥有10座（其中日本6座），大跨径斜拉桥有15座（其中日本6座）。按跨径大小排序〔1〕〔2〕，在世界上建成的全部悬索桥中排名前十位的焊接钢桥中，中国有2座：江阴长江大桥（L=1385m）排名第四，香港青马大桥（L=1377m）排名第五；日本明石海峡大桥L=1990m，居首位；丹麦的Great Belt大桥L=1624m，排名第二。而在全部斜拉桥排名前十位的焊接钢桥中，日本的多多罗大桥L=890m，居首位；中国有6座桥，排名第三、四、五、六、七和第九（南京长江二桥L=628m，排第三位；武汉长江三桥L=618m，排第四位）。其中“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”。（北京日报2002.07.17）。

1996年布达佩斯国际焊接钢桥会议中，日本东京大学伊藤教授在题为“东亚焊接桥的技术进展”〔2〕(p.67)中讲了日本的情况，并着重评述了中国钢桥的发展，“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（cable-supported bridge）方面，中国仅次于日本，也有显着的成就。”“（中国）目前正在非常积极地开发焊接桥梁。”“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。”实际上他还并不完全了解中国的发展情况。这时中国已经建成第一座全焊钢桥，即西陵长江大桥（L=900m，单跨悬索钢桥，1996年）。当然，这较之世界上第一座全焊悬索钢桥Severn大桥（英国，1966年，L=987.6m）晚了30年。在〔2〕中，伊藤教授提到：“日本钢结构的生产超过了其它所有国家”，“研究开发了多种用于日本钢桥的焊接技术，但迄今为止，关于工地焊接方面似乎还有些保守。”这说明当时日本还未全力开发全焊钢桥。看来，中国焊接钢桥已经开始疾步赶上并进入了世界的先进行列。为了便于了解，将我国近50年来有代表性的钢桥按建成年代排序，如表1所示。所谓有代表性，不涉及任何方面评价问题，而是为说明各时期桥型、钢材及钢梁制造安装方法等的演变。

中国焊接钢桥的发展并不是一蹴而就的，而是设计、冶金、焊接各方面工程技术人员和技术工人密切配合，经历了几个阶段，努力不懈地试验研究，攻克一个个难关，才可以取得令世人瞩目的成果。中国钢桥是从建设铁路桥起步的，相当长的时间里是采用铆接制造技术。采用的钢材是低碳钢。60年代初，开始栓焊钢桥的研制，并于1962年和1964年分别建成雒容(L=44.62m)和浪江(L=61.44m)两座试点钢桥，取得了初步经验。

修建成昆铁路时，西南铁路建设总指挥部于1965年组成“栓焊梁战斗组”，集合有铁路系统内外19个单位共68人。其中，清华大学与哈尔滨焊接研究所担负焊接试验工作，中国科学院声学研究所负责超声波探伤开创工作。以成昆铁路建设为契机，中国开始进入了栓焊钢桥时代。成昆铁路全线共建成栓焊钢桥44座122孔，用钢量1.2万吨(16Mnq），高强螺栓100万套。“栓焊结构基本上代替了铆接结构，是我国钢桥技术的一次重大改革，并为我国钢桥的进一步发展提供了大量实践的经验，起到了促进作用。”〔3〕

我国在70～80年代，桥梁用钢的质量不理想，同时也存在对焊接技术可靠性的疑虑，而妨碍焊接技术在桥梁钢结构上的应用。1966年列为当时重点工程的枝城长江大桥（701桥），为三跨连续桁梁铁路桥，L=160m，原设计为栓焊梁。专为该桥开发了新桥梁钢 15MnVNq，并进行了全部的焊接性和焊接工艺试验；但最终仍将栓焊结构改变为铆接结构。只当15MnVNq钢经过不断优化，并将白河大桥作为试验桥取得成功后，才在1992年应用于九江长江大桥，建成L=216m公铁两用三跨连续系杆拱栓焊钢桥（最大板厚为56mm）。

