科技新进展：新型高性能耐候桥梁钢及应用关键技术

一、研究的背景与问题

随着我国“双碳”政策推进及桥梁钢绿色化发展，结合高原地区生态保护与高质量发展需求，以耐候桥梁钢为代表的高性能桥梁钢在高原地区应用前景广阔。当前，高原环境下高性能桥梁钢相关研究与工程应用严重滞后，难以满足我国高原地区交通建设需求，针对高原高寒(-40℃)、大温差(80℃)、高辐射、地震等复杂应用场景，存在以下待解决的显著问题：

1、高强易焊接新型高性能耐候桥梁钢板低屈强比、低温高韧性组织控制原理、腐蚀行为与锈层稳定化机理。

2、多因素合作用下高性能桥梁钢焊缝低温韧性、腐蚀行为与耐蚀性控制机理。

3、严酷环境-复杂荷载合作用下焊接截面高性能桥梁钢构件、节点服役性能演化机理和失效机制。

因此，亟需在适用于高原复杂环境的高性能桥梁钢板开发、制备与应用关键技术上实现突破。

二、解决问题的思路与技术方案

1、技术思路

针对以上拟解决的关键问题，综合采用材料成分设计与性能调控理论分析、试验研究、数值仿真和工程应用技术体系开发相结合的手段开展研究。

(1)针对适用于高原腐蚀-高寒复杂环境高性能桥梁钢板，开展材料设计与组织性能调控及服役失效机理研究。结合长期腐蚀数据进行合金元素配比设计，利用Thermo-Calc/ Jmatpro等热动力学软件结合相变仪进行相变和析出规律分析，完成合金成分体系设计；基于高性能钢 M 组织调控理论开展高强韧 M³⁺(多相、亚、多尺度+多形态)精细化组织设计。通过真空感应冶炼、锻造、轧制开展实验室试制，进行 M³⁺组织的组成与分布调控。利用 SEM、EBSD、TEM、3DAP、物理化学相分析等先进表征手段，分析实验室与工业试制新型高性能耐候桥梁钢板的多形态铁素体、亚稳奥氏体、纳米析出相等组织的精细微结构、成分与分布。基于高原温度、湿度和日照变化规律调研，开展实验室加速腐蚀模拟试验，结合高原中长期挂片腐蚀数据，通过数据拟合回归、理论建模等方式，建立新型高性能耐候桥梁钢板的百年腐蚀减薄量预测模型开展钢板低温断韧性(CTOD)试验以及工业试制高性能桥梁钢板试样(光滑、带锈层、缺口)的拉-压高、低周疲劳试验，研究疲劳性能和断裂机理。

(2)针对高强韧易焊接新型高性能耐候桥梁钢板的制备及焊接技术研究，结合高性能桥梁钢研发基础理论体系以及工业生产、应用大数据，通过Thermo-Calc 等热力学软件对生产过程中第二相析出和元素扩散的热、动力学计算，优化化学成分设计和浇铸工艺参数，构建一体化组织性能调控理论体系和制备技术。通过焊接热模拟试验得到高性能桥梁钢材的CCT 曲线，确定 t_8/5 区间；采用等离子切割、火焰矫正试验评价热加工对钢板组织结构稳定性影响；通过理论分析与小铁研FISCO、最高硬度法等试验进行钢板焊接性评价；通过动静特性评价，优选适用于高原高海拔、低气压、低氧、低温、强风环境焊接设备；开展合金成分与微量元素正交试验,采用焊接分析仪研究不同渣系对电弧稳定性和电弧挺度影响，开发高性能桥梁钢专用焊材；开展不同焊接方法、焊接材料、焊接工艺试验研究，制定高性能桥梁钢焊接设备优选-焊材开发-焊接工艺-评定一体化解决方案。

(3)针对高原复杂环境高性能桥梁钢板应用与评价技术体系研究，实现典型工程示范应用，综合分析研究数据，重点考察服役荷载、高原环境复杂因素，结合实桥挂片腐蚀试验结果，应用电化学和腐蚀显微分析等方法，构建材料的腐蚀动力学模型。与实验室加速腐蚀试验模型进行比对，构建评价方法，对钢板、焊接接头、节点和构件长期腐蚀行为进行腐蚀失重、微观表征、腐蚀起始阈值分析，建立多维度评价体系，制定方法标准。开展实桥原位、缩尺模型等试验，结合数值分析方法和结构监测数据验证建立结构跨尺度物理模型，分析复杂环境-多重荷载合长期作用下结构响应特征，建立材料尺度体元表示的结构损伤理论模型，总结高性能桥梁钢结构全寿命周期设计方法、服役性能和经济性评价方法。开展高原环境下高性能桥梁钢的示范工程建设，采用 BIM 技术研究桥梁可视化施工、碰撞检查、工程量计算基本特征；分析高原环境下桥梁建造施工阶段全过程控制及纠偏技术；竣工后对钢桥进行振动、荷载、变形及应力监测，从结构层面对其服役性能指标进行验证与评价。

