桥梁工程概论：钢桥所用材料、选择与影响因素简述

钢桥所用的钢种主要是低碳钢和低合金钢两类。低碳钢是指含碳量为0.03%～0.25% 的钢，其易于加工；低合金钢是指在低碳钢基础上，加入少量合金元素且各种合金元素总含量不超过3% 的钢，其韧性高于低碳钢，同时具有良好的焊接性能和耐蚀性能。

用于钢桥的钢材主要是板材（plate， sheet）及型材（shape steel），其他的管材（如空心圆钢、方钢）、棒材（如方钢、扁钢等）和线材（如钢筋、钢丝、钢绞线等）在钢梁桥上部结构中的应用有限。钢板按厚度分为薄板、中板、厚板和特厚板（钢材的强度、韧性通常会随板厚的增加而下降），桥梁用钢板一般按厚度16～100mm，宽度1.5～4.0m，长度3.0～18.0m供货。型材通常采用轧制的H型钢、工字钢、角钢、T 型钢、槽钢等。钢梁桥的主要构件多用板材加工而成，次要构件可采用型钢。除钢板和型钢外，建造钢桥的材料还包括高强螺栓、焊接材料、锻钢和铸钢（用于制作钢支座、鞍座）等。

用来制造钢桥的钢又称桥梁钢（bridge steel），可视其为结构钢（structural steel）的一种，其冶金技术标准从相关的结构钢标准中选用。

用钢材制造钢桥，要经过机械加工和连接，制成的钢桥要承受很大的静力荷载与冲击荷载。因此，所选用的钢材，既要能适应制造工艺要求，又要能满足使用要求。

为了满足钢桥的制造和使用需要，对用来造桥的钢的化学成分和力学性能都有严格的规定。钢的化学成分是指钢中的各种合金元素的多少。合金元素除锰、硅基本元素外，强度较高的钢还包含微量元素铬、镍、钒、铌、氮等。有害杂质硫、磷的含量则须加以限制。钢的主要力学性能指标有强度、断后伸长率、和冲击韧性等。表6.1所列为我国桥梁钢的力学性能要求。

表6.1　桥梁钢力学性能

1.强　度

钢的强度（strength）表示钢对塑性变形及破坏的抵抗能力。强度可通过拉力试件来确定。描述强度的指标有上屈服强度ReH、下屈服强度ReL和抗拉强度Rm。目前，我国公路和铁路桥梁设计时，将钢材的容许应力作为重要的设计依据之一。容许应力一般根据钢材的下屈服强度 ReL除以安全系数K，并考虑结构的应力状态、板厚、板件局部稳定等多种因素综合确定。

2.变　形

除强度要求外，钢桥在使用时也不允许产生过大的变形（deformation）。钢的弹性极限及屈服点越高，表示钢对变形的抵抗能力越大，在不发生塑性变形的条件下能承受的应力也越大。钢的塑性变形能力表现在断后伸长率A、断面收缩率、冷弯几个指标上。在钢试样被拉断后，试样标距的残余伸长与原始标距之比的百分率，称为断后伸长率；试样横截面积的最大缩减量与原始横截面积之比的百分率，称为断面收缩率。断后伸长率和断面收缩率高的钢材，其通过塑性变形使应力重新分布，可避免结构的局部破坏。冷弯（180°）是检查钢材承受规定弯曲程度的弯曲变形性能，并能显示钢板中是否存在制造缺陷（夹渣、分层等）。冷弯性能好的材料，有利于制造。因此，冷弯既是一项工艺指标，同时也是一项质量指标。(www.xing528.com)

3.韧　性

钢材的韧性（toughness）包括冲击韧性和断裂韧性，其指钢材在塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力，是钢材强度和塑性指标的综合表现。韧性不好的钢材，在低温或快速加载等不利的条件下，容易使钢材发生脆性断裂（brittle fracture，指在静力或加载次数不多的动荷载作用下发生突然断裂，断裂前构件变形很小，裂缝开展速度很快）。因此，常用低温冲击韧性来判断钢材的抗脆性断裂性能。冲击韧性值（冲击功或冲击能量，用KV2表示，单位是焦耳J）的大小是通过夏比（V形缺口）冲击试验得到的。将冲击韧性值与冲击试验时的温度画在纵、横坐标图上（图6.1），可以发现钢材的冲击韧性值在低于一定温度后急剧下降。这个温度就是转脆温度。转脆温度对应的冲击值是桥梁用钢的低温冲击要求标准值。

图6.1　冲击值与温度关系曲线

4.疲　劳

钢桥的疲劳（fatigue）性能十分重要。桥梁承受的动荷载（如车辆、风等）是随时间变化而重复作用的荷载。这种荷载产生的应力虽然低于结构的名义容许应力，但由于构件材料（包括连接，如焊缝）中可能存在微小的缺陷而导致局部的应力集中，这些潜在的缺陷处（即裂源点）容易产生塑性变形而萌生裂纹。随着外力作用次数的增加，裂纹会逐渐扩展，最后导致钢桥的断裂。这种现象称为疲劳。结构出现肉眼可以看得见的裂纹前能承受荷载循环作用的次数（通常要求不少于2×106万次），工程上称为结构或材料的疲劳寿命。影响钢桥疲劳寿命的因素很多，材质是重要的影响因素之一。

关于我国结构钢和桥梁钢的牌号表示，简述如下。

我国碳素结构钢（GB/T700）的牌号表达方式为：以代表屈服强度“屈”字的汉语拼音首字母“Q”开头，后接上屈服强度ReH（以MPa为单位）的数值，再接表示质量等级和脱氧方法的符号，如Q235CF。屈服强度计有Q195、Q215、Q235　及 Q275共4级。质量等级从低到高分为 A、B、C、D共4级。对于 A 级，无韧性要求；对于 B、C、D，均需做冲击试验。根据冶炼时脱氧程度的不同，钢可分为沸腾钢（代号F）、镇静钢（Z）和特殊镇静钢（TZ）。

低合金高强度结构钢（GB/T1591）的牌号表达方式为：以字母Q开头，后接上屈服强度ReH的数值，再接交货状态代号和质量等级符号，如：Q420NE。屈服强度计有Q355、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690共8级。钢材交货状态分为热轧、正火或正火轧制（代号N）、热机械轧制（代号M）；质量等级分为B、C、D、E、F共5级。

桥梁用结构钢（GB/T714）的牌号表达方式为：以字母Q开头，后接下屈服强度ReL的数值，再接小写的“桥”字的汉语拼音首字母“q”和质量等级符号，如Q420qD。屈服强度计有Q345q、Q370q、Q425q、Q460q、Q500q、Q550q、Q620q、Q690q共8级（常用者为Q345q～Q500q），质量等级分为C、D、E、F共4级（Q345q和Q370q只有C、D、E级，其余只有D、E、F级）。

另外，耐候钢（weathering steel）和高性能钢（High Performance Steel，简称HPS）也得到持续开发和应用。普通钢材不能抵抗锈蚀，在使用过程中需定期油漆，这大大增加了养护费用。采用含铜、镁、钼、铝等元素的耐候钢，其表面能逐渐形成一层因锈蚀而产生的保护膜，其可阻止水和氧气的持续渗入，从而阻碍和减缓了钢材锈蚀。高性能钢则是一种综合优化了材料的力学性能、便于加工制造、适于低温和腐蚀环境、具备较高性价比的桥梁结构用钢。它不仅保持了较高的强度，而且在材料的抗腐蚀和耐候性能、可焊性、抗断裂和疲劳性能等方面都比传统钢材有明显的提高和改善。