进入90年代，经济发展对交通建设的需求日益增长，高速公路网的建设和跨江河、跨海湾通道的建设，迫切要求修建大跨度钢桥。同时，我国冶金技术在不断进步，优质低合金高强钢有了长足发展。除了山海关和宝鸡两个桥梁厂，大型船厂如沪东造船厂、江南造船厂、武昌造船厂及广州造船厂等均有条件承担大跨径钢桥的制造任务，并且已经成功地制造出高质量的焊接钢桥。

1991年开始，上海率先先后建成三座斜拉式栓焊公路桥：南浦大桥（1991年，L=423m，结合梁）、杨浦大桥（1993年，L=602m，结合梁）、徐浦大桥（1996年，L=590m，混合梁）。正在建设的上海卢浦大桥，L=550m，是世界上最大的一座钢拱公路桥。1996年、1997年相继建成全焊结构的单跨钢箱梁悬索桥：西陵长江大桥（L=900m）、虎门大桥(L=888m)。以后陆续建成江阴长江大桥、汕头

如实际有需要，中国完全具备条件有能力建设大跨度或超大跨度焊接钢桥。

2. 中国焊接钢桥的若干技术进展

2. 1 桥梁钢的开发与优化

我国在发展焊接钢桥的过程中主要是采用国产钢材（表1），钢的强度级别主要是屈服点σS≥345Mpa级，如16Mn（Q345）。少数大桥应用了σS≥420Mpa级的15MnVN。也采用过国外的钢材，钢的强度级别均相当于Q345，如SM490C、Fe510D、StE355之类。

50年代，武汉长江大桥采用的是前苏联提供的低碳钢，牌号为CT.3 (相当于Q235)。60年代，南京长江大桥建桥初期，使用的也是前苏联提供的低合金钢，牌号为Нл2(σS=290～390Mpa),但仅供应少量后就停止了。从此开始了自力更生。鞍山钢铁公司全力以赴地开发16Mnq钢，以解南京长江大桥的“燃眉之急”。开始时，成材率很低，钢的质量不够理想，也不够稳定；但在以后的发展中逐步改善，并成为国内各个钢厂长时期的基本产品。16Mnq钢就是这样诞生的。

在制造成昆铁路栓焊钢梁时，使用了国内几个钢厂的16Mnq钢，曾遇到钢板严重的碳偏析情况。标准规定碳的含量上限为0.20%，而有的钢板碳含量高达0.24%。在工型杆件角焊缝埋弧焊时，焊缝产生热裂纹。不得不进行焊丝的优化工作，用H03MnTi焊丝代替H08A,焊剂HJ431也作了优化，结果才得以使用这批钢板。〔3〕

1985年以前，由于16Mn钢的生产工艺改进较小，钢的质量与国外同类钢材差距较大，钢中硫含量高，非金属夹杂物多，钢材性能低，特别是低温冲击韧性差，不能适应市场需要。因而，冶金部组织力量在“六.五”期间进行了科技攻关。在冶炼方面，采用了喷射冶金、稀土处理、微合金化等措施；在轧制方面，采取了控制轧制、热机械控制处理（TMCP）、水幕冷却等新工艺，使16Mn钢的质量得到了很大提高，主要指标达到了当时国外同类钢材的水平。〔5〕表2列出新冶炼工艺的效果。将优化的16Mn钢与近些年应用的几种同类钢材作对比，列于表3，从表3可见，优化的16Mn钢的韧性确已得到明显改善。

1966年初，为满足枝城长江大桥的需要，鞍山钢铁公司开始开发15MnVNq。针对设计的最大板厚为38mm，屈服点σS≥420Mpa，确定正火供货，以保证韧性。起初，经过焊接性和焊接工艺试验，发现，正火的15MnVNq对焊接热循环敏感，过热区韧性降低幅度比较大，必须进一步优化。1976年，15MnVNq的优化工作取得了成果，并应用于白河大桥。该桥为单线铁路桥，三跨连续桁梁，L=128m,作为试验桥已运营多年。15MnVNq钢的优化，实际是利用先进冶炼工艺尽可能降低硫和磷的含量，并适当降低碳含量，表4列出部分数据。