2、技术方案

图 1 技术方案路线图

项目综合采用材料成分设计与性能调控理论分析、试验研究、数值仿真和工程应用技术体系开发相结合的研究手段，开展材料理论、钢板制备与焊接关键技术、应用设计、示范应用四个层面的研究，技术路线如图 1 所示。

三、主要创新性成果

1、提出高强韧、易焊接新型高性能耐候桥梁钢板材料设计准则，揭示强韧化机制及低屈强比组织控制原理。

基于长期以来高强韧、易焊接耐候钢理论体系和工业生产、应用大数据，结合高原复杂环境特点和施工、服役要求，开展相变与析出热动力学研究，提出新型高性能耐候桥梁钢板合金成分设计体系，开展组织调控研究；全面评价新型高性能耐候桥梁钢板精细化组织及强韧性并建立二者数据关系，揭示强韧化机制及低屈强比组织控制原理，提出高强韧、易焊接新型高性能耐候桥梁钢板材料设计准则。

开发模拟高原复杂环境加速腐蚀试验方法，研究新型高性能耐候桥梁钢板在模拟高原环境下的腐蚀行为及失效机制；开展裸钢、锈层加速稳定化处理试样在高原桥址环境一年以上挂片腐蚀试验；全面表征钢板均匀腐蚀和局部腐蚀锈层、基体微结构与成分，揭示耐蚀机理；通过数据拟合回归、理论建模等方式建立新型高性能耐候桥梁钢板百年腐蚀减薄量预测模型，为桥梁钢板耐久性评估提供重要支撑。

研究新型高性能耐候桥梁钢板低温断裂行为，探明板厚对低温断裂韧性的影响规律；研究新型高性能耐候桥梁钢板的拉-压高、低周疲劳行为，探明服役状态(光滑、带锈层、缺口)对疲劳性能的影响规律；结合断口形貌、疲劳 S-N 曲线等分析，揭示其疲劳和断裂机理；建立材料疲劳失效模型，开展低温断裂安全性评定，为桥梁钢板的材料优化、疲劳寿命预测和损伤安全评估提供重要支撑。

2、建立新一代高等级耐候桥梁钢产品质量稳定的智能化生产技术，建立高性能桥梁钢焊接工艺体系，形成高性能桥梁钢焊接设备优选-焊材开发-焊接工艺-评定一体化解决方案。

研究特厚板Z35和低温韧性控制难题，开发特厚连铸还质量稳定化控制技术，研究连铸过程中结晶器振动参数、冷却强度、二冷水分配、拉速、温度控制、大压下等工艺参数对连铸坏质量的影响，实现连铸坯低偏析、高表面质量的有效控制；开发厚板高渗透性控轧+弛豫+超快冷+热处理一体化组织控制技术，实现钢板低屈强比和低残余应力制备；开发高精度厚度轧制技术，实现小压下量位置与厚度自动控制，解决钢板不平度问题，提高产品厚度精度及板形合格率；结合现代生产装备、流程特点，通过生产关键工艺环节数字化表征、数据结构库构建和生产流程规范化控制，建立新一代高等级耐候桥梁钢产品质量稳定的智能化生产技术。

基于高原复杂环境对高性能桥梁钢专用焊接材料应用要求，研究气体保护焊、埋弧焊及手工电弧焊用焊接材料的主要合金元素、微量元素种类及含量对熔敷金属耐候性能低温力学性能等的影响规律，解决高强焊材熔敷金属铸态组织低温高韧性、高耐候性难以保证的难题，研究焊材渣系中矿物质粉及化学药粉对电弧稳定性和电弧挺度的影响，解决强风环境下焊接过程稳定性差的问题；开发高性能焊接材料稳定化生产工艺实现非均匀性焊缝组织耐候性能与母材匹配。

评估高海拔、低气压、低氧、低温、强风等复杂环境下焊接设备应用性能，匹配专用焊接设备；针对复杂环境条件下焊缝成形困难问题，通过研究焊接电弧特性、提高电弧挺度、优化熔滴过渡方式，并控制低气压焊接电弧动、静特性曲线，避免焊缝熔深减小导致未熔合缺陷，建立高性能桥梁钢焊接工艺体系；形成高性能桥梁钢焊接设备优选-焊材开发-焊接工艺-评定一体化解决方案。

3、严酷环境复杂载合下焊接截面新型高性能耐候桥梁钢板构件、节点受力性能研究，建立腐蚀-低温耦合作用下构件及节点的微宏观跨尺度演化及高低周合的疲劳损伤评估模型

研究严酷环境(高寒、腐蚀)与复杂服条件(车辆、风、地震等)耦合作用下焊接截面高强新型高性能耐候桥梁钢板构件及节点的单轴拉伸和多轴弯-压屈曲失效机制，建立相应的腐蚀-温度-承载力评估模型；探究腐蚀-高寒环境及复杂应力场耦合下高强耐候桥梁钢焊接截面构件及节点高周(车辆、风)、低周(地震)疲劳损伤机理及演化规律，确定不同腐蚀程度和温度条件下的疲劳抗力曲线，建立腐蚀-低温耦合作用下构件及节点的微宏观跨尺度演化及高低周合的疲劳损伤评估模型，为严酷环境-复杂荷载耦合下焊接截面耐候桥梁钢构件、节点的承载能力、疲劳性能评估与设计莫定基础。

4、形成高辐射、大温差、荷载等多因素耦合机制下钢板、焊接接头、节点、构件的实验室加速腐蚀及实桥长期腐蚀试验方法和多维度评价体系。

通过实桥原位试验结合缩尺模型试验对高性能桥梁钢结构服役性能开展研究和验证，建立复杂环境与荷载试验的试验方法;研究复杂环境-多重荷载合长期作用下结构响应特征，揭示环境-荷载-结构服役性能耦合影响规律；用有限元方法分析全寿命周期结构性能演化规律，验证结构损伤演化进程中材料、节点及构件尺度主要物理力学特征的变化规律,建立材料尺度体元表示的结构损伤量化方程；提出结构服役全周期中的关键性能控制指标，建立高性能桥梁钢结构全寿命周期设计方法、服役性能评价方法和经济性评价方法开展高性能桥梁钢工程示范应用，针对成桥前运输、吊装、拼接等阶段开展施工全过程控制及纠偏技术研究；竣工后开展定期、长期监测，从工程结构层面对高原复杂环境下高性能桥梁钢结构耐久性能、服役性能等指标进行验证与详尽评价。

“Q500qENH桥梁钢及其应用技术” 项目通过中国钢结构协会组织的行业评审，获与会专家一致好评：该项目开发了Q500qENH钢、系列焊材及其应用成套技术，力学、焊接、腐蚀、疲劳、防断等各项性能符合相关标准要求，满足高寒地区大跨度桥梁建设的需求，建议发挥该项成果免涂装高性能耐候钢的技术优势，在重大工程中推广应用。

发布CSTM“桥梁用耐候钢 第1部分：钢板” 、“桥梁用耐候钢 第2部分：钢板配套焊丝钢盘条”、“桥梁用耐候钢 第3部分：钢板大六角头螺栓连接副用钢”耐候桥梁钢及其配套螺栓、焊材的系列标准，形成了“一种500MPa级低屈强比耐候桥梁钢及其制造方法”、“一种焊接热影响区-40℃冲击功不低于54J的500MPa级耐候桥梁钢”、“一种系列高等级耐候桥梁用E级钢一坯料多钢级生产方法”、“细化低碳贝氏体钢中M-A组元的轧制工艺”、“一种耐候桥梁用焊丝钢的轧制工艺”等多项专利，发表了“Q500qENH耐候桥梁钢形变奥氏体连续冷却转变行为研究”、“Q500qENH耐候桥梁钢SHCCT曲线测定与焊接工艺优化”等多篇论文。

四、应用情况与效果

南钢开发的Q345qENH~Q420qENH耐候桥梁钢及其配套耐候焊材已应用于川藏铁路拉林段(拉萨一林芝)，成为国内第一座使用免涂装耐候钢铁路大桥——雅鲁藏布江特大桥，且产品性能稳定、质量优良。此外，南钢耐候桥梁钢板已先后实现在张吉怀酉水大桥、潍莱高铁右线跨青荣铁路特大桥、赤壁大桥等国内重大或重点桥梁工程应用。

图2 雅鲁藏布江特大桥（免涂装）

图3 张吉怀高速酉水大桥（免涂装）

图4 潍莱高铁右线跨青荣城际特大桥（免涂装）

为了监控和了解耐候桥梁钢在川藏铁路沿线地区的自然环境腐蚀性能，南京联合相关科研团队，于2020年9月开展了川藏铁路线地区腐蚀环境调研，先后累计投样800余片，涉及多种挂片钢种，实现雅砻江大桥、列衣大桥、金沙江大桥和川藏铁路拉林段藏木大桥等拟建或在建桥位的腐蚀环境调研及耐候钢投样挂片 (图5)，同步收集温湿度数据，这些数据，将对耐候钢的在川藏铁路(高原) 沿线的应用奠定良好的基础。

图5 川藏铁路拉林段藏木特大桥和大气腐蚀挂片试验

(红圈位置)

信息来源：南京钢铁股份有限公司